精密二维运动平台的设计与系统开发

发布时间：2020-08-17 21:51

【摘要】：精密定位平台在微电子、医疗、航空、航天等领域有着重要的应用地位,每一次精密定位平台技术的发展与应用都会对科技的进步起着强大的推进作用,因此展开精密定位平台技术的研究具有极为重要的理论意义与现实意义。本文针对数字显微镜大幅面图像拼接中图像扫描的问题,设计了一套用于显微镜图像拼接的数控二维载物台机械结构与控制系统,做了如下设计与研究工作:(1)根据运动平台的设计要求,对滚珠丝杠,交叉滚珠导轨等部分零部件进行选型,采用二维堆叠式共面结构减少阿贝误差,提高了平台机械系统集成度,使平台更加紧凑,扁平。同时结合有限元分析方法,对部分零件机械结构进行了受力分析,该结构在10KG负载下形变为0.2295μm。(2)基于STC89C516RD+单片机设计了基于高精度光栅尺反馈与PID精密运动控制结合的二维数控平台的闭环位移控制系统,实现二维移动平台X/Y方向的运动控制。其中光栅尺差分信号采用DS26C32芯片接收,HCTL-2032芯片对信号进行辨向与计数处理,PID控制算法采用增量式PID控制算法,Z-N临界比例度整定公式对PID进行参数整定。(3)人机交互系统采用操纵杆进行手动控制平台快速定位和矩阵键盘输入参数控制平台精密定位,同时采用LCD1602显示目前运行状态。操纵杆模拟信号通过ADC0832转换为数字信号后便于单片机的读取,为了节省单片机I/O口,矩阵键盘通过PCF8575芯片扩展的I/O口与单片机相连。(4)采用逐点比较法编写平台直线、顺逆圆弧插补程序,采用微小直线段拟合的方式编写正弦与余弦的插补程序,使平台能够实现直线、顺逆圆弧、正弦与余弦扫描运动,并采用Proteus软件进行电路仿真。(5)对平台的误差来源进行了分析,并采用双频激光干涉仪对所设计的数控二维载物台进行标定,建立了平台X/Y两轴在正负两个方向的运动控制误差补偿模型,从而提高了系统运动精度。纵观全文,本文围绕设计要求,完成了平台的硬件与软件系统设计。研究结果表明,平台响应迅速,控制稳定,性能指标满足设计要求。经补偿后,在100×100mm的行程范围内定位精度优于±5um。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TP391.41
【图文】：

运动平台,精密平台,定位平台,微动平台

根据前人研究成果，从不同的角度可以将定位平如，按照行程范围可以将定位平台分为微动平台和大行程平可以将定位平台分为精密平台和超精密平台[ 10]。微动平台的到十几微米之间，有一些也可以达到纳米级别，大行程平台米到几百毫米之间。精密平台的定位精度一般为微米级，而。根据不同的应用领域，对平台的定位精度，行程等要求也尽相同。运动平台结构简图如图 1-1 所示。其采用旋转电机驱动，通与其串联，从而带动连接着丝杠螺母的工作台运动。这种平行程大，可以达到微米级精度，应用非常的广泛。然而，但丝杠具有间隙和迟滞特点，以及连接工作台和传动系统的机运动台系统具有非线性特性，使其无法在现实中达到纳米级

一维运动,直线电机驱动,平台

型的运动平台结构简图如图 1-1 所示。其采用旋转电机驱动，通过联丝杠与其串联，从而带动连接着丝杠螺母的工作台运动。这种平台结低，行程大，可以达到微米级精度，应用非常的广泛。然而，但由于滚珠丝杠具有间隙和迟滞特点，以及连接工作台和传动系统的机构本这使运动台系统具有非线性特性，使其无法在现实中达到纳米级精度图 1-1 典型运动平台结构简图Figure 1-1 Schematic diagram of typical moving platform structure 1-2 所示为日本东京工业大学在 1998 年研制的一维运动平台。该平

纳米定位,平台,激光干涉仪

第一章绪论re 1-2 Linear motor driven one-dimensional motion platform压导轨和无铁芯动圈式直线电机高速驱动，工作采用激光干涉仪反馈并结合 PID 控制系统实现前nm。该平台总重为 19.6kg，有效行程可达 300mm大速度为 320mm/s，定位精度可达 2nm[ 11]。为西班牙萨拉戈萨大学和墨西哥索诺拉大学联合。该平台上基座，中间移动平台，和下基座三层 600mm×600mm×200mm。该平台运用磁悬浮技激光干涉仪测量移动位移。该平台结构体系经过个结构紧凑的系统，能够以 10nm 的分辨率定位在

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