衍射光栅刻划机的高精度开环定位系统

衍射光栅刻划机的高精度开环定位系统Ξ王晓琳　杨厚民　郭　杜　(中国科学院长春精密光学机械研究所　130022)张宇华　(北京理工大学光电工程系　北京　100081)摘要　本文介绍以8031单片机为核心研制成的衍射光栅刻划机的开环控制的高精度定位系统。

系统中采用了光栅干涉仪、程控放大器、干涉条纹细分和马达分级调速等方法,本系统既具有闭环控制的高精度特点,又具有开环控制简单、易操作等优点。

实用表明:该系统控制的刻划机的定位精度Ρ=3.6nm,最大定位误差为14.6nm。

关键词　开环控制　光栅干涉仪　幅值细分A H igh Prec ision Open-loop Con trol Position i ng System for a D iffraction Gra ti ng Rul i ng M ach i neW ang X iao lin Yang Houm in Guo D u (Chang chun Institu te of Op tics and F ine M echan ics of the Ch inese A cad e m y of S cinences Chang chun130022) Zhang Yuhua　(D ep a rt m en t of Op tica l E ng ineering B eij ing Institu te of T echnology B eij ing100081)Abstract　A h igh p recisi on op en2loop con tro l po siti on ing system fo r a diffracti on grating ru ling m ach ine is deve lop ed and p resen ted in th is p ap er,w h ich takes a8031single2ch i p m icrocom p u ter as the nucleu s and adop ts a se2 ries of techn iques such as grating in terferom eter,p rogram con tro l am p lifier and in terference fringes sub2divi2 si on as w ell as m o to r velocity step govern ing.T he system p rovides no t on ly w ith featu re of the h igh p recisi on of a clo sed2loop con tro l system,bu t also w ith featu re of the si m p licity and conven ience of an op en2loop con tro l system.Exp eri m en ts show that the po siti on ing p recisi on of the diffracti on grating ru ling m ach ine con tro lled by th is system isΡ=3.6nm,the m ax i m um po siti on ing erro r is less than14.6nm.Key words　O p en2loop con tro l　Grating in terferom eter　Am p litude sub2divisi on1　引 言一块优质光栅,刻线间距要均匀一致,一般线距的累积误差不应大于1 4个光栅常数,周期误差不应大于1 10个光栅常数。

以每毫米1200条线的光栅为例,线距的累积误差不应大于0.2Λm,周期误差不应大于0.08Λm。

在影响光栅质量的众多因素中,光栅分度误差是一项具有决定性的指标,因此,如何减小分度误差成为研究刻划机的一个重要课题。

由于刻划机刻划一块光栅需要不间断地连续工作几昼夜,因而设计一个稳定可靠、使用方便的控制系统至关重要。

衍射光栅刻划机按其工作方式可分为连续式和间歇式两种。

前者载有光栅毛坯的工作台在分度和刻划过程中一直在匀速运动,其优点是采用闭环控制,不断根据测得的误差调整马达的运转速度,以保证刻划精度[1],其不足是落刀刻划时工作台还在移动,使得刻刀与毛坯接触易产生振动,影响刻划线条的质量,并且结构复杂,调整困难;后者是一个开环系统,它的工作台在分度时前移一个光栅间距,刻划时静止不动,这样落刀时毛坯不动,从而保证了线条的质量,并且其控制原理、结构及操作远比前者简单。

从控制精度上看,闭环较开环有很大优点;但从结构繁简程度及使用方便合第20卷第1期 仪　器　仪　表　学　报 1999年2月Ξ理的角度看,后者的优越性又是前者无法比拟的。

本文的主要目的就是针对开环控制的不足,采取有效的改进措施,从而得到并不比闭环控制逊色的定位精度。

2　光栅刻划机工作原理光栅刻划机工作原理示图1。

开环控制的高精度定位系统以8031单片机为核心,整个系统分为分度系统、刻划系统和监测系统。

刻划系统的刀桥由三相电机带动作往复运动;分度系统要保证在刀桥的每一运动周期中刻刀落下之前,完成工作台的精确定位;监测系统主要是监视、测量分度信号并进行数据处理。

图1　光栅刻划机工作原理3　刻划机工作台的精密定位由光栅刻划机的工作原理可以看出,整个控制系统的中心任务就是要精确控制工作台的运动和定位。

其中,高精度的分度信号是保证高精度的控制精度的前提。

3.1　工作台的定位基准。

采用光栅干涉仪精确测量工作台的位移,原理如图2(a ),光栅在自准状态下使用。

小灯发出的光经透镜L 1变成平行光,照射到分光棱镜上分成两束光分别照射到光栅上,两束衍射光均沿原方向返回,结构的对称性使两束光在O 处发生干涉,通过透镜L 2在观察屏上可以看到条纹。

当光栅放到工作台上并随之移动时,在观察屏的固定位置上就可以看到“移动”的条纹,将光电接收器放到这个位置上就可以接收到工作台周期性变化的位移信号。

如图2(b ),由于光栅在自准状态下使用,当光栅移动∃D 时,在O 点a 光的光程差变化相当于相距∃D 的两束光a 、b 的光程差:x =2・∃D Sin Β,相位变化为:∃Υ=2ΠΚ・2∃D Sin Β将自准光栅方程2d ・Sin Β=m Κ代入,则∃Υ=2Πm ∃D d 。

式中m 为衍射光的级次,d 为光栅常数,Κ为波长。

图2　光栅干涉仪原理46仪　器　仪　表　学　报 第20卷　 在光栅刻划机上,干涉仪中的光栅放在工作台上,随待刻划的光栅毛坯一起移动,干涉仪是对称的,即Β1 =Β2,相干的两束衍射光级次相同,方向相反,即m= m1=-m2,其相位差∃Υ=∃Υ1-∃Υ2=2Π∃D(m1-m2) d　=2m・2Π∃D d (1)实际应用中取m=4。

工作台上蜗杆的螺距是1 600mm,干涉仪样板光栅为300线 mm,当刻划1200线 mm光栅时,蜗杆转半圈则∃D=1 1200mm,正好分度一次,此时相干两束光的相位变化:∃Υ=2・4・2Π(1 1200) (1 300)=2・2Π即每分度一次,光电接收器有两个周期信号输出。

由(1)式可以看出,光栅干涉仪相干光的相位差与波长无关,这是光栅干涉仪的一个重要特点,它消除了由于光源不稳定而造成的误差。

光栅干涉仪以样板光栅作为测量基准,使用的是样板光栅衍射光的干涉条纹,衍射光对样板光栅的刻线误差有很好的分散和平均作用,干涉仪输出的信号的均匀性比样板光栅刻线的均匀性高出几个数量级[2],因此样板光栅的刻线误差对位移信号的影响极小。

3.2　消除干涉仪信号的叠级现象干涉仪相干光相位差与光源波长无关,但若以小灯泡作为光源,由于其是连续光谱,且光谱范围宽,造成了叠级现象,影响位移信号的质量。

在此采用H G410砷化镓红外发光二极管作为干涉仪的光源,由于它发射光谱分布曲线窄,半峰宽度≤40nm,峰值波长940nm,因此能十分有效地消除干涉仪信号的叠级现象,获得单一波长的信号,这也是进行幅值细分的前提条件。

采用砷化镓红外发光二极管代替小白炽灯,是光栅干涉仪的一个重要改进。

3.3　程控放大器由光栅干涉仪得到的工作台位移信号经前置放大器放大,由于发光管电路及原始信号的不稳定性,使信号产生漂移。

为得到稳定的信号,采用了程控放大器技术,使前置放大器的输出信号再经过程控放大器得到具有稳定幅值和中值电压的信号。

本程控放大器是由主机8031实现的。

经以上工作使本机得到一个高精度、高灵敏度、稳定可靠的精密定位用的工作台位移信号,其信号当量为0.41Λm,幅值稳定性优于1 100,中值电平稳定性优于0.1V。

4　工作台定位的控制过程4.1　软件结构工作台定位的控制程序流程如图3。

按照图中的顺序,开机后程序一直循环运行,直至整块光栅刻划完毕停机。

停机这一步骤由装在机器上的机械触点开关完成。

程序中有两个中断服务子程序,一个是起始分度中断子程序,另一个是计数到中断子程序。

使用本程序可刻划8种不同刻线的光栅。

4.2　提高开环定位精度的主要措施图3　控制程序流程图 (1)信号幅值细分。

程序对经过放大器后具有稳定幅值和稳定直流分量的工作台位移信号进行8细分,如图4,即在一个周期信号上从中值点起,每45°发出56　第1期衍射光栅刻划机的高精度开环定位系统一个细分脉冲,当采样一个周期时就重新计算一次分点的值。

通过细分计数为工作台驱动马达变速运动提供转换速度的位置点,同时细分脉冲送数码管L CL 102计数显示,便于监视,并送计数器用于控制。

图4　位移信号幅值细分(2)工作台驱动马达变速运转。

工作台驱动马达速度的选择十分重要。

若马达速度快,则工作台冲量大,在其停止前滑移量就大,影响分度精度;若马达低速运转,工作台又易产生“爬行”现象,同样影响分度精度,而且还使整机工作时间增长。

为解决上述问题,驱动马达分三档变速运转,具体是:启动时高速、中间速度适当降低,接近停止位置时用低速。

马达最低速度的确定以保证工作台移动时不产生“爬行”为前提。

工作台不发生爬行的临界速度为[5]:v c =∃fg 4ΠΝK m m s ,其中∃f 为动静摩擦系数之差,Ν为阻尼比,K 为传动系统刚度(N m ),m 为工作台部件质量(kg )。

对本刻划机m =10kg ,k =50×106N m ,Ν=5×10-2,∃f =5×10-5,则最低速度为:v c =0.275Λm s 。

马达的中间速度及最高速度通过考虑刻划时间、马达及整机的性能以及具体的工艺条件等因素确定。