超精密平台的控制
超精密气浮平台的定位精度分析

静 、动摩擦阻尼相等 , 且只与运动速度成正比 , 则
平台的运动方程为
m ( d2 x/ d t2 ) + c( d x/ d t) + Kx = KB I , (1) 式中 : m 为气浮平台的移动部件质量 ; c 为气浮平
台运动部件与导轨间的摩擦系数 ; K 为气浮平台
的弹性系数 ; KB 为直线电机的推力常数 ; x 为气 浮平台的输出位移 ; I 为直线电机的驱动电流.
令位置指令信号为 x ,定位平台的位置误差 e 和速度误差 e 为状态变量 ,即
e = x - x (1) ; (9)
e = x - x (2) , 则切换函数为
s = be + e.
(10)
采用指数趋近控制方法 ,其控制律为
s = - εsgn ( s) - ks (ε > 0 , k > 0) , (11)
图 2 为存在摩擦时 SMC 控制下C 调节存在摩擦时的定位 平台位移仿真曲线
输出曲线 ,从图中可以看出 :平台的位移输出曲线 是个单调上升的曲线 ,在摩擦与阻尼的作用下 ,平 台在 0. 2 s 左右达到设定位置 , 无任何超调量. SMC 消除了 PID 调节时存在的一个明显的拐点 , 即 SMC 可以自动补偿由动静摩擦系数不同引起 的定位平台响应和精度的不同. 其摩擦力随定位 平台运动速度的变化情况如图 3 所示 ,从图中可 以看出 :定位平台摩擦力随着速度的变化而变化 ,
高精度磁浮式定位平台控制问题研究

高精度磁浮式定位平台控制问题研究张和洪;龙志强【摘要】High-precision stage is the key component in the scene of micro-technology including photoetching machine , nano-measurement , process and micro-assemble , etc . Magnetic levitation positioning becomes thehot topic in positioning technology due to using non-contact maglev technology in motion stage and driving part , which can eliminate friction and attrition to motion and improve the precision . The development and researches of magnetic positioning stage in China and abroad are introduced and a new structure of magnetic levitation positioning stage is presented . Considering the uncertainty of the model and gap and load disturbance ,active disturbance rejection control is proposed to maglev positioning stage for the problem of stable levitation control based on the single magnet model .The simulation and experiments show that the method meets the demands of high-precision and stable levitation control and has the strong ability of robust anti-disturbance .%高精度定位平台是光刻机、纳米测量与加工、微装配等微观领域技术的核心部件。
超精密加工的原理

超精密加工的原理概述超精密加工是一种高精度、高效率的加工方法,广泛应用于电子、光学、航空航天等领域。
本文将从原理、设备和应用三个方面探讨超精密加工的相关知识。
原理超精密加工的原理主要包括以下几个方面: 1. 基于材料理论 - 材料塑性变形的特性 - 材料的热变形 - 材料的热处理对机械性能的影响2.基于机械理论–刀具的材料选择及形状设计–刀具的旋转轴心与工件表面的相对运动方式–切削力的传递及控制方法3.基于控制理论–精密伺服系统的设计与控制–运动平台的阻尼、刚性及动力学特性–跟随误差的修正算法设备超精密加工的设备主要包括以下几个方面: 1. 精密机床 - 高刚性床身结构 - 高精度的滚珠丝杆传动系统 - 紧密密封的工作室,防止外界温度、湿度的影响2.精密主轴系统–高速、高精度的主轴–降低热变形的冷却系统–精密的轴承及润滑系统3.精密传感系统–高精度的位移传感器–高精度的温度传感器–高灵敏度的力传感器4.控制系统–高性能的数控系统–高速、高精度的驱动系统–稳定可靠的供电系统应用超精密加工在许多领域都有广泛的应用,下面列举了其中的几个方面: 1. 光学元件的制造 - 高精度透镜的加工 - 高精度光学表面的抛光 - 高精度反射镜的加工2.微电子芯片的制造–高精度半导体材料的切割–高精度线路板的制作–高精度芯片的封装3.航空航天领域–高精度涡轮叶片的加工–高精度发动机零件的制造4.医疗领域–高精度人工关节的制造–高精度医疗器械的加工结论超精密加工是一种重要的加工技术,其原理基于材料、机械和控制理论。
在具备高精度的设备和控制系统的支持下,超精密加工可以应用于光学、电子、航空航天和医疗等领域,为这些领域的发展提供了关键支持。
随着科技的不断进步,相信超精密加工将在未来发挥更加重要的作用。
超精密数控机床控制系统技术方案

超精密数控机床控制系统技术方案1、系统组成超精密数控机床系统主要有三个部分:主轴、横向进给机构、纵向进给机构。
其平面布局如图1所示。
图1 超精密数控机床平面布局示意图主轴由空气磁力轴承支承,用带有变频器的电动机驱动,功率为1500W;横向进给机构与纵向进给机构均采用花岗石滑台与方导轨结构,各由一台伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动滑台在导轨上移动,电动机功率为850W。
2、技术要求(1) 横、纵向进给的操作采用手柄式控制开关操作(十字选择开关,中间有快速选择按钮)。
(2)进给的速度可调(最小为2mm/min),可实现自动/手动进给,移动精度为0。
1μm。
(3)横、纵向的移动应有锁定开关。
(4) 主轴旋转可调速50-1800r/min(60Hz达到1800r)采用无级变速,且有相对的转速指示.(5) 主轴旋转的起、停均需有缓冲过程(慢爬、慢停),主轴旋转应有保护电路,断电时应缓慢停止旋转。
(6)气压保护,控制机床的正常运转(0.4MPa),低于设定值时机床不能工作(或停止工作)。
(7) 电源、气源有正常工作灯指示.(8)其余要求按常规机床实施。
有电控箱、人机对话控制台、手柄式控制进给操作手柄组成.3、系统功能需求3.1 主轴(1)无级变速,要求50~1800转;(2)启停应有一个过渡过程(即从慢到快启动,从快到慢停止);(3)转速设定;3.2横向进给机构(4)任意位置停止锁定;(5)移动距离设定;(6)设置快速移动操作手柄;3.3纵向进给机构(1)任意位置停止锁定;(2)移动距离设定;(3)设置快速移动操作手柄;3.4控制面板(1)主轴转速设定、显示;(2)横向进给量设定、显示;(3)纵向进给量设定、显示;(4)纵横向进给手动控制;(5)电源总快关3.5系统整体(1)主轴中心线位置定位(原点、二次定位点)(2)刀具轨迹程序编制4、控制系统解决方案4.1 硬件解决方案根据数控机床的功能需求与技术要求,拟定其控制系统硬件解决方案如图2所示。
超精密加工对超精密加工机床的基本要求

超精密加工对超精密加工机床的基本要求下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。
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超精密加工技术的应用案例

超精密加工技术的应用案例说起来这超精密加工技术,可真是个了不得的玩意儿,你别看它名字听起来挺高大上,其实跟咱们的生活那是息息相关。
今儿个我就给你讲讲几个应用案例,保管让你觉得这技术啊,真是神乎其技。
先说个近的,就咱们平时用的手机,那屏幕你知道是怎么来的吗?就是靠这超精密加工技术磨出来的。
你瞅瞅那屏幕,光滑得跟婴儿的脸似的,一点瑕疵都没有,看着就舒服。
记得有一次我去参观一个手机制造厂,那车间里头,机器嗡嗡作响,技术员跟我说,这屏幕啊,得经过几十道工序,每一道工序都是微米级的精度控制,稍有差池,那屏幕就废了。
你说这技术牛不牛?再说个远的,航空航天领域。
咱国家的卫星、火箭,那上面的零件,哪一个不是要求极高?超精密加工技术就在这里面发挥着关键作用。
有一次我跟一个航天专家聊天,他跟我说,火箭发动机里的一个喷嘴,就那么一点点大,但是要求加工精度要达到纳米级,你说这难不难?可咱们的技术人员就是能把这活儿干得漂漂亮亮的,让火箭能够顺利地飞上天。
还有医疗领域,这个你可能没想到吧?现在的医疗器械,那精度要求也是极高的。
比如手术刀、人工关节这些,都得用超精密加工技术来制作。
有一次我去医院,碰上一个医生朋友,他跟我说,他们医院引进了一套新的手术设备,那手术刀锋利得不得了,切起来跟切豆腐似的,病人恢复得也快。
我一问,才知道这手术刀也是超精密加工出来的。
说到这,我还想起一个有趣的事情。
有一次我去一个工厂参观,那工厂是生产精密零件的,我进去一看,哎呀妈呀,那车间里头全是机器,连个人影都看不见。
我正纳闷呢,突然听到一阵笑声,我循声找去,原来是一个技术员在跟一个机器对话。
他说:“你这家伙,今天表现不错嘛,加工出来的零件精度又提高了。
”我当时就乐了,心想这技术真是越来越智能了,连机器都能跟人聊天了。
不过话说回来,这超精密加工技术虽然厉害,但也不是万能的。
它得靠人来操作,靠人来维护。
有一次我去跟一个技术团队交流,他们就跟我说,这技术啊,得不断学习,不断创新,不然就会被淘汰。
光刻机超精密工件台数据驱动运动控制

04
光刻机超精密工件台数据 驱动运动控制的关键技术
问题
高精度运动控制技术
总结词
高精度运动控制技术是光刻机超精密工件台数据驱动运动控 制的核心问题,需要解决高精度位置控制和姿态控制难题。
详细描述
光刻机超精密工件台需要实现纳米级的位置控制和姿态控制 ,这需要采用先进的运动控制算法和高精度传感器技术。同 时,还需要解决运动过程中由于温度、湿度等环境因素引起 的误差问题。
03
光刻机超精密工件台数据 驱动运动控制的应用场景
芯片制造领域
芯片制造是光刻机超精密工件台数据驱动运动控制的主要应用场景之一。在芯片 制造过程中,需要使用光刻机进行微缩图案的刻画,而超精密工件台则可以实现 对芯片的精确位置和姿态调整,以确保刻画图案的准确性和一致性。
在芯片制造领域,光刻机超精密工件台数据驱动运动控制技术可以大大提高芯片 制造的效率和品质。通过对工件台的精确控制,可以实现刻画图案的纳米级精度 ,避免因位置和姿态不准确而引起的刻画错误和芯片性能下降的问题。
光刻机超精运密动工控件制台数据驱动
汇报人: 2023-11-20
目录
• 光刻机超精密工件台概述 • 数据驱动运动控制技术 • 光刻机超精密工件台数据驱动运动控制的
应用场景 • 光刻机超精密工件台数据驱动运动控制的
关键技术问题
目录
• 光刻机超精密工件台数据驱动运动控制的 发展趋势和挑战
• 光刻机超精密工件台数据驱动运动控制的 应用案例分析
稳定性的运动控制。
其他辅助系统
如冷却系统、真空系统等,保 证工件台在稳定的温度和压力
条件下工作。
02
数据驱动运动控制技术
数据驱动运动控制技术的定义
基于数据驱动的运动控制技术,主要 是通过采集设备运行数据,进行数据 分析,提取特征,建立模型,并对设 备进行实时监测与控制。
精密和超精密加工机床的现状及发展对策

工作台尺寸 (宽×长) 800 mm×1 500 mm
最大加工高度
500 mm
最大通过宽度
1 100 mm
工作台进给速度
0.01~30 m/min
砂轮尺寸 (外径×宽) Φ510 mm×100 mm
砂轮转速
1 000~4 000 r/min
砂轮最小进刀量
0.2 μm
在高精度加工的范畴内, 根据精度水平的不 同, 分为 3 个档次:
2
Oct. 2010
第27卷 第10期 Vol.27 No.10
精 度 为 0.3~3 μm, 粗 糙 度 为 0.03~0.3 μm 的 为 精密加工;
精 度 为 0.03~0.3 μm, 粗 糙 度 为 0.005~0.03 μm 的称作超精密加工, 或亚微米加工;
年度 2000 2003 2006 2007
表1 我国机床进出口情况 (亿 美元)
产值 21.97 23.80 64.00 111.9
出口 2.99 3.80 11.90 16.50
进口 18.90 41.60 72.40 70.70
消费 37.88 67.00 131.10 166.10
由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机 床设备和仪器, 而这些精密设备仪器正是国防和尖 端技术发展所迫切需要的, 因此, 我们必须投入必 要的人力物力, 自主发展精密和超精密加工机床, 使我国的国防和科技发展不会受制于人。
磨头0 mm/min
磨头的横向进给速度 1~4 000 mm/min
砂轮轴驱动电机
11 kW (4P)
机床尺寸 (宽×长×高) 约3 600 mm×5 800 mm×3 700 mm
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超精密运动台激光测量模型及误差补偿算法滕 伟周云飞穆海华杨亮亮华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,武汉,430074摘要:分析激光测量中阿贝误差与余弦误差产生的原因,分两种情况讨论阿贝误差与余弦误差对测量光程的影响:一是忽略激光干涉仪加工误差与安装误差的理想模型;二是考虑干涉仪加工误差与安装误差的非理想模型㊂计算两种情况下测量光束的光程长度,建立x ㊁y 方向直线测量位置不受运动台倾斜或旋转影响的测量模型,进而推导出运动台五自由度激光测量算法㊂实例证明该算法能有效地进行阿贝误差与余弦误差补偿,满足超精密运动的要求㊂该算法已成功应用于半导体加工设备中㊂关键词:激光测量;阿贝误差;余弦误差;误差补偿中图分类号:T P 391 文章编号:1004 132X (2009)12 1492 06A nA l go r i t h mo nL a s e rM e a s u r e m e n tM o d e l o f U l t r a -p r e c i s i o n M o t i o nS t a g e a n dE r r o rC o m p e n s a t i o n T e n g W e i Z h o uY u n f e i M uH a i h u a Y a n g L i a n g l i a n gN a t i o n a lN u m e r i c a l C o n t r o l S y s t e m E n g i n e e r i n g &T e c h n o l o g y Re s e a r c hC e n t e r ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n dT e c h n o l og y,W u h a n ,430074A b s t r a c t :T h e r e a s o n so fA b b ee r r o r a n dc o s i n ee r r o rw e r ea n a l yz e d i n l a s e rm e a s u r e m e n t .T h e n t h e e f f e c t o fA b b e e r r o r a n d c o s i n e e r r o r o nm e a s u r e m e n t o p t i c a l pa t hw a s d i s c u s s e d a s t w o i n s t a n c e s :a n i d e a lm o d e l o f i n t e r f e r o m e t e rw i t h o u t r o t a t i o n&t i l t a n d a n o n -i d e a lm o d e l o f i n t e r f e r o m e t e rw i t ht h e m.T h e o p t i c a l p a t hw a s c a l c u l a t e d s e p a r a t e l y .N e x t ,am o d e l w h o s e x -y tr a n s l a t i o n v a l u ew i l l n o t b e a f f e c t e db y t h e t i l t &r o t a t i o no fm o t i o ns t a g ea n da5-D O Fl a s e rm e a s u r e m e n t a l go r i t h m w e r e c o n c l u d e d .F i n a l l y ,e x p e r i m e n t a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h e e f f e c t i v e n e s s a n d r e l i a b i l i t y o f t h e p r o po s e d a l g o r i t h m.T h e p r e s e n t e da l g o r i t h mh a sb e e na p p l i e d i ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t s u c -c e s s f u l l y.K e y wo r d s :l a s e rm e a s u r e m e n t ;A b b e e r r o r ;c o s i n e e r r o r ;e r r o r c o m p e n s a t i o n 收稿日期:2008 09 05基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775088)0 引言超精密运动平台已广泛应用于各种高精度加工系统中㊂高精度的位置测量系统是实现精密运动控制的关键㊂双频激光干涉仪因其具有测量精度高㊁行程长等优点而被广泛采用㊂文献[1]开发的激光测量运动台平动精度可达25n m ,行程为120m m ,文献[2]研究的六自由度激光测量平台具有5n m 的控制精度㊂双频激光干涉仪是一种增量式的测长仪器,它将由多普勒频移效应所产生的频率不同的两束光转换为测量位置[3]㊂测量过程中的各种误差会影响最终的测量精度,主要包括激光干涉仪固有的系统误差[4]㊁安装与运动过程中的阿贝误差与余弦误差[5]㊁测量环境变化所致的环境误差[6]及电气传输㊁离散数据处理所产生的延迟误差[7]等㊂其中,系统误差㊁环境误差与延迟误差等主要受硬件与环境条件影响,这里不详述㊂干涉仪固有的机械加工误差与安装误差,以及运动台在工作过程中的倾斜或旋转运动导致测量光程发生变化而产生的阿贝误差与余弦误差会引起x ㊁y 方向不应有的测量位置波动从而影响定位精度,难以满足超精密运动的控制要求,因此必须在测量模型算法中对该类误差予以补偿㊂本文建立一个运动台五自由度激光测量模型,对产生阿贝误差与余弦误差的各种因素进行分析㊂1 激光测量原理及模型参数定义1.1 激光测量原理如图1所示,运动台采用六轴双频激光干涉仪作为测量系统,激光头发出一束频差为3MH z的偏振方向相互垂直的双频激光,经分光镜分成两束,一束参与目标位移测量,另一束经光电转换后为测量提供基准信号㊂参与目标位移测量的频率分别为f A 和f B 的双频激光在干涉仪内被1/4波片分开,f B 频率的激光作为参考信号,f A 频率的激光作为测量信号,并经过测量对象折回㊂当测量对象运动时,由于多普勒效应,f A 变成f A ±Δf ,此信号在干涉仪内与参考信号f B 相干涉得到频率为f B -(f A ±Δf )的干涉测量信号,该信号和基准信号被输入到激光计数卡进行计算得到运动台的位移㊂㊃2941㊃图1 双频激光干涉测量组成图1中,运动台x ㊁y 向各采用三轴激光测量x ㊁y ㊁R z x ㊁R z y ㊁R x 和R y 五个自由度,其中R z x 与R z y 为R z 向的冗余测量,只代表一个自由度㊂干涉仪内部存在角棱镜,用于折射从反射镜面返回的测量光束,每轴激光测量包括4束测量光束,以减小测量的偶然性,提高测量精度㊂1.2 坐标系定义为方便后续论述,现引入4个基本概念(图2):焦点为加工作用点;最佳平面为焦点所在的水平面;干涉仪交点为激光轴X 1㊁X 3之中线与Y 1㊁Y 3之中线在最佳平面的交点;干涉仪检波面为干涉仪出射或接受光束的外表面㊂图2 运动台测量模型运动台坐标系的原点附着在运动台的上表面中心位置,随运动台一起运动,坐标系方向如图2右上角所示㊂工作中激光干涉仪固定不动,运动台实时调整姿态(旋转或倾斜)以满足工作要求,为保证焦点始终处于最佳工作位置,运动台的旋转或倾斜需绕焦点进行㊂运动过程中焦点与坐标原点产生相对位移,此位移即为激光测量所定义的运动台坐标位置㊂1.3 参数定义运动台激光测量模型基本参数定义如下:a x 1为干涉仪测量轴X 1与最佳平面在z 向的距离;a x 2为干涉仪测量轴X 3与最佳平面在z 向的距离;a x 为干涉仪测量轴X 1/X 3与最佳平面在z 向的平均距离,a x =(a x 1+a x 2)/2;d a x 为干涉仪测量轴X 1/X 3与最佳平面在z 向的距离之差的一半,d a x =(a x 1-a x 2)/2;b x 为干涉仪测量轴X 2/X 1㊁X 2/X 3在z 向的平均距离;d x 为干涉仪测量轴X 2与激光干涉仪交点在y 向的距离;a y 1为干涉仪测量轴Y 1与最佳平面在z 向的距离;a y 2为干涉仪测量轴Y 3与最佳平面在z 向的距离;a y 为干涉仪测量轴Y 1/Y 3与最佳平面在z 向的平均距离,a y =(a y 1+a y 2)/2;d a y 为干涉仪测量轴Y1/Y 3与最佳平面在z 向的距离之差的一半,d a y =(a y 1-a y 2)/2;b y 为干涉仪测量轴Y2/Y 1㊁Y 2/Y 3在z 向的平均距离;d y 为干涉仪测量轴Y2与激光干涉仪交点在x 向的距离;c x 为干涉仪测量轴X 1与X 3在y 向距离的1/4;c y 为干涉仪测量轴Y 1与Y 3在x 向的距离的1/4;d e e 为干涉仪交点与焦点在y 向的距离;K 为干涉仪x 向检波面与焦点在x 向的平均距离;L 为干涉仪y 向检波面与焦点在y 向的平均距离;k 为运动台x 向的尺寸;l 为运动台y向的尺寸;R X y 0为干涉仪x 向测量轴绕坐标y 轴的倾斜误差角;R Y x 0为干涉仪y 向测量轴绕坐标x 轴的倾斜误差角;R X z 0为干涉仪x 向测量轴绕坐标z 轴的旋转误差角;R Y z 0为干涉仪y 向测量轴绕坐标z 轴的旋转误差角㊂2 激光测量误差分析入射光束及反射镜面的旋转或倾斜会对测量光程的长度产生影响,须对激光测量模型中可能出现的各种光程变化进行分析㊂2.1 阿贝误差如图3a 所示,入射光束与镜面的交点为B 点,当镜面绕A 点倾斜或旋转α时,入射光束的光程将发生改变,如图3a 中B C 段所示㊂因α很小,光程变化近似为L a r m α,其中L a r m 为阿贝臂长度㊂由此产生的测量误差称为 阿贝误差”㊂2.2 余弦误差如图3b 所示,当垂直于镜面的入射光旋转一个角度α时,入射光束的光程将增大为p 2=p 1/c o s α,因α很小,p 2≈p 1(1+1/(2α2)),其中,p1为入射光束在没有旋转情况下的光程㊂入射光束的旋转或倾斜会引起光程改变,如图3b 中D E 段所示,由此导致的测量误差称为余弦误差㊂3 测量模型建立与误差补偿阿贝误差与余弦误差存在于激光测量模型的许多方面㊂现将测量模型分两种情况进行讨论:①忽略激光干涉仪所存在的加工误差与安装误差,计算运动台倾斜或旋转时光程的变化,此时建立㊃3941㊃(a)阿贝误差(b)余弦误差图3 阿贝误差与余弦误差的测量模型称为理想模型;②考虑激光干涉仪的加工误差与安装误差,其测量入射光束与镜面并非严格垂直,即入射光束相对于理想入射光束存在旋转角R X z 0或倾斜角R X y0,此时计算运动台倾斜或旋转时光程的变化称为非理想的测量模型㊂3.1 理想模型x 向与y 向测量误差补偿模型推导过程基本相同,本文仅给出x 向测量模型的推导过程㊂3.1.1 运动台倾斜时光程计算运动台倾斜时,设运动台坐标系下的坐标位置为(x ,y ),倾斜角度为R y ㊂如图4所示,须分别计算实际平面与参考平面之间㊁参考平面与干涉仪检波面之间的光束光程㊂图4 运动台倾斜时测量光路示意图(1)运动台倾斜R y 时的阿贝臂长度㊂对于测量轴X 1,光束1与光束2的阿贝臂长度L a r m 为a x +d a x ,光束3与光束4的L a r m 为a x +d a x -4(K -0.5k +x )R y ㊂同理,测量轴X 3的光束1'与光束2'的L a r m 为a x -d a x ,光束3'与光束4'的L a r m 为a x -d a x -4(K -0.5k +x )R y ㊂测量轴X 2的光束1″与光束2″的L a r m 为a x -d a x +b x ,光束3″与光束4″的L a r m 为a x +d a x +b x -4(K -0.5k +x )R y ㊂(2)运动台倾斜R x 后再倾斜R y 时阿贝臂长度变化㊂如图5所示,由于运动台绕x 轴的倾斜及激光干涉仪交点与焦点不重合,导致激光干涉仪的x 向测量光束在运动台绕y 轴倾斜时的阿贝臂长度发生变化㊂对于测量轴X 1,其光束1与2的图5 运动台绕x 轴倾斜对阿贝臂长度的影响L a r m 为a x +d a x +(c x -d e e )R x ,光束3与4的L a r m 为a x +d a x +(3c x -d e e )R x -4(K -0.5k +x )R y ㊂同理,对于测量轴X 3,其光束1'与2'的L a r m 为a x -d a x -(-c x -d e e )R x ,光束3'与光束4'的L a r m 为a x -d a x -4(K -0.5k +x )R y -(-3c x -d e e )R x ㊂对于测量轴X 2,其光束1″与光束2″的L a r m =a x -d a x +b x +(-c x +d x -d e e )R x ,光束3″与光束4″的L a r m 为a x +d a x +b x -4(K -0.5k +x )R y +(c x +d x -d e e )R x ㊂(3)平均阿贝误差㊂由上述分析可知,测量轴X 1㊁X 3㊁X 2的平均阿贝误差分别为e a r m 1=[a x +d a x +(2c x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y(1)e a r m 3=[a x -d a x +(-2c x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y(2)e a r m 2=[a x +b x +(d x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y (3)(4)余弦误差㊂由于运动台绕焦点倾斜,从而引入一个余弦误差,如图4中的A B 所示,其大小为e c o s =(0.5k -x )[1/c o s R y -1]≈0.5R 2y (0.5k -x )(4)(5)实际平面与参考平面之间光束光程㊂测量轴X 1㊁X 3㊁X 2在此区域每轴的光程分别为D i 1=[a x +d a x +(2c x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y -0.5R 2y (0.5k -x )(5)D i 3=[a x -d a x +(-2c x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y -0.5R 2y (0.5k -x )(6)D i 2=[a x +b x +(d x -d e e )R x -2(K -0.5k +x )R y ]R y -0.5R 2y (0.5k -x )(7)(6)参考平面与干涉仪检波面之间光束的光程㊂如图4所示,运动台倾斜后,光束随之发生倾斜并产生余弦误差,导致该区域光程变化㊂对于测量轴X 1,光束1与光束4没有余弦误差,光束2与光束3的余弦误差为e c o s 2,3=2(K -0.5k +x )R 2y(8)将式(8)中的余弦误差由每束光平均承担,则对于测量轴X 1,相当于该区域内每束光的平均光程为㊃4941㊃D i a =(K -0.5k +x )(1+R 2y )(9)测量轴X 2与测量轴X 3在该区域内的每束光的平均光程与测量轴X 1每束光的平均光程相等㊂3.1.2 运动台旋转时光程计算设运动台旋转角度为R z ㊂如图6所示,分别计算实际平面与参考平面之间㊁参考平面与干涉仪检波面之间的光束光程㊂图6 运动台旋转时测量光路示意图(1)运动台旋转R z 时的阿贝臂长度㊂对于测量轴X 1,光束1与光束2的阿贝臂长度L a r m 为c x -de e ,光束3与光束4的L a r m 为3c x -d e e -4R z (K -0.5k +x )㊂对于测量轴X 3,光束1'与光束2'的L a r m 为-c x -d e e ,光束3'与光束4'的L a r m为-3c x -d e e -4R z (K -0.5k +x )㊂对于测量轴X 2,光束1″与光束2″的L a r m 为-c x +d x -d e e ,光束3″与光束4″的L a r m 为c x +d x -d e e -4R z (K -0.5k +x )㊂(2)运动台倾斜R x 后再旋转R z 时的阿贝臂长度变化同运动台倾斜时的情况类似,如图5所示㊂(3)平均阿贝误差㊂运动台旋转时测量轴X 1㊁X 3㊁X 2的平均阿贝误差与运动台倾斜时的阿贝误差计算方法类似㊂(4)余弦误差㊂由于运动台绕焦点旋转,从而引入一个余弦误差e c o s ,如图6的A B 所示,其大小为0.5R 2z(0.5k -x )㊂(5)实际平面与参考平面之间光束光程㊂测量轴X 1㊁X 3㊁X 2在此区域每轴的光程计算与运动台倾斜时情况类似㊂(6)参考平面与干涉仪检波面之间光束的光程㊂同运动台倾斜时的情况一样,该区域内光束的平均光程D r a =(K -0.5k +x )(1+R 2z )㊂3.2 非理想模型计算非理想模型时,测量光束发生旋转与倾斜时光程的变化效果相似,现结合理想模型的光程计算,仅以测量轴X 1的旋转为例推导光程变化㊂(1)实际平面与参考平面之间光束光程㊂如图7所示,测量光束的旋转等同于干涉仪检波面发生旋转㊂对于测量轴X 1,光束1与光束2的阿贝臂长度L a r m 为c x -d e e -(a x +d a x )R x -(K -0.5k +x )R X z 0㊂光束3与光束4的L a r m 为3c x -d e e -(a x +d a x )R x -(K -0.5k +x )(4R z -4R X z 0)-(K -0.5k +x )R X z 0㊂图7 激光干涉仪光束旋转情况下光路示意图由于运动台绕焦点旋转引入余弦误差,故在参考平面与实际平面之间测量轴X 1的平均光程为D n a =[2c x -d e e -(a x +d a x )R x -(K -0.5k +x )(2R z -R X z 0)]R z -0.5R 2z (0.5k -x )(10)(2)参考平面与干涉仪实际检波面之间光束光程㊂测量轴X 1中光束1加上余弦误差时的光程为D n 11=(K -0.5k +x )(1+0.5R 2X z 0)+c x R X z 0(11)光束2加上余弦误差时的光程为D n 12=[(K -0.5k +x )(1+0.5R 2X z 0)+c x R X z 0]㊃[1+0.5(2R z -2R X z 0)2]=(K -0.5k +x )[1+0.5R 2X z 0+0.5(2R z -2R X z 0)2]+c x R X z 0(12)光束3加上余弦误差时的光程为D n 13=(K -0.5k +x )(1+0.5R 2X z 0)-[c x -2(K -0.5k +x )(2R z -2R X z 0)]R X z 0[1+0.5(2R z -2R X z 0)2]=(K -0.5k +x )[1+0.5R 2X z 0+0.5(2R z -㊃5941㊃2R X z 0)2]-c x R X z 0+2(K -0.5k +x )(2R z -2R X z 0)R X z 0(13)光束4加上余弦误差时的光程为D n 14=(K -0.5k +x )(1+0.5R 2X z 0)-[c x -2(K -0.5k +x )(2R z -2R X z 0)]R X z 0(14)由式(11)~式(14)可知,对于测量轴X 1,在参考平面与干涉仪实际检波面之间光束的平均光程为D n 1a =(K -0.5k +x )(1-0.5R 2X z 0+R 2z )(15)测量轴X 3㊁X 2在该区域的平均光程与X 1轴相同㊂(3)平均光程㊂当运动台旋转时,测量光束同时存在旋转时,测量轴X 1㊁X 3㊁X 2的平均光程分别为D n 1=[2c x -d e e -(a x +d a x )R x -(K -0.5k +x )(2R z -R X z 0)]R z -0.5R 2z (0.5k -x )+(K -0.5k +x )(1-0.5R 2X z 0+R 2z )(16)D n 3=[-2c x -d e e -(a x -d a x )R x -(K -0.5k +x )(2R z -R X z 0)]R z -0.5R 2z (0.5k -x )+(K -0.5k +x )(1-0.5R 2X z 0+R 2z )(17)D n 2=[d x -d e e -(a x +b x )R x -2(K -0.5k +x )(2R z -R X z 0)]R z -0.5R 2z (0.5k -x )+(K -0.5k +x )(1-0.5R 2X z 0+R 2z )(18)当运动台倾斜时,干涉仪测量光束同时存在倾斜时的情况与运动台旋转时干涉仪测量光束同时存在旋转的情况类似㊂3.3 激光测量综合模型综合运动台激光测量的理想模型与非理想模型,可推导出运动台激光测量综合模型㊂(1)平动总光程㊂设测量轴X 1㊁X 3㊁X 2的测量光束的平均光程分别为D 1㊁D 3㊁D 2,可表示为D 1=(K -0.5k +x )[1-0.5(R z -R X z 0)2-0.5(R y -R X y 0)2]-0.5K (R 2z +R 2y )+(2c x -d e e )(R z +R x R y )+(a x +d a x )(R y -Rx R z )(19)D 3=(K -0.5k +x )[1-0.5(R z -R X z 0)2-0.5(R y -R X y 0)2]-0.5K (R 2z +R 2y )+(-2c x -d e e )(R z +R x R y )+(a x -d a x )(R y -Rx R z )(20)D 2=(K -0.5k +x )[1-0.5(R z -R X z 0)2-0.5(R y -R X y 0)2]-0.5K (R 2z +R 2y )+(d x -d e e )(R z +R x R y )+(a x +b x )(R y -Rx R z )(21)设平动总光程为X a ,计算如下:X a =D 1w (x )1+D 3w (x )3+D 2w (x)2(22)其中,w (x )1㊁w (x )3㊁w (x )2为权重因子,表示测量光程D 1㊁D 3㊁D 2在计算平动总光程中的权重㊂w (x )1㊁w(x )3㊁w (x )2由下式决定:1112c x -d e e -2c x -d e e d x -d e e-(a x +d a x )-(a x -d a x )-(a x +b x éëêêêùûúúú)㊃w (x )1w (x )3w (x )éëêêêùûúúú2=éëêêêùûúúú100(23)利用此算式可以将x 向测量光程归算到焦点所在水平面与垂直面上,直接测量焦点的坐标位置㊂由式(19)~式(23)可得平动总光程为X a =(K -0.5k +x )[1-0.5(R z -R X z 0)2-0.5(R y -R X y 0)2]-0.5K (R 2z +R 2y )(24)(2)旋转总光程㊂设测量轴X 1㊁X 3㊁X 2用来测量运动台旋转总光程为R z x a ,可表示为R Z x a =D 1w (R Z x )1+D 3w (R Z x )3+D 2w (RZ x )2(25)其中,w (R Z x )1㊁w (R Z x )3㊁w (R Z x )2为光束计算旋转时的权重因子,表示测量光程D 1㊁D 3㊁D 2在计算R Z x a 时的权重㊂w (R Z x )1㊁w (R Z x )3㊁w (R Z x )2由下式决定:1112c x -d e e -2c x -d e e d x -d e e-(a x +d a x )-(a x -d a x )-(a x +b x éëêêêùûúúú)㊃w (R Z x )1w (R Z x )3w (R Zx )éëêêêêùûúúúú2=éëêêêùûúúú010(26)上式表明,x 向激光测量的旋转角度R Z x 完全取决于三轴光束在镜面上y 向的测量点位置,由式(19)~式(21)和式(25)~式(26)可得R Z x a =R Z x +R xR y (27)(3)倾斜总光程㊂设干涉仪测量轴X 1㊁X 3㊁X 2在测量运动台绕y 轴倾斜时的总光程为R y a ,表示为R ya =D 2-0.5(D 1+D 3)b x =d xb x(R z +R x R y )+(R y -R x R z )(28)忽略高阶项,可得R ya =d xb xR z +R y (29)(4)综合模型㊂对于运动台y 向测量模型,其推导过程与x 向一致,在此不再进行详细推导㊂综合运动台倾斜或旋转㊁测量光束倾斜或旋转情况下的所有因素,可得运动台五自由度坐标位置如下:x =X a [1+0.5(R z -R X z 0)2+0.5(R y -R X y0)2]+0.5K (R 2z +R 2y )-K +0.5k (30)-y =Y a [1+0.5(R z -R Y z 0)2+0.5(R x -R Y x 0)2]+0.5L (R 2z +R 2x )-L +0.5l (31)R Z x =R Z x a -R x R y R Z y =R Z y a -R x R y R y =R ya -d xb x R z R x =R x a -d yb yR z 4 实例图8所示为超精密运动定位系统试验平台㊂㊃6941㊃运动台采用平面电机与直线电机的粗微复合结构实现大行程㊁五自由度运动,由双频六轴激光干涉仪进行运动台位置检测,以构成闭环反馈控制㊂图8 测量平台结合P I D 闭环反馈与加速度前馈控制策略,采用本文所提出的测量系统误差补偿模型进行实际位置的五自由度测量,可获得约10n m 的定位控制精度,较模型误差补偿前精度有明显改善,实际结果如图9所示㊂(a)补偿前(b)采用本文的模型算法图9 超精密运动台x 向位置误差5 结论给出了一种五自由度激光测量模型算法,该算法充分考虑运动台与干涉仪旋转或倾斜所产生的阿贝误差与余弦误差对测量光程的影响,能保证运动台在倾斜与旋转时,平动测量位置不受影响,具有精度高㊁测量行程长等优点,已成功应用于具有纳米级加工精度的半导体加工设备研发中,取得了很好的效果㊂参考文献:[1] L i uC H ,J y w eW Y ,H s uCC ,e t a l .D e v e l o pm e n t o f aL a s e r -b a s e d H i g h-p r e c i s i o nS i x-d e g r e e s -o f -f r e e d o m M o t i o n E r r o r s M e a s u r i n g S ys t e m f o r L i n e a rS t a g e [J ].R e v i e w o fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t s ,2005,76(5):055110‐1‐6.[2] Z h a n g ZP ,M e n q C H.L a s e r I n t e r f e r o m e t r i c S ys t e m f o rS i x-a x i s M o t i o n M e a s u r e m e n t [J ].R e v i e w o fS c i e n t i f i c I n s t r u m e n t s ,2007,78(8):083107‐1‐8.[3] 高赛,殷纯永.高测速双频激光干涉仪[J ].光学技术,2001,27(3):238‐240.[4] 张虎,周云飞,唐小琦,等.基于激光干涉仪的数控机床运动误差识别与补偿[J ].中国机械工程,2002,13(21):1838‐1841.[5] 汪建新,张国雄.超精密车床激光测量误差补偿系统的研制[J ].天津大学学报,1999,32(1):65‐68.[6] 闫聚群,吴健,高赛,等.高测速双频激光干涉仪及其性能检测[J ].计量学报,2005,26(1):5‐7.[7] 黄战华,蔡怀宇,李贺桥,等.三角法激光测量系统的误差分析及消除方法[J ].光电工程,2002,29(3):58‐61.(编辑 苏卫国)作者简介:滕 伟,男,1981年生㊂华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心博士研究生㊂研究方向为微电子装备超精密运动控制技术㊂周云飞,男,1956年生㊂华中科技大学机械科学与工程学院教授㊁博士研究生导师㊂穆海华,男,1976年生㊂华中科技大学机械科学与工程学院博士后研究人员㊂杨亮亮,男,1979年生㊂华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心博士研究生㊂第八届全国表面工程学术会议暨第三届表面工程青年学术论坛征文通知 会议拟于2010年4月25~27日在北京召开㊂会议主题为: 表面工程的发展与开拓创新”㊂征文内容:(1)表面工程的历史回顾与展望;(2)表面与界面科学;(3)再制造工程的理论与技术;(4)表面工程的失效分析㊁寿命评估及检测技术;(5)热喷涂表面工程技术;(6)电化学及微弧氧化表面工程技术;(7)物理气相沉积和化学气相沉积技术;(8)三束表面改性㊁化学热处理技术;(9)微纳米薄膜与分子薄膜技术;(10)自动化表面工程技术;(11)涂装㊁涂饰与防护技术;(12)表面涂层的摩擦㊁磨损与润滑;(13)表面涂层的防腐机理与应用;(14)表面工程的模拟与仿真技术;(15)表面技术的典型工程应用;(16)其他表面工程相关研究㊂论文要求:(1)未在国内外公开刊物上发表;(2)突出主题,内容新颖,理论性及实用性强;(3)文字简练,数据完整,论文全文不超过6000字,文前附中英文标题㊁摘要及关键词㊂大会组委会秘书处:装备再制造技术国防科技重点实验室 邮编100072;联系人:刘燕㊁曲美霞010-********,138********,135********,王海斗㊁魏世丞010-********,136********,131********;传真:010-********;投稿邮箱:t r i b o l o g y@263.n e t (表面工程分会)㊃7941㊃。