基于相位跟踪反馈机理的超精密定位系统研究

摘要

随着精密加工、半导体器件制造业、集成制造产业及生物工程等研究领域的不断发展，精度定位技术得到了快速的发展，其精度水平已经由微米量级过渡到纳米量级。传统定位系统采用检测——控制——驱动——执行的系统架构，通过对各个单元模块技术的不断完善来提升系统定位精度，目前由于受到工作原理和加工水平等因素的限制，单元模块精度提升速度减缓（各单元模块的性能已接近当前工艺水平的极限），研究进入了相对平台期。
　　本文从定位系统的结构入手，提出了一种基于相位跟踪反馈机理的超精密定位新方法，将双频激光干涉过程中拍频信号相位差直接转换为位移驱动信号，简少了传统定位系统中相位差转换为测量位移输出的环节，从原理层面减少了影响定位系统输出精度的误差源，从而提升定位系统的精度、稳定性等指标。
　　本文就相位跟踪反馈机理的超精密定位系统所涉及的理论、方法、误差源和关键技术进行了深入、系统的研究，主要研究工作如下:
　　利用外差式双频激光干涉仪中参考信号与测量信号的相位跟踪锁定单元取代传统定位系统中干涉仪位移监测单元，将测量与参考信号的相位差取代干涉仪测量位移数据作为驱动发生单元输入控制信号，证明了利用基于相位反馈机理的双频激光干涉拍频信号实现超精密定位的原理可行性。根据纳米级精度的定位要求，设计了包括激光干涉系统、相位跟踪控制单元、驱动单元和微位移台等单元的超精密定位系统。
　　根据相位跟踪控制的原理及其技术需求，设计并研制出包含高频信号发生与移相模块、高频鉴相模块和双极性驱动模块的定位系统控制单元，就其工作原理进行了分析，阐述了各模块的电路组成与功能实现过程，分析输出信号并讨论影响电路精度的主要因素。通过产生640MHz的高频信号和分频移相方法，产生具有固定相位差的两路高精度20MHz信号，保证相位跟踪与定位驱动的准确性;设计了高精度、低纹波、双极性的压电陶瓷驱动电源，通过采用RC滞后补偿的方法消除自激振荡带来的不稳定性，改进了传统的驱动电压预置方法，提升定位系统位移双向驱动便利性。
　　结合纳米级定位的需求，对微位移台的机械结构、驱动方法进行了阐述。系统分析了典型柔性铰链特征参数与输出转角刚度的对应变化规律，给出了直圆型、椭圆型、双曲线型和抛物线型函数切口柔性铰链输出特性;对定位系统的微位移台结构进行了设计，分析微位移台的刚度、最大应力、固有频率等特性;运用ANSYS软件对柔性铰链、平行四连杆结构参数进行优化，通过参数调整完成对微位移台设计指标的快速实现。
　　深入分析了相位跟踪反馈定位系统工作过程中影响最终定位精度的各项误差源，主要就电路单元、机械单元、仪器设备单元的系统误差，以及环境误差、温度误差、电磁干扰误差等随机误差所产生的影响进行研究，对各项误差影响进行量化分析，明确其变化规律，并通过补偿和抑制手段对其实施针对性的消除或削弱，以期达到提升最终定位精度的目的。另外，为实现实际工程应用中低成本、高效率的提升定位系统的整体精度，本文从定位系统整体精度出发，给出了在先验数据支持下的一种综合式二元函数插值定位补偿方法，在保证定位精度的前提下减小了补偿运算量。
　　最后，本文就定位系统主要组成部分和整体进行实验研究;对电路单元进行了相位发生与鉴相精度实验、双极性驱动电源输出特性测试实验;对定位系统输出进行了分辨力、稳定性、重复性性能测试实验;对整个定位系统进行了包含电路单元、机械单元、仪器设备、环境因素在内的所有误差因素的不确定度进行了合成，结果显示，定位系统在52μm行程范围内的定位不确定度为11.7nm。
　　本文探索一种无传统意义上位移监测单元、基于相位跟踪锁定的纳米精度定位新方法，并对基于新方法的超精密定位系统特性、微位移台设计及系统误差补偿进行深入研究，为纳米级超精密定位系统的进一步发展提供了新方法。研究成果在理论和工程上补充和完善了精密驱动、多参数误差补偿等研究领域的技术方法，在超精密集成制造、纳米科技等领域有着广阔的应用前景。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 研究背景与意义

第二节 研究的现状与趋势

1．2．1 超精密定位系统组成单元与分类

1．2．2 超精密定位系统的现状

1．2．3 超精密定位系统的发展趋势

第三节 主要研究内容

第二章 相位跟踪反馈定位系统及工作原理

第一节 相位跟踪反馈定位系统工作原理

2．1．1 传统定位系统工作流程

2．1．2 相位跟踪反馈定位系统结构

第二节 激光干涉测长原理与应用

2．2．1 双频激光干涉原理

2．2．2 激光干涉在传统定位系统中的应用

第三节 相位跟踪反馈定位系统设计

2．3．1 相位跟踪反馈定位系统结构

2．3．2 干涉系统的光路设计

2．3．3 高频信号发生及移相

2．3．4 驱动单元和微位移台

小结

第三章 超精密定位系统电路单元设计与实现

第一节 超精密定位系统控制单元组成

第二节 高频信号发生与移相电路

3．2．1 电路工作原理

3．2．2 高频信号发生与移相电路实现

第三节 高频鉴相电路

3．3．1 电路工作原理

3．3．2 高频鉴相单元电路实现

第四节 双极性位移驱动电路

3．4．1 电路工作原理

3．4．2 双极性位移驱动电路实现

小结

第四章 微位移台的设计与优化方法

第一节 超精密定位系统的位移发生单元

4．1．1 位移发生单元设计要求

4．1．2 柔性铰链的分类

第二节 柔性铰链的结构与特性分析

4．2．1 直圆型柔性铰链特性分析

4．2．2 其他典型柔性铰链特性分析

第三节 微位移台的设计与优化

4．3．1 微位移台结构与设计

4．3．2 微位移台的验证与优化

小结

第五章 超精密定位系统误差分析与补偿

第一节 误差源分析与补偿方法

5．1．1 误差源的分类

5．1．2 误差补偿方法

第二节 超精密定位系统的系统误差分析与补偿

5．2．1 电路单元误差与补偿

5．2．2 微位移发生单元误差与补偿

5．2．3 微位移监测单元误差与补偿

第三节 定位系统的随机误差分析与补偿

5．3．1 环境振动误差与抑制

5．3．2 环境温度误差与补偿

5．3．3 电磁干扰误差分析

第四节 定位系统的几何误差与补偿方法

5．4．1 定位平台的几何误差分析

5．4．2 二维平台齐次坐标转换

5．4．3 二元函数插值补偿方法

小结

第六章 实验与数据分析

第一节 电路单元性能实验

6．1．1 相位发生—鉴相电路精度实验

6．1．2 驱动电源精度实验

第二节 超精密定位系统实验

6．2．1 分辨力实验

6．2．2 重复性实验

6．2．3 稳定性实验

6．2．4 静态锁定实验

6．2．5 步进定位实验

第三节 数据分析与定位误差合成

6．3．1 电路单元引起的定位不确定度

6．3．2 位移发生单元引起的定位不确定度

6．3．3 激光干涉测长的不确定度

6．3．4 环境参数引起的定位不确定度

6．3．5 定位系统不确定度合成

第七章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读博士期间的论文和成果