精密定位理論方法及應(yīng)用技術(shù)的研究.pdf

1、精密定位技術(shù)是超精密加工、集成電路器件制造、電子產(chǎn)品組裝線、生物工程及納米技術(shù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵性基礎(chǔ)性技術(shù)，其技術(shù)涉及到激光理論、電子技術(shù)、精密機械、傳感與測量、信息處理、計算機、伺服驅(qū)動、智能控制等多門學科，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究利用激光莫爾信號實現(xiàn)高精度位置檢測與精密定位的理論、方法及其關(guān)鍵技術(shù)，并將相應(yīng)成果應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場控制中，具體包括： 1.研究了納米級分辨率的精密位移測量理論方法。應(yīng)用物理光學和傅立葉光學理論，分

2、析了雙級光柵衍射時的相對位移與激光莫爾信號強度的關(guān)系，建立了基于激光莫爾信號的精密位移測量數(shù)學模型。應(yīng)用數(shù)值分析方法對建立的數(shù)學模型進行了計算機仿真。仿真結(jié)果表明，莫爾信號強度隨兩片光柵的相對位移呈周期性變化，同時莫爾信號強度也隨兩片光柵的間距G呈周期性變化，當光柵距離G為p<'2>/λ的整數(shù)倍時，光強幅度變化最大。此外，對影響激光莫爾信號特性的各種參數(shù)進行了實驗研究，實驗測量結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。 2.探討了精密定位的基本理

3、論依據(jù)，研究了精密直線定位的基本控制規(guī)則。為確保高的定位精度，提出了精密直線定位的兩種定位方法：差動莫爾定位法和修正莫爾定位法。對這兩種方法進行了詳細的理論分析及實驗研究，結(jié)果表明，兩種定位方法均能有效提高位置檢測信號的靈敏度，其中差動式定位由于能消除同相噪聲干擾及激光管本身光強的波動，定位精度高于修正式定位，但修正式定位方法的結(jié)構(gòu)比較簡單。 3.研究了雙光柵衍射產(chǎn)生的莫爾信號的角位移特性，建立了莫爾信號強度與對應(yīng)角位移偏差的數(shù)

4、學模型，并通過計算機仿真對莫爾信號的角位移變化規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明，莫爾信號強度隨兩片光柵的相對角位移呈周期性變化。在此基礎(chǔ)上，研究了精密角度定位的基本控制規(guī)則，并進行了實驗研究，獲得了±50nrad的角位移分辨率及±5μrad的角度定位精度。 4.在精密定位研究的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了蔭罩式等離子顯示器(SMPDP)精密定位裝置。精密定位裝置以精密微動臺為核心，采用CCD和激光莫爾傳感器檢測位置偏差，驅(qū)動系統(tǒng)采用脈沖細分式驅(qū)動

5、步進電機，并通過精密絲杠機構(gòu)將細分后步進電機的微小角度轉(zhuǎn)化為微米級的線性位移，以滿足定位控制的需要，最終的定位誤差依靠計算機閉環(huán)控制作用來消除。精密定位時，工控機根據(jù)CCD信號和莫爾信號的大小和極性發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動脈沖信號，驅(qū)動定位臺，達到所設(shè)定位置精度范圍。定位臺在軟、硬件方面采取的一系列抗干擾措施，確保了系統(tǒng)較高的定位精度及工作可靠性。實驗結(jié)果表明，研制的精密定位裝置可獲得±5/μm的定位精度及60s的定位時間。 5.在研制的

6、SMPDP精密定位工作臺上，進行了精密平面定位技術(shù)的研究。通過對平面位置與對應(yīng)莫爾信號關(guān)系的優(yōu)化分析，找出了x-y-θ三自由度的平面最佳控制策略，并由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和控制，完成x-y-θ三自由度的全自動精密平面定位，最終實現(xiàn)前基板、蔭罩與后基板三者之間的全自動精密平面定位。 6.為實現(xiàn)大行程下的高精度定位，提出了粗定位與精定位相結(jié)合的兩段式復合定位方法，其中粗定位采用CCD圖像定位技術(shù)，精定位采用激光莫爾定位技術(shù)。粗定位

7、時，計算機根據(jù)檢測到的CCD信號，判斷出基板與蔭罩板之間的位置偏差，發(fā)出相應(yīng)指令，驅(qū)動定位臺進入定位點附近，完成粗定位，粗定位精度±220μm。粗定位結(jié)束后，計算機再根據(jù)莫爾信號的大小和極性發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動脈沖信號，驅(qū)動定位臺進入設(shè)定的位置偏差范圍內(nèi)，完成精定位，定位精度為±5μm。 7.針對精密定位裝置存在非線性，精確數(shù)學模型難于建立的缺陷，提出了精密定位的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于該控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)以光柵常數(shù)4

8、40 μm的光柵為定位標記，以激光衍射產(chǎn)生的莫爾光光強及光強的變化率為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習功能進行精密定位控制。給出了模糊推理BP網(wǎng)絡(luò)模型，模型由輸入層、隱層和輸出層3層神經(jīng)元組成，通過對光強及光強變化率的映射，得到電機驅(qū)動信號。改造后的模糊控制系統(tǒng)具有了知識自動獲取功能，能更好地適應(yīng)工況環(huán)境。實驗結(jié)果表明，使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，控制響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、魯棒性強，從而使精密定位裝置在達到高精度的同時，又能縮短定位時間，