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)由微米量級過渡到納米量級。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)采用檢測——控制——驅(qū)動(dòng)——執(zhí)行的系統(tǒng)架構(gòu)，通過對各個(gè)單元模塊技術(shù)的不斷完善來提升系統(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)入了相對平臺期。
　　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，將雙頻激光干涉過程中拍頻信號相位差直接轉(zhuǎn)換為位移驅(qū)動(dòng)信號，簡少了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中相位差轉(zhuǎn)換為測量位移輸出的環(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與測量信號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)測單元，將測量與參考信號的相位差取代干涉儀測量位移數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)發(fā)生單元輸入控制信號，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實(shí)現(xiàn)超精密定位的原理可行性。根據(jù)納米級精度的定位要求，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)過程，分析輸出信號并討論影響電路精度的主要因素。通過產(chǎn)生640MHz的高頻信號和分頻移相方法，產(chǎn)生具有固定相位差的兩路高精度20MHz信號，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，通過采用RC滯后補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ约ふ袷帋淼牟环€(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)合納米級定位的需求，對微位移臺的機(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;對定位系統(tǒng)的微位移臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析微位移臺的剛度、最大應(yīng)力、固有頻率等特性;運(yùn)用ANSYS軟件對柔性鉸鏈、平行四連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過參數(shù)調(diào)整完成對微位移臺設(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，并通過補(bǔ)償和抑制手段對其實(shí)施針對性的消除或削弱，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)電源輸出特性測試實(shí)驗(yàn);對定位系統(tǒng)輸出進(jìn)行了分辨力、穩(wěn)定性、重復(fù)性性能測試實(shí)驗(yàn);對整個(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。
　　本文探索一種無傳統(tǒng)意義上位移監(jiān)測單元、基于相位跟蹤鎖定的納米精度定位新方法，并對基于新方法的超精密