【正文】 其次可以通過改變繞動力的作用反向來實現(xiàn)消振。消除或者減弱振源是最徹底和最有效的方法。溫度控制需要高精密空調(diào)與溫度傳感器配合控制系統(tǒng)，其中高精密空調(diào)艾默生、菲尼克斯等品牌都有該產(chǎn)品?！婧?77。1. 溫度控制進行光柵刻劃對恒溫精度要求高，要求恒溫區(qū)氣流速度均勻和潔凈，因而采用頂棚孔板送風，下側(cè)回風方式。允許電壓變化2666Pa時，可以忽略不計。必須穿工作服換鞋入內(nèi), 不準在室內(nèi)吸煙、吃食物, 并設(shè)有抽風設(shè)備?！娣秶鷥?nèi)。（2）實驗室環(huán)境控制標準1. 溫度標準溫度控制國家標準只規(guī)定了溫度的極限值，具體的控制范圍是根據(jù)各個儀器工作環(huán)境的需要制定的。對于大氣壓的變化，也可以在刻劃過程中使用儀器實時檢測大氣壓的變化，并換算成對運轉(zhuǎn)的影響，然后利用計算機進行波長修正，從而消除因大氣壓變化所引起的刻劃誤差。4. 空氣潔凈度影響空氣中的灰塵不斷地附著在儀器上，給精密儀器的運轉(zhuǎn)帶來誤差。造成這種現(xiàn)象的原因就是外界振動，外界振動的大小嚴重影響了光刻機的刻劃精度。傳動齒輪在運動過程中有較嚴重的沖擊，因而會產(chǎn)生振動，并且這種沖擊振動發(fā)生在工作的全過程，會造成明顯的誤差。外界環(huán)境振動主要通過建筑物支承結(jié)構(gòu)或空氣傳遞給實驗室里的振敏精密儀器。因此，理論上定量的分析是很困難的，需要對溫度進行精確控制。1. 溫度影響溫度是實驗室環(huán)境的一個重要方面，由于溫度的變化，各種不同材料組成的部件因為膨脹系數(shù)的不同會發(fā)生扭曲、變形，與原本的基準產(chǎn)生偏差。（1）環(huán)境對精密儀器的影響在超精密測量和控制中，精密儀器的測量和控制精度不僅與儀器本身的精度有關(guān)，周圍環(huán)境的振動、溫度、空氣潔凈度等諸多因素也是決定測量和控制精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖13. 超精密定位平臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中，宏動驅(qū)動器采用Nikkidenso納米直線電機，其參數(shù)如下： 高速度： m/s； 調(diào)速范圍寬：超低速（10 um / sec）到超高速（3 .5m / sec）寬調(diào)速范圍，特別在低速時速度脈動極??； 高精度：安裝在直線電機上的光柵尺分辨率根據(jù)需要選用可達超高定位精度從整個系統(tǒng)的實時性和控制界面的友好性考慮，計算機完成邏輯決策和狀態(tài)檢測功能，而將復(fù)雜的數(shù)值運算交給DSP主控板上運算速度更快的DSP芯完成。它集中了前饋模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊智能補償模塊，需要設(shè)置的工作參數(shù)包括：前饋系統(tǒng)的參數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，模糊控制參數(shù)。圖13. 光柵全行程刻劃過程中定位誤差變化圖圖11. 超精密定位工作臺振動(紅)與單神經(jīng)元的PID智能控制算法跟蹤(藍)從上述兩種控制方案的實驗結(jié)果看，無論是傳統(tǒng)的定常參數(shù)PID控制，還是基于單神經(jīng)元的智能PID控制，都不能實現(xiàn)穩(wěn)定的納米級超精密定位。圖10. 基于單神經(jīng)元的PID智能控制精度測試 然而，采用該控制算法實現(xiàn)超精密定位控制測試實驗表明，在光柵全行程刻劃過程，誤差有明顯波動（5~30nm），如圖13所示。單神經(jīng)元智能算法有三種不同的學(xué)習規(guī)則：1）無監(jiān)督的Hebb學(xué)習規(guī)則；2）有監(jiān)督的Delta學(xué)習規(guī)則；3）有監(jiān)督的Hebb學(xué)習規(guī)則；4）改進型學(xué)習規(guī)則。為了解決傳統(tǒng)PID定常參數(shù)整定過程中可能出現(xiàn)的誤差問題，我們進一步設(shè)計了基于單神經(jīng)元的智能PID控制算法。本課題中的超精密定位平臺，其機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性、遲滯性和時變性嚴重，要求納米級的定位精度。因此，本課題針對超精密定位工作臺的非線性、遲滯性和剛?cè)狁詈闲?，擬建立一個新型的整合宏微觀效應(yīng)的剛?cè)狁詈稀⑻搶嵒旌舷到y(tǒng)動力學(xué)模型，其拓撲結(jié)構(gòu)見下圖。為了更準確的分析超精密定位平臺的理論模型，在按照上面的思路建立三方面理論模型之外，我們還借助實驗手段和計算機虛擬樣機技術(shù)，分別采用實驗建模法和虛擬樣機輔助分析法。根據(jù)該框圖建立動力學(xué)方程，然后建立狀態(tài)方程進行數(shù)值仿真，和實際的實驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證該模型的正確性。摩擦的特性受到摩擦副的材料性質(zhì)、法向載荷大小、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質(zhì)等多方面因素的影響。(3) 微觀摩擦模型在納米級精度的定位系統(tǒng)中，摩擦起著不可忽視的影響。在本課題中，壓電陶瓷的精確模型對整個工作臺的建模分析和定位控制、誤差補償?shù)榷计鹬浅Ｖ匾淖饔?。Maxwell模型是靜態(tài)模型，無法分析在變化的環(huán)境作用下，壓電陶瓷驅(qū)動器遲滯非線性的變化。由于其機理非常復(fù)雜，是壓電材料在電場和微位移之間固有的非線性現(xiàn)象，電壓強度越強，遲滯現(xiàn)象越嚴重，它可能導(dǎo)致壓電系統(tǒng)魯棒性差，穩(wěn)態(tài)誤差變大等難以預(yù)測的影響。而對小行程柔性鉸鏈變形，假設(shè)材料是彈性的，采用有限元法對柔性鉸鏈進行細分，分析其載荷位移曲線和運動特性。宏動階段由直線電機驅(qū)動外層臺，剛度很大，幾乎不存在彈性變形，屬于典型的剛體運動。同時，該系統(tǒng)采用壓電陶瓷作為驅(qū)動機構(gòu)，而壓電陶瓷有明顯的非線性遲滯現(xiàn)象，所以該系統(tǒng)也具有非線性遲滯特性。然而，為超精密定位工作臺選擇和設(shè)計控制方案，不僅要充分掌握經(jīng)典和現(xiàn)代的一些控制理論，更重要的是對機械系統(tǒng)的動態(tài)特性進行深入了解，以判斷影響控制方案的機械特性。其中，發(fā)展最早也最為經(jīng)典的是PID控制，這種控制算法以其簡單性和廣泛的適用性著稱。二、 擬解決的關(guān)鍵問題和主要研究內(nèi)容 擬解決的關(guān)鍵問題(1) 綜合運用宏觀和微觀力學(xué)的分析方法，針對超精密定位工作臺的剛性、柔性和非線性特性展開分析，并綜合利用解析與仿真的虛實混合的仿真建模分析方法，建立一個新型的考慮微觀效應(yīng)的納米級超精密定位工作臺的建模和仿真方法；(2) 對工作臺進行深入的機構(gòu)分析和運動分析，并分析機械系統(tǒng)中各項參數(shù)對工作臺定位精度的影響，以進一步輔助調(diào)整和設(shè)計機械結(jié)構(gòu)；(3) 以工作臺固有特性、動態(tài)特性和驅(qū)動方式為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新的有效的控制算法，實現(xiàn)工作臺快速、穩(wěn)定、大行程的納米級精密定位； 總體研究方案超精密定位工作臺要求行程大（300mm），定位精度高（nm），為此我們采用了內(nèi)外雙層臺定位機構(gòu)。超精密定位工作臺的定位精度受到多個環(huán)節(jié)的影響—機械設(shè)計與加工精度、裝配精度、驅(qū)動方式和控制方案。刀架導(dǎo)軌模型示意圖復(fù)合刀架位于導(dǎo)軌不同位置處變形圖當復(fù)合刀架位于導(dǎo)軌的不同位置時，導(dǎo)軌的形變也不同，同過CAE分析可以較直觀的認識到導(dǎo)軌的變化趨勢，從而針對變化對導(dǎo)軌采取相應(yīng)修改，以減少因形變對精度產(chǎn)生的影響。利用上面所得的（14）式，兩次進行積分，可得出：支座上的撓度為0，則當x=0時，w=0。則上式可看做是橫力彎曲變形的基本方程。它應(yīng)等于撓曲線的傾角，即等于x軸與撓曲線切線夾角。撓曲線上橫坐標為x的任意點的縱坐標，用ω表示，它代表坐標為x的橫坐標的形心沿y方向的位移，稱為撓度。機械結(jié)構(gòu)CAE優(yōu)化流程圖 以下面的刀架導(dǎo)軌靜力學(xué)分析為例：刀架導(dǎo)軌采用的是閉式氣體靜壓導(dǎo)軌，采用球面與V型支座組合形成的鉸接支撐結(jié)構(gòu)，可極大地降低裝配工藝難度，減少由于裝配過程引起的導(dǎo)軌扭曲變形。五、 計算機輔助制造（CAE）起始于上個世紀50年代中期的計算機輔助工程（CAE，Computer Aided Engineering），在計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展及緊密結(jié)合的情況下得到了快速的發(fā)展，為整個工業(yè)的發(fā)展起了巨大的推動作用。在設(shè)計時只要適當增大壓緊力，則打滑是完全可避免的。柔性鉸鏈的基本性能包括剛度、精度、應(yīng)力特性等多方面，不同性能直接關(guān)系到微進給系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。首先，這種振動沿運動方向的分量直接影響定位精度；其次，這種振動的頻率如果落在控制帶寬之內(nèi)，由于屬于一種閉環(huán)之外的擾動，控制系統(tǒng)對它的抑制作用很小，且系統(tǒng)一旦加上使能，這種振動將會被放大，從而大大降低系統(tǒng)的控制精度。由于系統(tǒng)所采用的氣浮導(dǎo)軌，會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振幅為納米級的微幅振動，進而影響系統(tǒng)精度。對于工作臺，我們首先關(guān)心在承載光柵毛坯情況下毛坯刻劃面面型的變形是否滿足使用要求；其次關(guān)心工作臺懸臂處受力情況以及驅(qū)動方向的剛度能否滿足使用要求。因此可以在機械結(jié)構(gòu)不變的條件下，采取以間歇刻劃為主同時兼顧連續(xù)刻劃的控制方式更為穩(wěn)妥可靠。而連續(xù)刻劃的缺點在于，作為時序基準的光電編碼器的輸出存在誤差，會導(dǎo)致光柵刻線出現(xiàn)彎曲。驅(qū)動分度系統(tǒng)的直線電機的速度是根據(jù)待刻光柵的具體參數(shù)事先設(shè)定的，并由它本身的控制系統(tǒng)加以控制，可以達到較高的直線精度，但由工作臺導(dǎo)軌帶來的誤差，必然會引起工作臺的運行誤差，該誤差需經(jīng)做進一步的補償。下圖為工作臺連續(xù)式運動時刻劃過程的原理框圖。工作臺上放置待刻光柵，并安裝測長干涉儀和測角干涉儀的測量鏡，由這兩臺干涉儀分別測出工作臺的定位誤差和擺角誤差。下圖為工作臺間歇式運動時刻劃過程的原理框圖。該方案的優(yōu)點是刀刃的定位精度相對容易保證，刀架結(jié)構(gòu)相對簡單。后槽是很鈍的二面角，類似于圓弧型刻刀。（3） 刻刀微位移機構(gòu)：刻刀微位移機構(gòu)包括金剛石刀具的抬落機構(gòu)和刀刃的切換機構(gòu)。刀架氣體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖采用球面與V型支座組合形成的鉸接支撐結(jié)構(gòu)，可極大地降低裝配工藝難度，減少由于裝配過程引起的導(dǎo)軌扭曲變形。國外的一些刻劃機，如日立機以及MITC機等，都采用兩根導(dǎo)軌，其中一根高精度平面導(dǎo)軌為小刀架導(dǎo)向，另一根圓導(dǎo)軌承載刀橋及小刀架的全部重量。（2） 刀架氣體靜壓導(dǎo)軌：刻槽的直線性由刀架導(dǎo)軌的平面度保證，導(dǎo)軌的平面度為1/8λ。兩個摩擦輪均有靜壓軸承支承，可以自由轉(zhuǎn)動。摩擦驅(qū)動可以實現(xiàn)無反向間隙、噪聲小的等速傳動。采用等速機構(gòu)可以解決這個問題。工作時伺服電機帶動驅(qū)動輪，由摩擦力推動刀架機構(gòu)等速往復(fù)運動；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。可以滿足使用需求。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，本項目擬采用氣浮導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的示意圖如下圖所示。另外由于滾動體與導(dǎo)軌之間的接觸為點接觸或線接觸，其抗振性與滑動導(dǎo)軌相比較差。傳統(tǒng)的光柵刻劃機多采用滑動導(dǎo)軌或滾柱式導(dǎo)軌。因為干擾力和負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)精度的實現(xiàn)。(2)用直線型電磁裝置來產(chǎn)生所需的驅(qū)動力和直線運動。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。缺點是絲杠的安裝誤差、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)軌運動精度帶來影響，位移分辨率較低，其運動剛度決定于設(shè)計參數(shù)。傳統(tǒng)刻劃機粗定位機構(gòu)蝸輪蝸桿副位移分度系統(tǒng)傳動鏈的前端，因為周期誤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。本項目采用一級工作臺兩級進給的工作方式。工作臺的定位精度直接影響光柵光譜質(zhì)量、雜散光和鬼線強度，是光柵刻劃機機構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)鍵的部分?？虅澫到y(tǒng)主要包括刀架摩擦驅(qū)動機構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌副、刻刀微位移機構(gòu)?？虅潤C的結(jié)構(gòu)主要由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)組成?；谶@種工作方式，刻劃機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。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。在上世紀70年代，連續(xù)式光柵刻劃機逐步成為光柵機的主流產(chǎn)品，并通過這些刻劃機制做出許多高質(zhì)量的平面光柵和凹面光柵。400500 mm26000g/mm中階梯光柵該方式又可細分為間歇式刻劃、連續(xù)式刻劃和連續(xù)運動間歇刻劃。這種方式由于缺點較多，很少采用。這種運動方式能自動消除扇形誤差，但較重的工作臺快速往返運動，較輕的刀橋緩慢移動，運動不平穩(wěn)。 一． 機械機構(gòu)一、 超精密衍射光柵刻劃機工作方式及系統(tǒng)組成光柵刻劃機根據(jù)工作方式的不同一般有如下四種工作方式：1）羅蘭型：光柵刻刀在刻劃方向上往復(fù)運動，工作臺垂直于刻劃方向作單方向運動，通過兩個方向的運動合成，實現(xiàn)光柵刻劃。對定位系統(tǒng)內(nèi)部振動的研究，已經(jīng)從將振動當作故障源進行研究，發(fā)展到將它與定位控制合起來，研究怎樣提高系統(tǒng)的控制精度。精密定位系統(tǒng)中摩擦的存在會產(chǎn)生低速爬行和極限環(huán)振蕩，同時造成穩(wěn)態(tài)誤差和跟蹤誤差，此外它還使定位控制策略復(fù)雜化。由于分辨率的限制，光柵尺多用于微米和亞微米級的位移測量。實現(xiàn)微位移的機械傳動機構(gòu)、導(dǎo)軌支承形式和驅(qū)動方法具有多樣性，從機械結(jié)構(gòu)上來說大行程納米定位有多種可選的方案，綜合目前世界上的主要納米級超精密定位機構(gòu)，工作臺可分為兩種類型：一種是單層工作臺，采用一次定位或步進定位的形式；另一種是采用疊加式(雙層)工作臺，采用雙驅(qū)動或混合驅(qū)動的方法，將定位分為兩個過程：即粗定位和精定位，或宏定位和微定位。而作為“精密機械之王”的光柵刻劃機，要求的自由度更多、定位行程更大、定位精度更高。一個是微行程領(lǐng)域，定位行程從幾微米到幾十微米，相應(yīng)的定位機構(gòu)稱為微動臺、微位移器及微進給機構(gòu)等；另一個是幾毫米至幾百毫米的領(lǐng)域，稱為大行程精密定位，是應(yīng)用更為廣泛的精密定位方式，如在精密測量領(lǐng)域，為了加大掃描隧道顯微鏡(STM)的測量范圍，要求其工作臺與測頭一起實現(xiàn)大范圍的超精密定位；在集成電路的各種制造設(shè)備中，根據(jù)晶圓的直徑，要求工作臺能在幾十毫米內(nèi)進行兩維或多維的納米級精度定位。精密定位是一個交叉性的綜合研究領(lǐng)域，需要精密機械、控制、計算機、微電子技術(shù)和光學(xué)工程等多學(xué)科的支撐，如果考慮到定位系統(tǒng)之外周圍環(huán)境對它的影響，如振動、溫度、濕度、氣流等，則涉及到更多的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面的知識。主要研究內(nèi)容要圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)、有機地形成一個整體來詳細闡述，重點要突出，避免分散或拼盤現(xiàn)象。其中分度系統(tǒng)、刻劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是刻劃機最為關(guān)鍵的部分。如圖？？？為大光柵刻劃機的整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計立體圖。長春光機所2號光柵刻劃機實物2 號光柵刻劃機采用羅蘭型的刻劃方式，改造后，工作臺采用雙層臺的結(jié)構(gòu)，分為外工作臺和內(nèi)工作臺，內(nèi)工作臺通過四個彈簧鋼片懸掛在外工作臺的內(nèi)部。為 LAMOST 望遠鏡刻制過 。長春光機所2號光柵刻劃機圖？？ 是長春光機所 2 號光柵刻劃機，它建造于 1965 年。圖？？是Hitachi公司1992年刻劃機的控制系統(tǒng)框圖，該控制系統(tǒng)由一個計算機中編程實現(xiàn)的順序控制系統(tǒng)、兩個反饋控制環(huán)和作為驅(qū)動器的一個壓電陶瓷機一個伺服電機組成。下層臺和傳統(tǒng)的工作臺相似，通過絲桿螺母機構(gòu)驅(qū)動在導(dǎo)軌上移動，從而實現(xiàn)分度方向上大行程的移動。因為在刻劃光柵時需要對溫度進行嚴格的控制，所以，刻劃機的主要部分被安放在一個溫度被穩(wěn)定控制在 范圍內(nèi)的房間內(nèi)。MITB刻劃機實物如圖所示。最大刻劃面積