基于模糊控制的刻蚀机运动轨迹拟合技术的研究

发布时间：2020-04-22 23:21

【摘要】：衍射光栅作为光栅光谱仪等科学仪器的核心器件,其制作技术一直被国外封锁。但其在天文、航天等重要领域却有着不可或缺的重要作用。因此,打破外国垄断,制作能生产衍射光栅的大国重器的重要性不言而喻。制作衍射光栅主要有机械刻划法和离子束刻蚀法。其中离子束刻蚀法因其简单而且产出的光栅新能卓越被广泛使用。离子束刻蚀机需要刻蚀平面光栅和曲面光栅。这就要求刻蚀机工作平台可以产生直线和圆弧两种刻蚀轨迹。而刻蚀机工作平台无法进行平滑的曲线运动,因此需要一套合适的轨迹拟合算法来产生尽量接近于圆弧的刻蚀轨迹。有了圆弧轨迹拟合算法之后,则需要一套高精度的传动装置,来带动工作平台运动以实现衍射光栅的刻蚀制作,高精度的步进电机控制系统的各项特征则很适合这类场景。本文首先针对刻蚀轨迹拟合算法进行设计,分析了轨迹拟合算法的基本原理,建立了工作平台的数学模型,根据公式给出了定义的离子源初始位置和入射角度,最后建立了直线和圆弧轨迹的轨迹拟合算法,完成了轨迹拟合算法的设计。之后介绍了运动控制系统中两项步进电机的数学模型,并根据传统PID和模糊PID原理设计了模糊控制器,对整个运动控制系统进行控制。最后本文设计了将轨迹拟合算法和运动控制系统结合的电控系统。该系统共有四个主模块,分别为供电模块、真空获得模块、运动控制模块和通讯模块。在电控系统搭建完成后分别对步进电机控制算法进行了实际实验对比,验证了控制算法的优越性。之后分别进行了平面,凹面,凸面光栅的实际刻划实验,通过光栅尺和编码器采集了实际的刻划轨迹数据,并用Matlab对数据进行分析,得到了实际轨迹与预设轨迹的对比,还有误差分析。
【图文】：

拟合曲线,轴旋转,曲线运动,圆弧曲线

图 2.11 曲线运动轨迹拟合以O1为圆心的蓝色圆弧曲线的Y轴正方向部分作为预想得到的拟合曲线运O5 为轴旋转中心。图中将蓝色圆弧 O1Y 轴正方向部分平均分为六分，得接与 O1 的正十二边形，A11、A12、A13、A14、A15分别为等分点首先确定此运动的初始条件：以 O1 为坐标原点建立直角坐标系；圆弧拟合采取顺时针中线段 O1A10=300，圆 O5 半径（轴旋转半径）r2=120，线段 O1O5 长度=100。下面以割线 A16A15、A15A14说明运动轨迹拟合的过程，其主要分为以骤：1）使点 A16沿圆 O1 的割线 A16A15运动，使 A16与 A15重合。工作台通过 X动量即圆 O1 圆心的变化量为点 A16与 A15坐标点的差值：15 161A A x x x（2-4415 161A A y y y（2-4516与 A15坐标点分别为：

混合步进电机,两相,数学模型

(sin)(cos)12 eLmrmrBTKiNKiNdtdT J （3-3） dtd（3-4）上式中，eT 为两相式混合步进电机的电磁转矩，J 为转动惯量，LT 为负载转矩，B 为步进电机旋转角摩擦系数。综上，，结合 3-1，3-2，3-3，3-4 可得如下 uRiKNLdtdiuRiKNLdtdiKiNKiNBJdtddtdmrmrmrmr[cos()][sin()][sin()cos()]22211112 （3-5）由上式分析，步进电机的特征数学模型却别于普通直流电机，是非线性的特征方程。如下图建立 Simulink 两相式混合步进电机数学仿真模型。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN305.7

【参考文献】