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(jī)械、傳感與測(cè)量、信息處理、計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、智能控制等多門學(xué)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(hào)實(shí)現(xiàn)高精度位置檢測(cè)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(chǎng)控制中，具體包括： 1.研究了納米級(jí)分辨率的精密位移測(cè)量理論方法。應(yīng)用物理光學(xué)和傅立葉光學(xué)理論，分

2、析了雙級(jí)光柵衍射時(shí)的相對(duì)位移與激光莫爾信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，建立了基于激光莫爾信號(hào)的精密位移測(cè)量數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用數(shù)值分析方法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明，莫爾信號(hào)強(qiáng)度隨兩片光柵的相對(duì)位移呈周期性變化，同時(shí)莫爾信號(hào)強(qiáng)度也隨兩片光柵的間距G呈周期性變化，當(dāng)光柵距離G為p<'2>/λ的整數(shù)倍時(shí)，光強(qiáng)幅度變化最大。此外，對(duì)影響激光莫爾信號(hào)特性的各種參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)莫爾定位法和修正莫爾定位法。對(duì)這兩種方法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，兩種定位方法均能有效提高位置檢測(cè)信號(hào)的靈敏度，其中差動(dòng)式定位由于能消除同相噪聲干擾及激光管本身光強(qiáng)的波動(dòng)，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(hào)的角位移特性，建立了莫爾信號(hào)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)角位移偏差的數(shù)

4、學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)莫爾信號(hào)的角位移變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，莫爾信號(hào)強(qiáng)度隨兩片光柵的相對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(dòng)臺(tái)為核心，采用CCD和激光莫爾傳感器檢測(cè)位置偏差，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用脈沖細(xì)分式驅(qū)動(dòng)

5、步進(jìn)電機(jī)，并通過精密絲杠機(jī)構(gòu)將細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的微小角度轉(zhuǎn)化為微米級(jí)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(jì)算機(jī)閉環(huán)控制作用來消除。精密定位時(shí)，工控機(jī)根據(jù)CCD信號(hào)和莫爾信號(hào)的大小和極性發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)，達(dá)到所設(shè)定位置精度范圍。定位臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(shí)間。 5.在研制的

6、SMPDP精密定位工作臺(tái)上，進(jìn)行了精密平面定位技術(shù)的研究。通過對(duì)平面位置與對(duì)應(yīng)莫爾信號(hào)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，完成x-y-θ三自由度的全自動(dòng)精密平面定位，最終實(shí)現(xiàn)前基板、蔭罩與后基板三者之間的全自動(dòng)精密平面定位。 6.為實(shí)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(fù)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(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的CCD信號(hào)，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(dòng)定位臺(tái)進(jìn)入定位點(diǎn)附近，完成粗定位，粗定位精度±220μm。粗定位結(jié)束后，計(jì)算機(jī)再根據(jù)莫爾信號(hào)的大小和極性發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)進(jìn)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(duì)精密定位裝置存在非線性，精確數(shù)學(xué)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(biāo)記，以激光衍射產(chǎn)生的莫爾光光強(qiáng)及光強(qiáng)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(xué)習(xí)功能進(jìn)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(duì)光強(qiáng)及光強(qiáng)變化率的映射，得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。改造后的模糊控制系統(tǒng)具有了知識(shí)自動(dòng)獲取功能，能更好地適應(yīng)工況環(huán)境。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，從而使精密定位裝置在達(dá)到高精度的同時(shí)，又能縮短定位時(shí)間，