【摘要】：衍射光柵作為光柵光譜儀等科學(xué)儀器的核心器件,其制作技術(shù)一直被國(guó)外封鎖。但其在天文、航天等重要領(lǐng)域卻有著不可或缺的重要作用。因此,打破外國(guó)壟斷,制作能生產(chǎn)衍射光柵的大國(guó)重器的重要性不言而喻。制作衍射光柵主要有機(jī)械刻劃法和離子束刻蝕法。其中離子束刻蝕法因其簡(jiǎn)單而且產(chǎn)出的光柵新能卓越被廣泛使用。離子束刻蝕機(jī)需要刻蝕平面光柵和曲面光柵。這就要求刻蝕機(jī)工作平臺(tái)可以產(chǎn)生直線和圓弧兩種刻蝕軌跡。而刻蝕機(jī)工作平臺(tái)無(wú)法進(jìn)行平滑的曲線運(yùn)動(dòng),因此需要一套合適的軌跡擬合算法來(lái)產(chǎn)生盡量接近于圓弧的刻蝕軌跡。有了圓弧軌跡擬合算法之后,則需要一套高精度的傳動(dòng)裝置,來(lái)帶動(dòng)工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)衍射光柵的刻蝕制作,高精度的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)特征則很適合這類場(chǎng)景。本文首先針對(duì)刻蝕軌跡擬合算法進(jìn)行設(shè)計(jì),分析了軌跡擬合算法的基本原理,建立了工作平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)公式給出了定義的離子源初始位置和入射角度,最后建立了直線和圓弧軌跡的軌跡擬合算法,完成了軌跡擬合算法的設(shè)計(jì)。之后介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中兩項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)傳統(tǒng)PID和模糊PID原理設(shè)計(jì)了模糊控制器,對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。最后本文設(shè)計(jì)了將軌跡擬合算法和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合的電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有四個(gè)主模塊,分別為供電模塊、真空獲得模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和通訊模塊。在電控系統(tǒng)搭建完成后分別對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制算法進(jìn)行了實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證了控制算法的優(yōu)越性。之后分別進(jìn)行了平面,凹面,凸面光柵的實(shí)際刻劃實(shí)驗(yàn),通過(guò)光柵尺和編碼器采集了實(shí)際的刻劃軌跡數(shù)據(jù),并用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了實(shí)際軌跡與預(yù)設(shè)軌跡的對(duì)比,還有誤差分析。
【圖文】：

圖 2.11 曲線運(yùn)動(dòng)軌跡擬合以O(shè)1為圓心的藍(lán)色圓弧曲線的Y軸正方向部分作為預(yù)想得到的擬合曲線運(yùn)O5 為 軸旋轉(zhuǎn)中心。圖中將藍(lán)色圓弧 O1Y 軸正方向部分平均分為六分，得接與 O1 的正十二邊形，A11、A12、A13、A14、A15分別為等分點(diǎn)首先確定此運(yùn)動(dòng)的初始條件：以 O1 為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系；圓弧擬合采取順時(shí)針中線段 O1A10=300，圓 O5 半徑（ 軸旋轉(zhuǎn)半徑）r2=120，線段 O1O5 長(zhǎng)度=100。下面以割線 A16A15、A15A14說(shuō)明運(yùn)動(dòng)軌跡擬合的過(guò)程，其主要分為以驟：1）使點(diǎn) A16沿圓 O1 的割線 A16A15運(yùn)動(dòng)，使 A16與 A15重合。工作臺(tái)通過(guò) X動(dòng)量即圓 O1 圓心的變化量為點(diǎn) A16與 A15坐標(biāo)點(diǎn)的差值：15 161A A x x x（2-4415 161A A y y y（2-4516與 A15坐標(biāo)點(diǎn)分別為：

(sin)(cos)12 eLmrmrBTKiNKiNdtdT J （3-3） dtd（3-4）上式中，eT 為兩相式混合步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B 為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角摩擦系數(shù)。綜上，，結(jié)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，步進(jìn)電機(jī)的特征數(shù)學(xué)模型卻別于普通直流電機(jī)，是非線性的特征方程。如下圖建立 Simulink 兩相式混合步進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)仿真模型。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN305.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2637084