基于相位跟蹤反饋機(jī)理的超精密定位系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著精密加工、半導(dǎo)體器件制造業(yè)、集成制造產(chǎn)業(yè)及生物工程等研究領(lǐng)域的不斷發(fā)展，精度定位技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其精度水平已經(jīng)由微米量級(jí)過(guò)渡到納米量級(jí)。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)采用檢測(cè)——控制——驅(qū)動(dòng)——執(zhí)行的系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)對(duì)各個(gè)單元模塊技術(shù)的不斷完善來(lái)提升系統(tǒng)定位精度，目前由于受到工作原理和加工水平等因素的限制，單元模塊精度提升速度減緩（各單元模塊的性能已接近當(dāng)前工藝水平的極限），研究進(jìn)入了相對(duì)平臺(tái)期。
　　本文從定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手，提出了一種基

2、于相位跟蹤反饋機(jī)理的超精密定位新方法，將雙頻激光干涉過(guò)程中拍頻信號(hào)相位差直接轉(zhuǎn)換為位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)，簡(jiǎn)少了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中相位差轉(zhuǎn)換為測(cè)量位移輸出的環(huán)節(jié)，從原理層面減少了影響定位系統(tǒng)輸出精度的誤差源，從而提升定位系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)。
　　本文就相位跟蹤反饋機(jī)理的超精密定位系統(tǒng)所涉及的理論、方法、誤差源和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，主要研究工作如下:
　　利用外差式雙頻激光干涉儀中參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的相位跟蹤鎖定單元取代傳

3、統(tǒng)定位系統(tǒng)中干涉儀位移監(jiān)測(cè)單元，將測(cè)量與參考信號(hào)的相位差取代干涉儀測(cè)量位移數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)發(fā)生單元輸入控制信號(hào)，證明了利用基于相位反饋機(jī)理的雙頻激光干涉拍頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)超精密定位的原理可行性。根據(jù)納米級(jí)精度的定位要求，設(shè)計(jì)了包括激光干涉系統(tǒng)、相位跟蹤控制單元、驅(qū)動(dòng)單元和微位移臺(tái)等單元的超精密定位系統(tǒng)。
　　根據(jù)相位跟蹤控制的原理及其技術(shù)需求，設(shè)計(jì)并研制出包含高頻信號(hào)發(fā)生與移相模塊、高頻鑒相模塊和雙極性驅(qū)動(dòng)模塊的定位系統(tǒng)控制單元，就其工作原

4、理進(jìn)行了分析，闡述了各模塊的電路組成與功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程，分析輸出信號(hào)并討論影響電路精度的主要因素。通過(guò)產(chǎn)生640MHz的高頻信號(hào)和分頻移相方法，產(chǎn)生具有固定相位差的兩路高精度20MHz信號(hào)，保證相位跟蹤與定位驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)確性;設(shè)計(jì)了高精度、低紋波、雙極性的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)采用RC滯后補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ约ふ袷帋?lái)的不穩(wěn)定性，改進(jìn)了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓預(yù)置方法，提升定位系統(tǒng)位移雙向驅(qū)動(dòng)便利性。
　　結(jié)合納米級(jí)定位的需求，對(duì)微位移臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)

5、動(dòng)方法進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)分析了典型柔性鉸鏈特征參數(shù)與輸出轉(zhuǎn)角剛度的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，給出了直圓型、橢圓型、雙曲線型和拋物線型函數(shù)切口柔性鉸鏈輸出特性;對(duì)定位系統(tǒng)的微位移臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析微位移臺(tái)的剛度、最大應(yīng)力、固有頻率等特性;運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)柔性鉸鏈、平行四連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)參數(shù)調(diào)整完成對(duì)微位移臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)的快速實(shí)現(xiàn)。
　　深入分析了相位跟蹤反饋定位系統(tǒng)工作過(guò)程中影響最終定位精度的各項(xiàng)誤差源，主要就電路單元、機(jī)械單元、儀

6、器設(shè)備單元的系統(tǒng)誤差，以及環(huán)境誤差、溫度誤差、電磁干擾誤差等隨機(jī)誤差所產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，對(duì)各項(xiàng)誤差影響進(jìn)行量化分析，明確其變化規(guī)律，并通過(guò)補(bǔ)償和抑制手段對(duì)其實(shí)施針對(duì)性的消除或削弱，以期達(dá)到提升最終定位精度的目的。另外，為實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用中低成本、高效率的提升定位系統(tǒng)的整體精度，本文從定位系統(tǒng)整體精度出發(fā)，給出了在先驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下的一種綜合式二元函數(shù)插值定位補(bǔ)償方法，在保證定位精度的前提下減小了補(bǔ)償運(yùn)算量。
　　最后，本文就定位系統(tǒng)

7、主要組成部分和整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;對(duì)電路單元進(jìn)行了相位發(fā)生與鑒相精度實(shí)驗(yàn)、雙極性驅(qū)動(dòng)電源輸出特性測(cè)試實(shí)驗(yàn);對(duì)定位系統(tǒng)輸出進(jìn)行了分辨力、穩(wěn)定性、重復(fù)性性能測(cè)試實(shí)驗(yàn);對(duì)整個(gè)定位系統(tǒng)進(jìn)行了包含電路單元、機(jī)械單元、儀器設(shè)備、環(huán)境因素在內(nèi)的所有誤差因素的不確定度進(jìn)行了合成，結(jié)果顯示，定位系統(tǒng)在52μm行程范圍內(nèi)的定位不確定度為11.7nm。
　　本文探索一種無(wú)傳統(tǒng)意義上位移監(jiān)測(cè)單元、基于相位跟蹤鎖定的納米精度定位新方法，并對(duì)基于新方法的超精密