【正文】 光路利用伸縮筒封閉起來等。 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(dòng)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(dòng)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。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(dòng)、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(dòng)速度范圍為 ~）還會(huì)有一些不確定的非線性位移狀態(tài)的存在?；瑒?dòng)導(dǎo)軌具有機(jī)構(gòu)簡單、緊湊、剛度高，停止時(shí)的穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性高及價(jià)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)。 （ 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。所以需要對直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性。 由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅(qū)動(dòng)功率的增大而變得更差。 (3) x、 z方向的驅(qū)動(dòng)力通過徑向支承結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌副來承受。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(dòng)發(fā)生裝置、刀架及運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副、力與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。直線電機(jī)靠電磁推力驅(qū)動(dòng)，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工況環(huán)境。運(yùn)行時(shí)，直線電 機(jī)不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。該類裝置的自動(dòng)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(dòng)。該種傳動(dòng)的特點(diǎn)是具有較長的運(yùn)動(dòng)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小； 具有增力作用，主動(dòng)件上轉(zhuǎn)矩很小時(shí)，從動(dòng)件能產(chǎn)生很大的軸向力。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。 （ 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。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(dòng)可以充分利用壓電陶瓷的高精度定位功能。 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(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險(xiǎn)，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。 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(dòng)進(jìn)給等； 2)兩級進(jìn)給方式，即將定位分為兩個(gè)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。 分度系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)工作臺的超精密定位。由刀架摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀架在 x方向沿刀架氣浮導(dǎo)軌做往復(fù)等速運(yùn)動(dòng)，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。工作臺由直線電機(jī)拉動(dòng)在 Y 方向沿導(dǎo)軌做單向運(yùn)動(dòng)?？虅潤C(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖所示。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。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(dòng)精度。每運(yùn)行一個(gè)周期刻劃一條柵線。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(dòng)、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。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。以上刻劃機(jī)的工作臺都是單層臺結(jié)構(gòu)。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。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)。 光柵刻刀 靜 止 刻劃 圖 反斯托洛克型運(yùn)動(dòng)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。 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(dòng)實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。 圖 斯特朗型示意圖 3）斯托洛克型：工作臺不動(dòng)，由刀橋進(jìn)行單方向進(jìn)給和刻刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刻劃，具體見圖 。這種運(yùn)動(dòng)方式能自動(dòng)消除扇形誤差，但較重的工作臺快速往返運(yùn)動(dòng)，較輕的刀橋緩慢移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。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。對定位系統(tǒng)內(nèi)部振動(dòng)的研究，已 經(jīng)從將振動(dòng)當(dāng)作故障源進(jìn)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。目前，誤差補(bǔ)償方法已從系統(tǒng)誤差補(bǔ)償向隨機(jī)誤差補(bǔ)償、單項(xiàng)誤差補(bǔ)償向全誤差補(bǔ)償、靜態(tài)誤差補(bǔ)償向動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)姆较虬l(fā)展，在補(bǔ)償?shù)姆椒ㄉ宪浖a(bǔ)償十分有效，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，逐漸成為主要的補(bǔ)償方法； （ 6） 振動(dòng)控制： 影響定位精度的振動(dòng)可以分為兩個(gè)方面，一個(gè)是環(huán)境振動(dòng)造成定位系統(tǒng)中部件的振動(dòng)，另一個(gè)是定位系統(tǒng)內(nèi)部的 振動(dòng)。精密定位系統(tǒng)中摩擦的存在會(huì)產(chǎn)生低速爬行和極限環(huán)振蕩，同時(shí)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。 （ 3） 定位控制方法： 對微米級的運(yùn)動(dòng)定位，普通的 PID控制一般能夠滿足精 度要求，但對亞微米至納米級的定位精度，系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確，系統(tǒng)中飽和、死區(qū)、遲滯等非線性因素以及振動(dòng)、溫度、濕度、氣流等干擾對定位誤差的影響異常突出，系統(tǒng)的不確定性和時(shí)變性加劇，傳統(tǒng)的 PID 控制往往難以勝任。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。 單層工作臺的大行程定位系統(tǒng)多采用的是靜壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的氣浮導(dǎo)軌定位工作臺，盡管這種定位方式存在系統(tǒng)復(fù)雜、附屬設(shè)備多等缺點(diǎn)，但仍有很多學(xué)者致力于對其進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果，獲得了許多成功的應(yīng)用；宏微兩級定位是目前研究和應(yīng)用得更為廣泛的大行程納米定位方法，這得益于微位移技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是壓電陶瓷和柔性鉸鏈兩者的結(jié)合，極大地推動(dòng)了納米定位技術(shù)的實(shí)用化。實(shí)現(xiàn)微位移的機(jī)械 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌支承形式和驅(qū)動(dòng)方法具有多樣性，從機(jī)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(jī)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(jìn)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(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)的方法，將定位分為兩個(gè)過程：即粗定位和精定位，或宏定位和微定位。定位的范圍從幾微米、幾十微米擴(kuò)大到幾毫米、幾十毫 米甚至幾百毫米，并不是一個(gè)簡單的數(shù)值放大問題，還要在總體方案中綜合考慮及其各個(gè)關(guān)鍵部件的精度分配、加工精度、裝調(diào)精度、檢測方式、運(yùn)行部件的精度傳遞、摩擦、變 形、熱膨脹、電子學(xué)控制精度以及環(huán)境等對光柵刻劃所帶來的影響，工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)、位置反饋檢測方法和定位控制策略等整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件都要發(fā)生很大變化。而作為 “精密機(jī)械之王 ”的光柵刻劃機(jī)，要求的自由度更多、定位行程更大、定位精度更高。一般都是將精密定位細(xì)分為精密級和超精密級。一個(gè)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(jī)構(gòu)稱為微動(dòng)臺、微位移器及微進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；另一個(gè)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(shí)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(jìn)行兩維或多維的納米級精度定位。 精密定位技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中有不同的類型，以下根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程和運(yùn)動(dòng)方式來對精密定位技術(shù)進(jìn)行分類。精密定位是一個(gè)交叉性的綜合研究領(lǐng)域，需要精密機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)、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(dòng)、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。光柵刻劃機(jī)作為一項(xiàng)精 密工程，涉及到微電子制造、光電測量儀器、各種超精密加工等領(lǐng)域，擁有高精度光柵刻劃機(jī)既體現(xiàn)了一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度，又是科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的手段。主要研究內(nèi)容要圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)、有機(jī)地形成一個(gè)整體來詳細(xì)闡述，重點(diǎn)要突出，避免分散或拼盤現(xiàn)象。采用兩路雙頻激光干涉儀進(jìn)行測量定位，通過兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器對內(nèi)臺進(jìn)行精確定位并對擺角進(jìn)行校正。其中分度系統(tǒng)、刻劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是刻劃機(jī)最為關(guān)鍵的部分。每運(yùn)行一個(gè)周期刻劃一條柵線。如圖？？？為大光柵刻劃機(jī)的整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)立體圖。在外工作臺和內(nèi)工作臺之間安裝了一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置，通過壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動(dòng)內(nèi)工作臺相對于外工作臺實(shí)現(xiàn)微位移。 長春光機(jī)所 2號光柵刻劃機(jī)實(shí)物 2 號光柵刻劃機(jī)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(gè)彈簧鋼片懸掛在外工作臺的內(nèi)部。在 1999 年，長春光機(jī)所對 2 號光柵刻劃機(jī)進(jìn)行了光電控制改造。該機(jī)曾為南京天文儀器研究所刻制過 的天文光柵。 長春光機(jī)所 2號光柵刻劃機(jī) 圖？？ 是長春光機(jī)所 2 號光柵刻劃機(jī)，它建造于 1965 年。 日本 Hitachi公司 1992 年刻劃機(jī)控制系統(tǒng)框圖 國內(nèi)的光柵 刻劃機(jī)研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)只有長春光機(jī)所一家研究機(jī)構(gòu)仍在進(jìn)行衍射光柵刻劃機(jī)的研究。 圖？？是 Hitachi公司 1992年刻劃機(jī)的控制系統(tǒng)框圖，該控制系統(tǒng)由一個(gè) 計(jì)算機(jī)中編程實(shí)現(xiàn)的順序控制系統(tǒng)、兩個(gè)反饋控制環(huán)和作為驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)壓電陶瓷機(jī)一個(gè)伺服電機(jī)組成。在上層臺和下層臺之間安裝一個(gè)壓電陶瓷，驅(qū)動(dòng)上層臺相對于下層臺在分度方向微位移移動(dòng)。下層臺和傳統(tǒng)的工作臺相似，通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分度方向上大行程的移動(dòng)。一些會(huì)產(chǎn) 生熱量或者震動(dòng)的 設(shè)備：計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)和主直流電機(jī)等都被放在了房間的外面。因?yàn)樵诳虅澒鈻艜r(shí)需要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，所以，刻劃機(jī)的主要部分被安放在一個(gè)溫度被穩(wěn)定控制在 范圍內(nèi)的房間內(nèi)。最大刻劃面積為： 300 最高刻劃密度為： 10000g/mm。MITB刻劃機(jī)實(shí)物如圖所示。這臺刻劃機(jī)所刻劃的光柵分辨率接近理論值，幾乎消除了羅蘭鬼線，同時(shí)雜散光也非常弱。最大刻劃面積達(dá) ，刻劃密度的范圍是：20~1500g/mm。事實(shí)上，這個(gè)伺服系統(tǒng)相當(dāng)于一根完美的絲桿。在 生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵的時(shí)候，必須對這些誤差進(jìn)行補(bǔ)償，所以 Mann 刻劃機(jī)采用了一套自動(dòng)干涉儀伺服系統(tǒng)。 Mann 刻劃機(jī)可以刻劃最大面積為 的光柵，幾乎無法檢測到鬼線，而且分辨率接近