基于PLC的光栅刻划机控制系统研究

光栅刻划机作为衍射光栅最重要的制作手段,其控制系统对获得高精度光栅具有重要影响。设计并实现了以PLC为核心的光栅刻划机的控制系统,控制系统以伺服电机编码器的检测信号作为速度反馈,以光栅尺和读数头信号作为位置反馈,以温度传感器信号为温度反馈,可以极大地提高光栅刻划机的控制精度。控制系统主要包括PLC、伺服电机和伺服驱动器等硬件模块,完成PLC选型后对主要的接口电路进行了设计,并基于LabVIEW软件实现了光栅刻划机的远程监控系统,提高了光栅刻划机的效率。     

高精度衍射光栅刻划机的最新技术进展

采用高精度的衍射光栅刻划机刻划依然是制作高质量母光栅最重要的手段,因此,跟踪世界光栅刻划机的最新技术进展具有重要的现实意义。文中主要对工件台的双重定位技术和分度运动中的间歇式与连续式的技术融合进行了阐述,并指出了衍射光栅刻划机的发展趋势。     

光电控制间歇运动衍射光栅机控制系统的改造升级

在分析了光电控制间歇运动衍射光栅刻划机（原刻划机）的基础上，针对原刻划机存在的不足，提出了相应的改进措施。据此设计构成了以单片机８０３１为核心的数控系统的硬件，实现了对分度信号的程控放大和幅值细分，提高了刻划机的分辨率；另外，用软件实现了直流力矩马达的分级调速，提高了刻划机的刻划精度。实验结果表明，改进后的刻划机分度重复性明显优于０．０５μｍ。     

大型衍射光栅刻划机拉杆结构的分析与改进

由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构。讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况。基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型。在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差。最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量。测量结果显示:改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36nm降低到小于10nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10nm的精度指标要求。     

基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置

针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差,提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型,应用该模型,控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明,该调平装置简单可行;对于50mm×50mm的光栅毛胚,调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4″以内,满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备,也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。     

基于TMS320F2812的永磁直线电机伺服控制研究

针对DSP芯片TMS320F2812用于采集编码器脉冲的计数最大值小于反馈的总脉冲数最大值,以及伺服控制中的跟踪误差等问题,将偏差累加法和前馈控制运用到伺服控制中。开展了电机角度的处理和位置跟踪精度的分析,建立了电机电角度和脉冲数,以及跟踪误差和前馈系数之间的关系,在安装了分辨率为0.5μm海德汉增量式光栅的永磁直线同步电机平台上,只通过在软件上采取P+前馈补偿来提高伺服控制系统的性能,而不需要采用额外的计数芯片或采用更高级的DSP。基于Simulink搭建了电机控制系统的模型,仿真分析了3种给定位置曲线下系统的跟踪误差情况,并对梯形加减速位置给定曲线进行了实验验证。研究结果表明,P+前馈补偿控制可以大大减小位置跟踪误差。     

光栅刻划刀架系统的运行精度对光栅光谱性能的影响

采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案:采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明:改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127nm降低到13nm,降低了约89%。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。     

含有中周期误差的圆光栅刻划误差的评定

介绍了圆光栅的中周期误差产生的主要原因、检测方法以及评定带有中周期误差的圆光栅刻划误差的两种方法。     

利用修正板实现光栅刻划机刀架等速运动

利用曲线修正板对曲柄滑块机构运动速度进行补偿,实现了光栅刻划机刀架的等速运动.建立了运动机构的数学模型,推导了等速修正板曲线参数方程.并且针对该机构,分析了由于安装误差所引起的等速误差,通过模拟计算得出了误差曲线.分析发现,修正板初始安装位置水平方向误差在1 mm内,得到的等速误差在2％以内,初始安装位置竖直方向误差只改变刀架初始位置,不影响等速精度.     

衍射光栅刻划机分度误差的实时测量

本文提出了对光栅分度误差进行实时测量的方法，阐述了此方法的原理和实现过程。对测得数据，根据ｓｔｒｏｋｅ理论分析了分度误差对光栅谱线产生的影响，实践证明，用此方法得到的谱的线轮廓与用光谱法测得的谱线基本一致。     

全数字反馈高性能直线伺服电机的机电系统设计

提出一种全数字反馈的新型高性能直线伺服电机的机电系统设计方法 ,包括硬件及控制系统。系统采用光栅位移测量方法和 DSP高速信号处理器实现信号的采集和处理 ,应用了基于非线性状态观测器的控制算法 ,系统的机电动态特性、控制误差和跟踪特性均得到很大的提高。     

未知时变环境下采摘机器人电液伺服控制系统

为保证采摘机器人在未知时变环境下的控制稳定性和机器人末端执行器的位置执行精度,优化采摘机器人电液伺服控制系统。系统基于直流电动机驱动机器人各个关节,构建采摘机器人电液伺服控制系统的数学模型;通过加权自扰动递推最小二乘法辨识采摘机器人接触动力学模型实时控制参数后,结合小脑神经网络和PID算法,分别实现前馈控制和反馈控制,以此优化采摘机器人电液伺服控制系统。结果表明：优化后系统具备较好的控制参数辨识效果,机器人末端执行器在3个方向的误差接近于0;可在2 s内完成控制,超调量在2%以内;控制机器人在静态和动态2种状态下,液压缸活塞的位移结果均低于1.6 cm。     

基于参数优化的连铸结晶器振动位移系统 复合控制研究

本文以伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移控制系统为研究对象,针对系统工艺控制中要求伺服电机转速单方向、变 角速度转动,同时考虑系统控制器参数的选取大多依靠经验等问题,提出了一种基于前馈控制与参数优化的 PID 反馈控制相结 合的复合跟踪控制策略。 首先,根据伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统特性,建立了伺服电机输出转速与振动位移之间 的近似数学模型。 其次,针对伺服电机单方向转动工艺约束条件,确定结晶器振动位移系统以转速补偿作为前馈控制器,保证 系统控制器输出大于零. 再次,针对振动位移系统控制器参数大多依靠经验选取的问题,提出采用一种改进的飞蛾火焰优化算 法优化 PID 控制器参数的策略,以实现结晶器振动位移高精度跟踪控制。 最后,通过仿真与实验验证所提方法的有效性,实验 结果表明:优化后的振动位移调整时间缩短了 0. 3 s,振动位移跟踪相对误差减小了 1. 8% 。     

基于AR模型的转台位置预测方法研究

文中以时栅传感器作为CNC系统的位置检测元件,为了解决时栅数控转台在高精度伺服控制过程中的动态位置反馈误差问题,研究了利用AR模型对转台位置进行预测测量的方法。介绍了预测测量的原理、预测方法及其模型系数的求解方法,并搭建了一套实验装置。经实验表明,基于AR模型的转台位置预测测量方法正确可行,通过修正后预测误差为±2″.     

Control Performance Evaluation of Serial Urology Manipulator by Virtual Prototyping

Prostatic hyperplasia and tumor are common diseases,and the minimally invasive surgery inserting the instruments through the urethra into the prostate is commonly conducted.Taking the robotic manipulator for such surgery into consideration,this paper analyses the workspace of the end effector,and proposes the distribution error of the fixed point and the tracking error of manipulator end effector on the cone bottom surface of the workspace as the basis for control implementation of the manipulator.The D-H coordinate system of the manipulator is established and the trajectory planning of the end effector in the Cartesian space is carried out.The digital model was established,and dynamics simulation was performed in Solidworks and Matlab/Simulink environment to guide the manipulator design.Trajectory mapping and synchronization control between virtual model and the actual manipulator are real-ized based on digital twin technique.The virtual manipulator can reflect the real-time state of the manipulator with data interaction by comparing the dynamics simulation results with the motor current values obtained by experi-ment.Experiment was carried out with PD feedback control and Newton-Euler dynamics based feedforward control to get the trajectory tracking characteristic of each motor,errors of the fixed point and tracking performance of the end effector of the manipulator.The results show that compared with PD feedback control,feed forward control implementation can achieve a reduction of 30.0％in the average error of the fixed point of the manipulator and a reduction of 33.3％in the maximum error.     

三阶线性自抗扰控制器的液压伺服流量控制

针对阀控液压马达系统受非线性复杂扰动导致流量输出不稳定的问题,提出一种基于三阶线性自抗扰控制器(LADRC)的液压伺服流量控制方法。基于高阶LADRC理论,提出将ADRC应用于非线性的液压伺服系统控制,分析并验证了跟踪微分器的跟踪误差前馈增益具有抑制系统超调的作用。采用跟踪误差前馈与扩张状态观测器扰动反馈相分离的办法,提出一种针对复杂非线性三阶被控系统的改进的三阶LADRC算法。最后验证了该算法对一类大范围复杂不确定性液压伺服系统具有较PID更强的扰动抑制能力。     

Research on the control systems of a precision linear motor drive device

The model of a precision linear motor drive device (PLMDD) and its control requirements are analyzed. In order to enhance the tracking and anti-disturbance performance of the system, its third-order model is established, and disturbance-observer based input revising feedforward error compensation robust control algorithm, combined with integral-separated proportional integral derivative (PID) control algorithm is proposed. This includes feedback control algorithm and feedforward control algorithm. The feedback controller improves system tracking performance and suppresses load and mechanical disturbance while the feedforward controller compensates phase hysteresis introduced by feedback control. Theoretical analyses, simulations and experiments show that this control method increases the tracking precision of PLMDD from ±5 μm to ±2 μm and dramatically improves its anti-disturbance ability.