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国内外高精度光栅尺
分辨率1nm
精度±(3+3L/1000)μ m
海德汉光栅尺
百度文库
JENA光栅尺
• 针对现代这种需求现状，本课题结合大学自主科学交叉融合 项目“基于柔性铰链的纳米操作并联机器人平台及其多控制 器协同控制策略”以及2010年“机械传动国家重点实验室” 开放基金“多自由度并联微型柔性力-位移传动机构的优化及 其协调控制”，本文提出与探讨应用衍射光栅二维计量的基 础上，结合XY运动工作台二维计量的要求，拟研制一种宽范 围、高精度、高运动平面度的二维平面光栅位移测量系统并 对其进行数据处理及误差分析。
精密二维位移工作台
西格玛二维微动平台
PI公司二维微动平台
高精度光栅尺
• 随着光栅加工技术的进步，光栅莫尔信号的质量得到了较大 的提高，光电传感器件的发展也使光电转换信号能够更为真 实地反映莫尔条纹信号
• 光栅作为精密测量的一种工具，已在精密仪器、坐标测量、 精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。
2002年华中科技大学的郭军等提出一二维测长单元,其采用正交衍射光栅作 为二维位移测量传感器,使系统具有阿贝误差极小,分辨力极高的特点
2006年哈尔滨工业大学孙立宁等提出了适合高速且实现系统末端点高分辨力 位移测量的新方法─基于双光栅尺双重计数、切换与合成的跨尺度位移测量 方法
2006年合肥工业大学费业泰等对单平面二维光栅测量平面位移的理论进行研 究对二维光栅测量系统中主要光学元件对测量信号的影响进行了理论分析
• (2)基于平面二维光栅微位移测量理论的分析，对光栅微位移 测量系统的关键组成部分特别是光路设计、电路设计进行研 究。
• 针对实际应用中，干涉测量信号不稳的特点，给出实用的光 信号检出光路;电路设计主要针对测量信号的特点，如何增加 测量信号的稳定性以及电路设计中应当注意的问题进行了分 析;在基于对平面光栅测量系统分析的基础上进行实验研究。
光栅位移测量的发展及国内外研究现状
国外发展及现状
1990年Ishii和Nishhimura等科学家提出利用衍射光栅的转动来测量机床位 移量的光学尺,其精度达到0.8um
1999年Sawada等研究人员透过微影术及特殊的半导体工程技术,将光学组件 全部制作在同一个基底(Sub-strate)上,制造出一个可微小化光栅干涉仪。 光学读数头的整体几何尺寸可以小至0.5mm
课题的提出及主要完成工作
结合二维微动平台的需要，本文主要对二维平面光栅测量系 统及其平面位移测量的关键技术进行了研究，论文的主要内 容和工作包括: (1)对单平面二维光栅测量平面位移的理论进行研究。 • 推导光栅方程，并且对光栅的衍射特性进行分析;基于波动光 学、多普勒分析以及傅立叶光学的方法推导光栅平面微位移 测量的基本原理;并对二维光栅测量系统中主要光学元件对测 量信号的影响进行了理论分析。
目前，英国Moore&Wright公司的MICRO-200型光栅数显千分尺，测量范围 25mm准确度±2μ m
德国海德汉公司LIP300 系列分辨率高，测量长度可达1440mm，测量步距可 达1nm
国内发展及现状
2001年研究国防科技大学苏绍璟等利用低线数计量光栅实现具有大量程、纳 米级分辨率的位移测量理论及其关键技术，系统可以实现0.1um/100mm的位 移测量精度
• (4)根据二维光栅测量理论，研制具有纳米分辨率的二维 光栅平面微位移测量实验系统。
• (5)系统分析平面二维光栅测量系统的误差来源。
• 对激光光源导致的误差、二维光栅质量引入的误差，光 路结构特别是光栅安装定位引入的误差，电路包括光电 转换、电子细分引入的误差，以及测量环境引入的误差 进行详尽的分析，并且进行了可能的估计与计算，并提 出相应的修正或者改进方法。在此基础上进行二维光栅 测量系统的精度实验。
• (3)对平面二维光栅测量系统的信号处理方法进行研究，采用 基于数字信号幅值细分法的光栅信号细分方法。
• 这种测量方法针对二维光栅测量信号的特点，可以避免正交 信号相位误差、幅值不等以及波形失真的影响，并且对信号 的零漂有较强的抑制能力，这种细分方法软硬结合、结构简 单、对硬件电路要求不高、同时具有很强的系统适应性。
目录
课题题背景和意义 光栅位移测量的发展及国内外研究现状 课题的提出及主要完成工作 研究内容及研究计划 总结与展望
1.课题背景和意义
• 随着现代微科技的发展，研制定位精度高、测量范围大、运 动平面度高的二维位移工作台，即X-Y移动工作台具有重要现 实的意义。纳米级超精密定位技术的发展，不仅在精密测量、 半导体光刻方面需要十分精确的定位和非常精细的运动，其 他如微型机械、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳 米技术等领域都需要精密工作台的协同运动，因此研制高性 能的精密二维位移工作台成为当务之急。