【文章內(nèi)容簡介】 總體目標(biāo)和五年預(yù)期目標(biāo)應(yīng)從對解決國家重大需求的預(yù)期貢獻(xiàn)，在理論、方法等方面預(yù)期取得的進(jìn)展、突破及其科學(xué)價值，優(yōu)秀人才培養(yǎng)等方面分別論述。五年預(yù)期目標(biāo)要求有具體的考核指標(biāo)和人才培養(yǎng)計(jì)劃。 五、 總體研究方案 結(jié)合主要研究羅蘭型示意圖 2）斯特朗型：工作臺往復(fù)運(yùn)動，光柵刻刀在垂直于工作臺運(yùn)動方向上做單 方向進(jìn)給運(yùn)動，通過兩個方向的運(yùn)動合成，實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。這種運(yùn)動方式能自動消除扇形誤差，但較重的工作臺快速往返運(yùn)動，較輕的刀橋緩慢移動，運(yùn)動不平穩(wěn)。具體示意圖見圖 。 圖 斯特朗型示意圖 3）斯托洛克型：工作臺不動，由刀橋進(jìn)行單方向進(jìn)給和刻刀往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刻劃，具體見圖 。這種刻劃機(jī)的設(shè)計(jì)及制造很復(fù)雜。 圖 斯托洛克型示意圖 4）反斯托洛克型：即刀橋靜止，工作臺進(jìn)行單方向進(jìn)給和在刻劃方向往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。這種方式由于缺點(diǎn)較多，很少采用。 光柵刻刀 靜 止 刻劃 圖 反斯托洛克型運(yùn)動示意圖 國際上比較著名的光柵刻劃機(jī)的工作方式都采用羅蘭方式，這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行精度易于保證，結(jié)構(gòu)相對簡單。 表 國內(nèi)外典型光柵機(jī)的對比 該方式又可細(xì)分為間歇式刻劃、連續(xù)式刻劃和連續(xù)運(yùn)動間歇刻劃。其中間歇式刻劃機(jī)是 較早期的機(jī)器形式，最早刻劃機(jī)工作臺的分度精度完全依靠機(jī)械系統(tǒng)的加工精度和裝調(diào)精度來保證，屬于純機(jī)械式刻劃機(jī)。這種機(jī)器的運(yùn)行精度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代光譜儀器對光柵制作的技術(shù)要求。后來又出現(xiàn)了采用簡易光電開環(huán)控制的間歇式光柵刻劃機(jī)，運(yùn)行精度有所提高。在上世紀(jì) 70 年代，連續(xù)式光柵刻劃機(jī)逐步成為光柵機(jī)的主流產(chǎn)品，并通過這些刻劃機(jī)制做出許多高質(zhì)量的平面光柵和凹面光柵。以上刻劃機(jī)的工作臺都是單層臺結(jié)構(gòu)。對于中小型光柵刻劃機(jī)，這種形式的工作臺是可以勝任的。但對于大型光柵刻劃機(jī)，由大質(zhì)量工作臺帶來的微觀非線性誤差成為制約工作臺 定位精度的主要因素，不利于精度的進(jìn)一步提高。另外工作臺的大行程所帶來的測量誤差也對定位精度產(chǎn)生一定的不利影響。到上世紀(jì) 90年代日本 HITACHI公司開發(fā)出的使用雙層工作臺進(jìn)行精密定位，刻劃方式為連續(xù)運(yùn)動、間歇刻劃的光柵刻劃機(jī)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行精度為 5nm、 刻線密度 10000線 /mm光柵的制作精度要求，從定位精度上講，這臺刻劃機(jī)代表了當(dāng)今世界的頂級水平。 二、 光柵刻劃機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件 光柵機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)三維立體示意圖 本項(xiàng)目中光柵刻劃機(jī)的總體運(yùn)行方式采用羅蘭方式，即工作臺承載待刻 光柵做單方向分度運(yùn)動，光柵刻刀做往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動方向與分度方向垂直。每運(yùn)行一個周期刻劃一條柵線。基于這種工作方式，刻劃機(jī)主要工作單元按典型的 T 型結(jié)構(gòu)配置于基座上工作臺表面。該布置方式可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動精度。此外檢測 Z、 X向運(yùn)動位置的雙頻激光測量系統(tǒng)可以裝在固定不動的床身上，僅將測量位置用的反射鏡裝在 Z、 X方向的移動部件上。這樣不僅使測量系統(tǒng)安裝簡單很多，而且可以大大提高測量精度。刻劃機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)組成。刻劃機(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖所示。分度系統(tǒng)主 要包括直線電機(jī)、氣浮導(dǎo)軌副、工作臺、壓電驅(qū)動柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)。工作臺由直線電機(jī)拉動在 Y 方向沿導(dǎo)軌做單向運(yùn)動?？虅澫到y(tǒng)主要包括刀架摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌副、刻刀微位移機(jī)構(gòu)。由刀架摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動刀架在 x方向沿刀架氣浮導(dǎo)軌做往復(fù)等速運(yùn)動，刻刀微位移機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)光柵刻刀的抬落和刀刃的切換。 設(shè)計(jì)、制造這臺高精度衍射光柵刻劃機(jī)，在技術(shù)上遵循的基本原則是：從原理出發(fā)，充分考慮 “阿貝原則 ”、 “運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)原理 ”、 “彈性平衡原則 ”及 “熱平衡原則 ”等各種有利于提高精度的機(jī)械設(shè)計(jì)原理，參考現(xiàn)有光柵刻劃機(jī)的制造基礎(chǔ)及關(guān)鍵 部件，如精密工作臺的現(xiàn)代發(fā)展成果，融入原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)建造一臺國際領(lǐng)先水平的衍射光柵刻劃機(jī)。 分度系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)工作臺的超精密定位。工作臺的定位精度直接影響光柵光譜質(zhì)量、雜散光和鬼線強(qiáng)度，是光柵刻劃機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。 目前大行程超精密工作臺設(shè)計(jì)的方案主要有兩種設(shè)計(jì)思路： 1)單級進(jìn)給方 式，采用直線電機(jī)非接觸進(jìn)給或利用靜摩擦驅(qū)動進(jìn)給等； 2)兩級進(jìn)給方式，即將定位分為兩個過程：粗定位和精定位，或宏定位和微定位，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。實(shí)際上，微定位的過程就是誤差 補(bǔ)償或精度補(bǔ)償?shù)倪^程。 兩級進(jìn)給的方案與單級進(jìn)給相比，優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)合目前成熟的大行程工作臺技術(shù)與壓電陶瓷驅(qū)動器的優(yōu)點(diǎn)，降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險，但是不可避免地使工作臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了控制系統(tǒng)的控制難度。 本項(xiàng)目采用一級工作臺兩級進(jìn)給的工作方式。優(yōu)點(diǎn)是單級工作臺結(jié)構(gòu)簡單，理論建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便；兩級進(jìn)給驅(qū)動可以充分利用壓電陶瓷的高精度定位功能。分度系統(tǒng)由直線電機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)、工作臺氣浮導(dǎo)軌和壓電陶瓷微位移精定位機(jī)構(gòu)組成，刻劃機(jī)的基本分度動作即工作臺的粗定位，由直線電機(jī)完成。 （ 1） 直線電機(jī)粗定位機(jī) 構(gòu)： 傳統(tǒng)的光柵刻劃機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿副和絲杠螺母副組成。 傳統(tǒng)刻劃機(jī)粗定位機(jī)構(gòu) 蝸輪蝸桿副位移分度系統(tǒng)傳動鏈的前端，因?yàn)橹芷谡`差會影響光柵刻線的周期誤差，所以減小周期誤差是蝸輪蝸桿副的關(guān)鍵。機(jī)構(gòu)定位精度對蝸輪蝸桿的機(jī)械加工精度有所依賴。而絲杠螺母副是傳統(tǒng)大刻劃機(jī)的 “心臟 ”，是直接產(chǎn)生周期誤差的最為關(guān)鍵的部件。該種傳動的特點(diǎn)是具有較長的運(yùn)動范圍，可以滿足大行程的需求；降速比大，在轉(zhuǎn)角很大的情況下，可得到很小的直線位移量；可獲得較高的定位精度，空回誤差可以消除或控制得很?。?具有增力作用，主動件上轉(zhuǎn)矩很小時，從動件能產(chǎn)生很大的軸向力。缺點(diǎn)是絲杠的安裝誤差、絲桿本身的彎曲、滾珠的跳動及制造上的誤差、螺母的預(yù)緊程度等都會給導(dǎo)軌運(yùn)動精度帶來影響，位移分辨率較低，其運(yùn)動剛度決定于設(shè)計(jì)參數(shù)。該類裝置的自動控制進(jìn)給過程比較復(fù)雜，響應(yīng)速度低，難以用于特別精密的微進(jìn)給驅(qū)動。 與傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動相比，直線電機(jī)驅(qū)動具有以下優(yōu)點(diǎn)：省略了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)械磨損，系統(tǒng)運(yùn)行時可以保持高增益，實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，從而保證了機(jī)床的高精度和使用壽命。運(yùn)行時，直線電 機(jī)不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅(qū)動的慣性主要存在于滑臺，因此加工時可以有很高的加速度。直線電機(jī)靠電磁推力驅(qū)動，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工況環(huán)境。 直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。如圖所示： 直線電機(jī)示意圖 該結(jié)構(gòu)電機(jī)特點(diǎn)為： (1)直線電機(jī)位移裝置由三部分組成：力與運(yùn)動發(fā)生裝置、刀架及運(yùn)動導(dǎo)軌副、力與運(yùn)動控制系統(tǒng)。 (2)用直線型電磁裝置來產(chǎn)生所需的驅(qū)動力和直線運(yùn)動。 (3) x、 z方向的驅(qū)動力通過徑向支承結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌副來承受。 (4)驅(qū)動力與位移精度均由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 由于直線電機(jī)驅(qū)動的高速超精密氣浮平臺，其直線進(jìn)給單元加速度變化的不連續(xù)性以及缺少中間彈性阻尼環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，限制了直線進(jìn)給精度，難以滿足超精密的要求；并且直線氣浮系統(tǒng)傳動阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅(qū)動功率的增大而變得更差。因?yàn)楦蓴_力和負(fù)載變化直接影響其動態(tài)性能，最終極大地影響了高定位穩(wěn)定性和動態(tài)精度的實(shí)現(xiàn)。所以需要對直線電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行研究，對其進(jìn)行進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元法對其進(jìn)行電磁 —流 —固耦合分析，驗(yàn)證電機(jī)推力，分析直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性。 （ 2） 工作臺： 刻劃機(jī)的工作臺為單層臺結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)使其滿足大剛度和輕質(zhì)量基本要 求，還使導(dǎo)軌的移動副和光柵毛胚刻劃面處于同一平面上，即符合阿貝原則。 （ 3） 工作臺氣浮導(dǎo)軌： 工作臺導(dǎo)軌起承載和導(dǎo)向作用，是大光柵刻劃機(jī)最重要的組成元件之一，其直線性精度直接決定了光柵的刻劃精度，有嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的光柵刻劃機(jī)多采用滑動導(dǎo)軌或滾柱式導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌具有機(jī)構(gòu)簡單、緊湊、剛度高，停止時的穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性高及價格低等優(yōu)點(diǎn)，作為超精密加工用的元部件可以充 分利用其優(yōu)點(diǎn)。但是滑動導(dǎo)軌也有缺點(diǎn)，即動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的差值較大，有爬行，定位精度有限，低速時運(yùn)動的平滑度比其他導(dǎo)軌差。滾柱導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，也便于后續(xù)的精研磨處理；缺點(diǎn)是雖然摩擦系數(shù)較小，但還是在一定程度上存在動、靜摩擦系數(shù)的差異，在極低速運(yùn)行的情況下（工作臺的運(yùn)動速度范圍為 ~）還會有一些不確定的非線性位移狀態(tài)的存在。另外由于滾動體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，其抗振性與滑動導(dǎo)軌相比較差。 而氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌副的摩擦 力幾乎為零，系統(tǒng)的隨動性能極好，可以從根本上解決 “爬行 ”問題，氣體支承可在最清潔的狀態(tài)下工作，具有冷態(tài)工作的特點(diǎn)，運(yùn)動精度高，壽命長，可以在很寬的溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作，能夠保持很小的間隙。但缺點(diǎn)是剛度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便，而且由于有外來氣體向恒溫室內(nèi)的泄漏，會對恒溫精度和激光干涉儀的測量精度產(chǎn)生不利影響。解決的措施是采取一些主、被動措施來降低該影響的程度，如將外泄的氣體回收并導(dǎo)出恒溫室，并將激光干涉儀的光路利用伸縮筒封閉起來等。 從精度的角度考慮，并參考國際上現(xiàn)有的超精密定位平臺，本 項(xiàng)目擬采用氣浮導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的示意圖如下圖所示。 氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖 針對氣浮導(dǎo)軌的缺點(diǎn)，對導(dǎo)軌承載能力、剛度特性進(jìn)行分析 （ 4） 壓電陶瓷微位移精定位機(jī)構(gòu)： 壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷具有出力大，響應(yīng)速度快，無發(fā)熱，位移分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，是微位移機(jī)構(gòu)的理想驅(qū)動元件。此外，壓電陶瓷驅(qū)動的柔性并行機(jī)構(gòu)不僅具有更高的精度、剛度，還包括無間隙、幾乎無摩擦、無潤滑、無熱量產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)刻劃精度要求，分度精度應(yīng)該優(yōu)于10nm，首先需要確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動器的分 辨力要高于這個分度精度。擬選用 PI公司的 壓電驅(qū)動器元件，它的分辨力是 ，在 10KHz信號頻率時最大響應(yīng)幅度約為 ，可以滿足使用需求。 刻劃系統(tǒng)由刀架摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌、刻刀微位移機(jī)構(gòu)組成，該系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)金剛石刀具的等速往復(fù)運(yùn)動并完成光柵的刻劃。其中刀架氣浮導(dǎo)軌同時對刀架承重和導(dǎo)向?？痰段⑽灰茩C(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)金剛石刀具的抬落和刀刃的切換。工作時伺服電機(jī)帶動驅(qū)動輪，由摩擦力推動刀架機(jī)構(gòu)等速往復(fù)運(yùn)動；由壓電驅(qū)動器控制金剛石刀具的抬落，并在待刻光柵上刻一 條刻槽。 （ 1） 刀架摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)： 傳統(tǒng)的刻劃系統(tǒng)是通過偏心連桿機(jī)構(gòu)作往復(fù)直線運(yùn)動，連桿帶動中間滑塊，中間滑塊牽引刻橋運(yùn)動。高精度的刻劃常設(shè)計(jì)刀架等速機(jī)構(gòu)，其作用是使刻刀在刻劃過程中保持勻速運(yùn)動，以確保光柵刻線的刻劃質(zhì)量。在單一刻線的刻劃過程中，如果刻刀通過刻線上各點(diǎn)的速度不同