【正文】 的David 。Bausch amp。Mann 刻劃機可以刻劃最大面積為 的光柵，幾乎無法檢測到鬼線，而且分辨率接近理論值。在生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵的時候，必須對這些誤差進行補償，所以 Mann 刻劃機采用了一套自動干涉儀伺服系統(tǒng)。事實上，這個伺服系統(tǒng)相當(dāng)于一根完美的絲桿。最大刻劃面積達 ，刻劃密度的范圍是：。這臺刻劃機所刻劃的光柵分辨率接近理論值，幾乎消除了羅蘭鬼線，同時雜散光也非常弱。MITB刻劃機實物如圖所示。最大刻劃面積為：，最高刻劃密度為：。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)。一些會產(chǎn)生熱量或者震動的設(shè)備：計算機、控制系統(tǒng)和主直流電機等都被放在了房間的外面。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。在上層臺和下層臺之間安裝一個壓電陶瓷，驅(qū)動上層臺相對于下層臺在分度方向微位移移動。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。日本Hitachi公司1992 年刻劃機控制系統(tǒng)框圖國內(nèi)的光柵刻劃機研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)只有長春光機所一家研究機構(gòu)仍在進行衍射光柵刻劃機的研究。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。該機曾為南京天文儀器研究所刻制過。為 LAMOST 望遠鏡刻制過 。在 1999 年，長春光機所對 2 號光柵刻劃機進行了光電控制改造。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。在外工作臺和內(nèi)工作臺之間安裝了一個壓電陶瓷驅(qū)動裝置，通過壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動內(nèi)工作臺相對于外工作臺實現(xiàn)微位移。如圖？？？為大光柵刻劃機的整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計立體圖。每運行一個周期刻劃一條柵線。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。采用兩路雙頻激光干涉儀進行測量定位，通過兩個壓電陶瓷驅(qū)動器對內(nèi)臺進行精確定位并對擺角進行校正。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。光柵刻劃機作為一項精密工程，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既體現(xiàn)了一個國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度，又是科學(xué)研究和經(jīng)濟建設(shè)不可缺少的手段。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。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)運動行程和運動方式來對精密定位技術(shù)進行分類。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。一般都是將精密定位細分為精密級和超精密級。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。定位的范圍從幾微米、幾十微米擴大到幾毫米、幾十毫米甚至幾百毫米，并不是一個簡單的數(shù)值放大問題，還要在總體方案中綜合考慮及其各個關(guān)鍵部件的精度分配、加工精度、裝調(diào)精度、檢測方式、運行部件的精度傳遞、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，工作臺的機械結(jié)構(gòu)、位置反饋檢測方法和定位控制策略等整個系統(tǒng)的軟硬件都要發(fā)生很大變化。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。單層工作臺的大行程定位系統(tǒng)多采用的是靜壓驅(qū)動技術(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，但仍有很多學(xué)者致力于對其進行研究，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)和計算機控制技術(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，極大地推動了納米定位技術(shù)的實用化。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。（3） 定位控制方法：對微米級的運動定位，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)模型的不準確，系統(tǒng)中飽和、死區(qū)、遲滯等非線性因素以及振動、溫度、濕度、氣流等干擾對定位誤差的影響異常突出，系統(tǒng)的不確定性和時變性加劇，傳統(tǒng)的PID控制往往難以勝任。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。目前，誤差補償方法已從系統(tǒng)誤差補償向隨機誤差補償、單項誤差補償向全誤差補償、靜態(tài)誤差補償向動態(tài)誤差補償?shù)姆较虬l(fā)展，在補償?shù)姆椒ㄉ宪浖a償十分有效，發(fā)展勢頭強勁，逐漸成為主要的補償方法；（6） 振動控制：影響定位精度的振動可以分為兩個方面，一個是環(huán)境振動造成定位系統(tǒng)中部件的振動，另一個是定位系統(tǒng)內(nèi)部的振動。對定位系統(tǒng)內(nèi)部振動的研究，已經(jīng)從將振動當(dāng)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。五年預(yù)期目標要求有具體的考核指標和人才培養(yǎng)計劃。 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。其缺點是容易引起光柵的扇形誤差。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)。這種刻劃機的設(shè)計及制造很復(fù)雜。這種方式由于缺點較多，很少采用。 國內(nèi)外典型光柵機的對比國別裝備名稱工作方式特點刻劃面積及刻線密度美國MITB羅蘭式連續(xù)刻劃方式，有雙層工作臺及擺角校正功能250425mm25880g/mm美國MITC羅蘭式連續(xù)刻劃方式，有雙層工作臺及擺角校正功能450635mm2（名義值）紫外近紅外中階梯日本Hitachi羅蘭式激光干涉儀測量定位，雙層工作臺，采用“連續(xù)運動、間歇刻劃”。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。這種機器的運行精度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代光譜儀器對光柵制作的技術(shù)要求。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。對于中小型光柵刻劃機，這種形式的工作臺是可以勝任的。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。二、 光柵刻劃機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件光柵機的整機結(jié)構(gòu)三維立體示意圖本項目中光柵刻劃機的總體運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動，光柵刻刀做往復(fù)運動，運動方向與分度方向垂直。基于這種工作方式，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。此外檢測Z、X向運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。刻劃機的結(jié)構(gòu)主要由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)組成。分度系統(tǒng)主要包括直線電機、氣浮導(dǎo)軌副、工作臺、壓電驅(qū)動柔性鉸鏈機構(gòu)。刻劃系統(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)。設(shè)計、制造這臺高精度衍射光柵刻劃機，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”、“運動學(xué)設(shè)計原理”、 “彈性平衡原則”及“熱平衡原則”等各種有利于提高精度的機械設(shè)計原理，參考現(xiàn)有光柵刻劃機的制造基礎(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)計思想，設(shè)計建造一臺國際領(lǐng)先水平的衍射光柵刻劃機。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。實際上，微定位的過程就是誤差補償或精度補償?shù)倪^程。本項目采用一級工作臺兩級進給的工作方式。分度系統(tǒng)由直線電機粗定位機構(gòu)、工作臺氣浮導(dǎo)軌和壓電陶瓷微位移精定位機構(gòu)組成，刻劃機的基本分度動作即工作臺的粗定位，由直線電機完成。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。而絲杠螺母副是傳統(tǒng)大刻劃機的“心臟”，是直接產(chǎn)生周期誤差的最為關(guān)鍵的部件。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)。與傳統(tǒng)進給驅(qū)動相比，直線電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點：省略了中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，減少了機械磨損，系統(tǒng)運行時可以保持高增益，實現(xiàn)精確的進給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進行準確跟蹤，從而保證了機床的高精度和使用壽命。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。直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。(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。(4)驅(qū)動力與位移精度均由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。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） 工作臺：刻劃機的工作臺為單層臺結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計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。傳統(tǒng)的光柵刻劃機多采用滑動導(dǎo)軌或滾柱式導(dǎo)軌。但是滑動導(dǎo)軌也有缺點，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，低速時運動的平滑度比其他導(dǎo)軌差。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。但缺點是剛度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護不方便，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。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。此外，壓電陶瓷驅(qū)動的柔性并行機構(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?？梢詽M足使用需求。其中刀架氣浮導(dǎo)軌同時對刀架承重和導(dǎo)向。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。高精度的刻劃常設(shè)計刀架等速機構(gòu)，其作用是使刻刀在刻劃過程中保持勻速運動，以確保光柵刻線的刻劃質(zhì)量。采用等速機構(gòu)可以解決這個問題。但這樣的刻劃系統(tǒng)傳動鏈較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動精度對裝配精度要求較高，在刻劃不同面積的光柵時，等速機構(gòu)擺桿調(diào)節(jié)較麻煩。摩擦驅(qū)動可以實現(xiàn)無反向間隙、噪聲小的等速傳動。一般的摩擦驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和齒輪齒條相似，可以把電機的勻速回轉(zhuǎn)運動直接轉(zhuǎn)換為勻速直線運動。兩個摩擦輪均有靜壓軸承支承，可以自由轉(zhuǎn)動。采用摩擦傳動機構(gòu)，機床導(dǎo)軌的直線運動非常平穩(wěn)，并且達到極高的直線運動精度。（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。目前國內(nèi)現(xiàn)有刻劃機刀橋的運行方式是刀橋帶著刀架在曲柄連桿驅(qū)動下作往復(fù)直線運動，刀橋?qū)к壏謩e放在工作臺的兩側(cè)，刀橋橫跨工作臺，質(zhì)量和尺寸都較大。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。設(shè)計采用閉式氣體靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的上平面為承重面，垂直的一個側(cè)平面為導(dǎo)向面。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。這樣刀架導(dǎo)軌微位移精度補償機構(gòu)與左端柔性交接組合，通過鉸接處的彈性變形，為刀架導(dǎo)軌提供橫向微量角位移與精細定位。（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)。為了解決刀具在刻劃過程中的磨損，延長刀具的使用壽命，設(shè)計了兩種金剛石刀具：一種是四面體刀，這種刀由四個平面交于一點，兩邊的棱決定刻線的輪廓、刻劃時前刃和后刃近于一條直線（通常為178176。后槽是很鈍的二面角，類似于圓弧型刻刀。缺點是前刃和后刃的直線性不容易保證，需要進行工藝上的探索。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。圖為不同金剛石刻刀的示意圖，圖為刻刀微位移機構(gòu)的機構(gòu)圖。下圖為工作臺間歇式運動時刻劃過程的原理框圖。該過程屬于開環(huán)控制。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。所謂工作臺連續(xù)式運動，是指光柵工作臺以恒定的速度在一個方向連續(xù)運行，刻劃系統(tǒng)在工作臺運動狀態(tài)中完成一次刻劃。下圖為工作臺連續(xù)式運動時刻劃過程的原理框圖。該工作方式為連續(xù)刻劃（也可以理解為動態(tài)刻劃），實際上就是通過光柵工作臺運動速度與刀架運動速度（或位置）的精確匹配，完成光柵的刻劃并保證光柵的刻線間距精度和刻線的直線性。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。從技術(shù)角度分析，間歇刻劃的最大缺點是工作臺在分度過程中處于一種循環(huán)式的“走?！边\動狀態(tài)，采用靜壓式氣浮導(dǎo)軌，因工作臺加上待刻光柵的質(zhì)量較大，存在因慣性力而引起的諸多不確定因素。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)