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正交衍射光栅计量原理及在超精密工作台上的应用

作　者: 王选择
导　师: 谢铁邦
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 平面正交衍射光栅光栅干涉二维位移工作台压电陶瓷信号椭圆拟合光电接收信噪比动态特性实验
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

为了满足现代各种不同精密加工与测量的要求,世界各国都在研制各种各样的精密工作台,它的研究发展很快。计量型、宽范围、高精密的二维位移工作台具有广阔的应用前景,本文为此,展开研究,其核心内容主要包括两个方面:(1)二维位移计量标准器的研究; (2)高精度运动基准二维位移工作台及其驱动系统的研究。首先阐述了正交光栅计量的基本原理和方法。基于电磁场理论上亥姆霍尔茨(Helmholtz)波方程建立了光栅向量普适方程,并将此方程应用于光栅计量系统的光路布局设计。应用光栅向量普适方程,建立光栅偏转变化与衍射光束方位变化的数学模型。基于此模型,对不同偏转情况下的光栅干涉条纹进行了仿真。根据衍射光栅的计量特点,建立了正交衍射光栅测量误差模型,推导了光栅安装误差与测量误差之间的关系。分析了干涉条纹两路光电差分信号的有效范围,提出采用椭圆拟合对差分信号进行拟合、校正与补偿,以进一步提高系统测量精度的方法。提出干涉条纹光电接收的差分光电管零间隔与田字型光电管两种新型布置方法,解决了正交衍射光栅产生的干涉条纹质量相对较差影响测量结果的难题,并在实际应用中取得了良好的效果。采用积分法对新型接收方法所得信号的幅值与相差进行了分析,建立了条纹宽度、旋转角度与光电信号幅值、相差的理论关系模型。同传统的相位分析法相比,积分法更能反映光电接收信号与光强、接收面积的关系。应用建立的干涉条纹噪声模型,对光电管新型布置方法与传统布置方法的信噪比进行分析,理论与实验分析均表明新方法能极大提高信噪比,抑制直流漂移的影响。提出了一种处理CCD 干涉条纹的椭圆拟合算法,阐述了该算法的基本思想与实现方法,根据对仿真干涉条纹的计算结果,表明该算法具有稳定性高、速度快与精度高等特点。采用平面正交衍射光栅作为计量标准器,设计并研制了一台共计量标准器与共运动基面的二维位移工作台,已获得发明专利授权(发明专利号:02138704.4)。该工作台采用交流伺服电机粗驱动与压电微位移器高压电源细驱动相结合的方法进行精密定位,粗驱动应用柔性强磁性的点接触联接,目标工作台的运动采用共运动基面方式,底面始终贴在平面度很高的平晶上,保持目标工作台运动平稳的同时具有很高的运动平面度。目标工作台与平面光栅连为一体,平面光栅位于工作台底部,实时记录工作

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1．1 问题的提出  9-10
  1．2 常用位移计量方法综述  10
  1．3 世界各国测量机及应用二维平台  10-14
  1．4 二维位移工作台存在的主要问题  14-15
  1．5 本文的主要研究内容及创新  15-17
2 平面正交衍射光栅计量方法的研究  17-35
  2．1 平面正交衍射光栅向量普适表达方程式  17-19
  2．2 正交衍射光栅的测量原理  19-21
  2．3 直角棱镜放置位置的设计  21-22
  2．4 衍射光束方向、位置与光栅偏转、平移关系的理论建模  22-26
  2．5 衍射光束干涉条纹图的仿真  26-31
  2．6 测量误差的分析  31-34
  2．7 本章小结  34-35
3 衍射光栅干涉条纹的光电接收与处理方法  35-74
  3．1 满足条纹计数的光电转换李萨如信号分析  35-38
  3．2 椭圆信号的采集拟合、校正与补偿  38-45
  3．3 获取条纹光电转换信号的方法  45-58
  3．4 光电接收信噪比分析  58-62
  3．5 线阵 CCD 干涉条纹的处理研究  62-72
  3．6 本章小结  72-74
4 共运动基面与共计量标准器工作台的结构设计与驱动  74-85
  4．1 工作台整体结构  74-75
  4．2 共运动基面与工作台导向机构的设计  75-76
  4．3 粗动工作台偏摆运动误差的计算  76-77
  4．4 微定位工作台结构及静力学分析  77-79
  4．5 工作台定位驱动  79-83
  4．6 共计量标准器工作台结构  83-84
  4．7 本章小结  84-85
5 驱动系统性能分析及虚拟仪器技术的应用  85-105
  5．1 驱动系统硬件结构设计  85-90
  5．2 工作台动态特性与稳定性分析  90-99
  5．3 平面光栅与双频激光两测量系统测量结果的比对与分析  99-102
  5．4 虚拟仪器技术的应用  102-104
  5．5 本章小结  104-105
6 全文总结及展望  105-107
  6．1 全文总结  105-106
  6．2 展望及今后工作的建议  106-107
致谢  107-108
参考文献  108-115
附录1 攻读博士学位期间发表第一作者学术论文  115-116
附录2 精密工作台实验原型照片  116-117
附录3 基于 ISA 卡的电路原理图  117-120
附录4 电路实物图照片  120-123
附录5 网上检索 EI 收录发表文章  123

正交衍射光栅计量原理及在超精密工作台上的应用

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