正交衍射光柵計量原理及在超精密工作臺上的應用.pdf

1、為了滿足現(xiàn)代各種不同精密加工與測量的要求，世界各國都在研制各種各樣的精密工作臺，它的研究發(fā)展很快。計量型、寬范圍、高精密的二維位移工作臺具有廣闊的應用前景，本文為此，展開研究，其核心內(nèi)容主要包括兩個方面：(1)二維位移計量標準器的研究；(2)高精度運動基準二維位移工作臺及其驅動系統(tǒng)的研究。 首先闡述了正交光柵計量的基本原理和方法。基于電磁場理論上亥姆霍爾茨（Helmholtz）波方程建立了光柵向量普適方程，并將此方程應用于光柵計

2、量系統(tǒng)的光路布局設計。 應用光柵向量普適方程，建立光柵偏轉變化與衍射光束方位變化的數(shù)學模型?；诖四Ｐ?，對不同偏轉情況下的光柵干涉條紋進行了仿真。根據(jù)衍射光柵的計量特點，建立了正交衍射光柵測量誤差模型，推導了光柵安裝誤差與測量誤差之間的關系。 分析了干涉條紋兩路光電差分信號的有效范圍，提出采用橢圓擬合對差分信號進行擬合、校正與補償，以進一步提高系統(tǒng)測量精度的方法。 提出干涉條紋光電接收的差分光電管零間隔與田字型光

3、電管兩種新型布置方法，解決了正交衍射光柵產(chǎn)生的干涉條紋質量相對較差影響測量結果的難題，并在實際應用中取得了良好的效果。 采用積分法對新型接收方法所得信號的幅值與相差進行了分析，建立了條紋寬度、旋轉角度與光電信號幅值、相差的理論關系模型。同傳統(tǒng)的相位分析法相比，積分法更能反映光電接收信號與光強、接收面積的關系。 應用建立的干涉條紋噪聲模型，對光電管新型布置方法與傳統(tǒng)布置方法的信噪比進行分析，理論與實驗分析均表明新方法能極大

4、提高信噪比，抑制直流漂移的影響。 提出了一種處理CCD干涉條紋的橢圓擬合算法，闡述了該算法的基本思想與實現(xiàn)方法，根據(jù)對仿真干涉條紋的計算結果，表明該算法具有穩(wěn)定性高、速度快與精度高等特點。 采用平面正交衍射光柵作為計量標準器，設計并研制了一臺共計量標準器與共運動基面的二維位移工作臺，已獲得發(fā)明專利授權(發(fā)明專利號：02138704.4)。該工作臺采用交流伺服電機粗驅動與壓電微位移器高壓電源細驅動相結合的方法進行精密定位，

5、粗驅動應用柔性強磁性的點接觸聯(lián)接，目標工作臺的運動采用共運動基面方式，底面始終貼在平面度很高的平晶上，保持目標工作臺運動平穩(wěn)的同時具有很高的運動平面度。目標工作臺與平面光柵連為一體，平面光柵位于工作臺底部，實時記錄工作臺的運動位移。文中分析了工作臺結構誤差與驅動誤差以及系統(tǒng)所涉及的相應靜態(tài)參數(shù)，為動態(tài)實驗分析提供了一定基礎。 設計與實現(xiàn)了壓電陶瓷高壓驅動電源電路、光電轉換電路及基于ISA插槽的專用干涉條紋計量與電機驅動電路。系統(tǒng)