基于滑模控制的双光子聚合加工控制系统研究

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1、分类号：TH-39单位代码：10190研究生学号：201501018密级：公开硕士学位论文司苏美2018年6月基于滑模控制的双光子聚合加工控制系统研究ResearchonTwo-photonPolymerizationProcessingControlSystemBasedonSlidingModeControl硕士研究生：司苏美导师：于保军副教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：长春工业大学II摘要摘要飞秒激光加工具有精度高、无污染、热影响区域小等诸多优点，而飞秒激光双光子聚合微纳加工技术制造出的三维微纳结构，可达到微纳米级分辨率。

2、它不仅在先进制造、超精密加工等研究领域占据着重要地位，同时在微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域均已展露出重要的应用前景。但是，当前国内飞秒激光双光子聚合加工系统所加工的工件其加工效果及三维结构的加工能力都不是很完善，存在着很大的限制。同时国内的大多数加工系统都还在进行实验研究，为解决上述不足及缺陷，实验室搭建了一套飞秒激光双光子聚合加工系统。通过不断的实验研究、不断的完善改进与优化，在达到提高飞秒激光双光子聚合加工系统加工精度、加工效率的同时，保证其加工质量，与此同时也使该加工系统具备加工复杂三维微结构的能力，使其具有良好的加工效果，加工图片更加清晰完善。论文主要研究内容如下：（1）

3、介绍了所搭建飞秒激光双光子聚合加工系统的整体结构布局，简单介绍了该加工系统的光路系统（激光发射器、功率衰减器，扩束镜、快门、反射镜、4F系统、双向色镜和光学透镜）、由CCD高速摄像机和光学显微镜组成的实时监测系统；最后介绍了定位系统的检测反馈装置、由空气轴承直线电机驱动的三维宏动平台和以压电陶瓷驱动的三维微动平台组成的宏-微定位系统及二维X-Y振镜系统、激光快门。（2）首先,对由空气轴承直线电机驱动的宏动定位平台和由压电陶瓷驱动的微动定位平台进行动力学建模。通过分析，应用基于Kalman滤波器的滑模控制来抑制系统振动以及各种噪声干扰，提高控制系统定位精度。同时进行MATLAB仿真，结果表明基

4、于Kalman滤波器的滑模控制方案不仅可以抑制宏动平台输出相应的振动，很好的解决噪声干扰问题，同时还可以提高该系统的位移控制精度，说明了该控制方案的可行性；针对双光子聚合加工系统中压电陶瓷因迟滞非线性等使得微动平台定位精度较低以及会产生抖动等问题进行分析，采用一种具有不确定性和干扰估计的RBF网络自适应鲁棒滑模控制方案。同时采用Matlab的Simulink模块对所辨识的模型进行仿真，仿真结果证实了所提出控制方案的优越性，验证了模型的有效性。（3）实验室采用基于Aerotech的A3200控制系统作为控制器，在该系统的Labview模块中进行二次开发，通过图形化编程可实现实验系统中重要运动部

5、分各轴之间的协同联动控制。（4）通过一系列三维结构的加工实验来进行实验验证，不仅验证了飞秒激光双光子聚合加工系统具有良好的加工质量和加工效果，同时也验证了该加工系统具备加工复杂三维立体微结构的能力，且其具有良好的加工效果，图片更加清晰完善。I摘要关键词：双光子聚合；加工系统；RBF神经网络自适应滑模控制；联动控制；LabviewIIAbstractAbstractFemtosecondlaserprocessinghasmanyadvantages,suchashighaccuracy,nopollution,andsmallheataffectedarea,whilethethree-di

6、mensionalmicro-nanostructuresproducedbyfemtosecondlasertwo-photonpolymerizationprocessingtechnologycanachievemicro-nanometerresolution.Itnotonlyoccupiesanimportantpositioninadvancedmanufacturing,ultra-precisionmachiningandotherresearchfields,butalsohasshownimportantapplicationprospectsinmicroelectr

7、onics,micro-optics,micro-electromechanicalsystemsandbiomedicalfields.However,currentlyNotonlyathomebutalsoabroad,theprocessingefficiencyoftheworkpiecesprocessedbythefemtosecondlasertwo-photonpolymerizationp