论文题目：面向量子点编码器的电流体动力关键技术的研究
摘要：直线编码器（又称光栅尺）属于光学编码器的一种类型,码道上的光栅位标是其进行直线位移测量的基础。光学编码器已普遍应用于高端数控机床、精密测量仪器和高精度运动平台等领域,对我国经济发展和科技进步具有重要意义。目前,光学编码器码道上的光栅由不同种光栅制造技术进行制造,常见的光栅制造技术有机械刻划、全息光刻、X射线与电子束光刻、极紫外光刻等。由于上述技术具有成本昂贵、工艺复杂、成品率低、成型速度慢等缺陷,导致其未必能满足未来光栅制造的持续发展要求。随着国外光栅制造技术的快速发展与先进读码技术的进步且其生产的高精度纳米光栅尺已对我国严格禁运,这将对我国微纳测控产业链将造成巨大安全威胁。因此,我国产业有必要对光栅的制造工艺与编码器编解码的方式另辟蹊径,探索新型工艺对光栅尺码道图案制造的可行性。目前,通过增材制造方式中的近场直写制造技术可以实现自定义微纳级别码道图案的精确沉积打印。另外,量子点作为一种新型纳米显示材料,其自身具有的发光特性为码道图案的设计提供了新的思路。据此,本文将两者进行结合,提出一款基于增材制造方式结合量子点进行特殊码道图案打印的新型线性编码器（本文称作量子点编码器）。主要的研究内容如下:（1）完成一款适用于电流体动力加工装置的设计,通过改变Z轴上的模块满足电流体动力近场直写与电流体动力喷印的工艺需求。配备不同的外部信号模块实现工艺的正常进行。同时,通过COMSOL Multiphysics仿真软件与高速运动相机实时监控保障上述装置在实际工艺中的可行性。（2）探索量子点编码器码道图案制造的最佳工艺参数。首先,通过与现有有机物材料进行对比,制备出适用于近场直写的新型量子点打印墨水;接着,对码道图案进行分析与设计;随后,通过单因素打印实验探索出量子点打印墨水的最佳工艺参数;最后,完成码道图案的发光性能与尺寸一致性评估,确定码道能用作位移测量。（3）构建一套适用于量子点编码器的图像采集系统与提出一种基于图像处理的编解码位移方法。图像采集系统有利于避免传统光栅尺光源对光栅基体带来的热形变误差。同时,提出两种关于码道图案轮廓高精度拟合的关键方法,分别用于位移值测量精度的比较,最终测试出量子点编码器的最佳测量精度。（4）设计并开发一款适用于量子点编码器位移测量的人机交互界面,从界面上可直观导出实时运动位移值。随后,在图像采集系统上进行精度测量实验与实验数据分析得到量子点编码器的最佳测量精度,证明量子点编码器的设计与应用具有一定的可行性。最后通过总结经验,提出有利于提高量子点编码器精度的方法并对其未来发展进行展望。
关键词：编码器;量子点;近场直写;测量
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 量子点概述
1.2.2 近场直写概述
1.2.3 光学编码器概述
1.3 课题来源和研究内容
1.3.1 课题来源
1.3.2 研究内容
1.3.3 研究目标
1.4 本章小结
第二章 面向量子点的电流体动力加工装置设计与实现
2.1 电流体动力加工装置总体概述
2.2 Z轴关键模组的设计与构建
2.2.1 近场直写Z轴关键模组的设计
2.2.2 电点喷Z轴关键模组的设计
2.3 电流体动力加工装置的仿真分析
2.3.1 仿真模型的建立与预处理
2.3.2 近场直写射流仿真与分析
2.3.3 电点喷射流仿真与分析
2.4 本章小结
第三章 量子点编码器码道图案的制造工艺研究
3.1 面向码道图案制造的量子点墨水制备
3.1.1 有机物材料分析
3.1.2 新型量子点墨水制备
3.2 码道图案的设计与分析
3.3 码道图案制造的近场直写工艺探究
3.3.1 电场电压对码道图案的影响
3.3.2 针头高度对码道图案的影响
3.3.3 搜集平台速度对码道图案的影响
3.3.4 挤出气压对码道图案的影响
3.4 码道图案的发光性能与尺寸测量
3.5 本章小结
第四章 量子点编码器位移测量方法的构建与实现
4.1 图像采集系统的设计与实现
4.1.1 荧光CCD的选型
4.1.2 光源系统的创新
4.1.3 运动平台的选型
4.1.4 图像采集系统的整体构建
4.2 码道图像预处理方法的建立
4.2.1 码道图像的灰度处理
4.2.2 码道图像的滤波处理
4.2.3 码道图像的边缘提取
4.3 码道图案关键拟合方法
4.3.1 基于MATLAB的线性拟合方法
4.3.2 基于EMD的非线性拟合方法
4.4 运动位移状态分析
4.4.1 运动位移的定位分析
4.4.2 运动位移方向的判断
4.5 本章小结
第五章 量子点编码器测量精度检测实验与分析
5.1 测量显示界面的设计与实现
5.2 精度检测实验的设计
5.3 实验结果分析
5.3.1 基于MATLAB的线性拟合方法实验结果分析
5.3.2 基于EMD的非线性拟合方法实验结果分析
5.4 精度影响因素分析与优化方向
5.4.1 拟合方法的精度
5.4.2 码道图案的尺寸
5.4.3 荧光CCD的参数
5.5 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢