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机刻光栅制造系统结构特性与精度控制研究

作　者: 金一
导　师: 竺长安
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 机刻光栅光栅刻划机光学性能映射机制结构特性果蝇算法多目标优化 HHT 非线性模型辨识 RBF网络精密测量精密定位控制
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前,大型光学系统和科学仪器发展的重要趋势是：视场不断增大,分辨力不断提高,相应地要求光学元器件扩大口径和提高精度。本论文涉及的光栅是一类以机械刻划方式制造的具有宏观尺度的纳米精度周期性特种功能结构,是大型光学系统和科学仪器的核心光学元件,需要纳米级的加工精度和表面粗糙度。其制造技术的主要特点是特种功能结构精细度、超精密的制造系统与数字化制造过程等都达到了相关领域的顶尖水平。但是,基础研究方面的工作尚且存在以下问题：基于光栅光学性能的机械系统精度规划研究欠缺、光栅刻划机系统关键运动部件的动力学特性研究尚显薄弱、长行程纳米精度定位系统控制策略研究不足等。这些问题制约了大面积、高精度光栅的成功制造。基于上述大面积机刻光栅制造技术的研究不足,以提高机刻光栅光学性能为目标,本文拟分四个部分对机刻光栅制造系统的结构特性与精度控制展开探索：(1)机刻光栅光学性能与机械性能的映射机制；(2)衍射光栅刻划机结构特性解析；(3)基于果蝇优化算法的微位移部件多目标优化；(4)机刻光栅精密定位信号测量分析及精度控制。文中分析机刻光栅的加工和工作原理,以及影响光栅质量的关键性能指标。针对光栅误差特点,分析光栅刻划机系统精度规划。在此基础上分析机刻光栅光学性能与机械性能的映射机制,为光栅制造系统的进一步研究提供参考。鉴于光谱质量中的鬼线强度和杂散光这两个性能指标直接受到工作台定位精度的影响,分析光栅运动宏／微驱动副,包括丝杠螺母宏动机构和压电驱动微动机构的动力学特性。在光栅毛坯运动阶段充分考虑工作台在导轨上运动可能产生的爬行现象,就爬行现象出现与否展开分析。考虑到微位移部件驱动工作台是刻槽位置不确定度的决定性因素之一,而刻槽位置的不确定度将直接影响到杂散光性能指标,分析了果蝇优化算法求极值的快速和准确性,建立光栅工作台微位移部件-弹性片的多目标优化模型,将果蝇优化算法嵌入多目标优化中,最终得到微位移部件在约束条件下的最优解。针对波前质量高频部分和杂散光与光栅工作台的精密定位密切相关,以及在整个长刻划行程内必须保持低周期误差以减少杂散光的需求,分析了测量系统的精度水平,基于HHT对机刻光栅定位工作台进行非线性特征识别,将RBF神经网络与PID控制相结合作为智能控制策略,最终实现长行程、重载光栅工作台纳米精度定位运动控制,支持高质量的光栅刻划。本文得到国家重大科研装备研制项目(No.ZBYZ2008-1)的资助。本文的研究属于其研究内容的一部分预研工作。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
插图  12-15
表格  15-16
第1章绪论  16-30
  1.1 引言  16
  1.2 研究背景及意义  16-20
    1.2.1 研究背景及意义  16-20
  1.3 国内外相关研究现状  20-27
    1.3.1 机刻光栅制造系统的研究现状  20-22
    1.3.2 机刻光栅系统结构精度规划及结构优化研究现状  22-23
    1.3.3 非线性系统辨识的国内外研究现状  23-24
    1.3.4 超精密工作台及其控制精度的国内外研究现状  24-27
  1.4 论文的选题及主要研究内容  27-30
    1.4.1 论文的选题  27
    1.4.2 论文拟解决的关键问题  27-28
    1.4.3 论文研究的主要内容  28-30
第2章机刻光栅光学性能与机械性能的映射机制  30-44
  2.1 引言  30
  2.2 机刻光栅的加工及工作原理  30-32
  2.3 机刻光栅的基本光学性能  32-35
  2.4 机刻光栅光学性能与光栅刻划机机械性能映射关系  35-43
    2.4.1 光栅的周期误差和累计误差  36-37
    2.4.3 分度系统的精度分配  37-40
    2.4.4 刻线累积误差的的精度分配  40-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章衍射光栅刻划机结构特性解析  44-64
  3.1 引言  44
  3.2 机刻光栅系统构成原理  44-47
    3.2.1 机刻光栅刻划系统构成原理  45-46
    3.2.2 机刻光栅分度系统构成原理  46-47
  3.3 光栅宏微驱动副特性分析  47-53
    3.3.1 丝杠螺母传动机构特性分析  48-50
    3.3.2 光栅压电驱动结构特性分析  50-53
  3.4 机刻光栅精密工作台爬行现象分析  53-62
    3.4.1 爬行现象理论分析  54-56
    3.4.2 爬行现象仿真分析  56-59
    3.4.3 爬行现象实验分析  59-62
  3.5 本章小结  62-64
第4章基于果蝇优化算法的微位移部件多目标优化  64-78
  4.1 引言  64
  4.2 多目标优化问题  64-66
    4.2.1 多目标优化数学模型  64-65
    4.2.2 多目标优化算法  65-66
  4.3 果蝇优化算法  66-71
    4.3.1 果蝇优化算法概念及步骤  66-67
    4.3.2 果蝇优化算法求最大值能力分析  67-68
    4.3.3 果蝇优化算法求最小值能力分析  68-69
    4.3.4 果蝇优化算法求全局极大值能力分析  69-71
  4.4 精密工作台驱动弹性片结构多目标优化  71-75
  4.5 本章小结  75-78
第5章机刻光栅精密定位信号测量分析及精度控制  78-112
  5.1 引言  78
  5.2 机刻光栅精定位测量系统  78-91
    5.2.1 测量系统的选择  78-84
    5.2.2 测量系统精度分析  84-91
  5.3 基于HHT的机刻光栅精密定位信号特征识别  91-103
    5.3.1 HHT原理  91-94
    5.3.2 基于HHT的精密定位振动信号分析  94-98
    5.3.3 基于HI-IT的精定位系统非线性特征识别  98-103
  5.4 基于RBF神经网络的光栅精密定位PID控制  103-110
    5.4.1 RBF神经网络的结构和算法  104-106
    5.4.2 基于RBF-PID控制的光栅定位性能  106-110
  5.5 本章小结  110-112
第6章总结与展望  112-116
  6.1 主要研究工作  112-113
  6.2 论文研究中的新思路和新方法  113-114
  6.3 后续工作展望  114-116
参考文献  116-126
在读期间发表的学术论文  126-128
致谢  128

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