精密平面定位技术.pdf

第35卷第3期2005年5月东南大学学报(自 然 科 学 版)JOURNAL OF SOUTHEAST UN IVERSITY(Natural Science Edition)V ol135N o13M ay2005精密平面定位技术张金龙1,2余玲玲1内田敬久3刘京南1(1东南大学自动控制系,南京210096)(2南京师范大学电气与自动化工程学院,南京210042)(3爱知工业大学智能机械工学科,日本丰田市47020392)摘要:针对精密平面定位影响因素多、控制复杂及定位困难等问题,提出了一种新的精密平面定位方法,该方法采用激光莫尔技术,以上下2组100m的衍射光栅作为定位标记,通过微机闭环控制,可实现X2Y2 三自由度的全自动精密平面定位.2组光栅相位相差180,构成差动光栅技术,可有效提高位置检测信号灵敏度及定位精度.系统在软、硬件方面采取的一系列抗干扰措施,确保了较高的定位精度及工作可靠性.实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密定位装置可获得亚微米级的平面定位精度,对精密加工工程等领域具有重要的实用价值.关键词:平面定位;莫尔信号;差动技术;微机控制中图分类号:TP274+.5 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2005)0320456204Research on precision plane positioni ngZhang Jinlong1,2Yu L ingling1Yoshihisa U chida3L iu Jingnan1(1Department of Automatic Control Engineering,Southeast University,Nanjing210096,China)(2College of Electrical and Automatic Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing210042,China)(3Department of IntelligentM achinery Engineering,A ichi Institute of Technology,Toyoda47020392,Japan)Abstract:M oirtechnique is adopted and alignm ent m arks are used in the form of100m pitchgratings.Based on these,the autom atic precision plane alignm ent in X2Y2 can be achieved usingcomputer controlledM oirtechnique.Tw o sets of diffractive gratings w ith a phase difference of180form a differential grating and greatly improve the sensitivity of position signals and positioningprecision.A series of anti2interference step in the hardw are and soft w are of the device effectivelyimprove positioning accuracy and reliability of the device.The experim ental results show that theapparatus based on M oirsignal can achieve plane positioning accuracy of the order of sub2m icron.The m ethod is of high value for the advancem ent of precision m anufacturing technology.Key words:plane alignm ent;M oirsignals;differential technique;m icrocomputer control收稿日期:2004209229.基金项目:江苏省 高 等 学 校 自 然 科 学 研 究 计 划 资 助 项 目(04KJB510073).作者简介:张金龙(1965),男,博士生,副教授;刘京南(联系人),男,博士,教授,博士生导师,.精密定位技术是精密加工、半导体器件制造、电子产品组装线、生物工程及纳米技术等领域的关键性基础技术,是当今国际科技界的研究重点之一.日本、美国等工业发达国家均在加强该项技术的研究,国外已取得 4nm的直线定位精度17.与精密直线定位相比,精密平面定位具有更广阔的应用前景,但由于精密平面定位影响因素多、控制复杂,因而使得定位极其困难.本文在研究激光莫尔信号的基础上,提出了一种新的精密平面定位方法,该方法采用激光莫尔技术,以上下2组衍射光栅作为定位标记,通过微机闭环控制,可实现X2Y2 三自由度的全自动精密平面定位,取得了亚微米级的平面定位精度,对精密加工工程等领域具有重要的实用价值.1 精密定位原理111 激光莫尔传感器 激光莫尔传感器6,7组成如图1所示,2片衍射光栅平行设置,激光光束垂直入射光栅,由光栅的衍射形成透射的0次莫尔信号 t(x,G)0,透 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/射的0次莫尔信号强度随2片光栅间的相对位移呈周期性变化,其理论关系为8,9t(x,G)0=AtW2/2+x-W2/2+x1(x1,G)dx1(1)1(x1,G)=A1M/2l=-M/2W1/2-W1/2r-1/21+Grexp(-ikr)dx0(2)r=G2+(x0-x1+lP)21/2=G2+(x+lP)1/2(3)式中,k=2/为波数,为波长;P为光栅的光栅常数;G为两光栅间距;M为激光光束所覆盖的光栅条数;W1为第1片光栅的光栅缝隙宽度;W2为第2片光栅的光栅缝隙宽度;x为2片光栅之间的相对位移.图1激光莫尔传感器根据式(1)(3),通过检测0次莫尔光信号强度,确定2片光栅间的相对位移偏差 x,再由计算机控制实现精密定位.112差动式精密定位方法为确保定位的高精度,本系统采用差动光栅技术10,11,定位点的每一方向均设置2组光栅,2组光栅分别错开P/4和-P/4,当激光经过这2组光栅时,可获得相位相差180 的2个莫尔信号I1和I2,2个莫尔信号的差值(即差动莫尔信号)为Sd=I1-I2(4)取差动莫尔信号为定位控制信号.图2为实验测得的莫尔信号和差动莫尔信号,可以看出差动莫尔信号将反映位移变化的光强值有效地放大了1倍,特别是在定位点附近差动莫尔信号的变化率很陡,微小位移便会导致大的光强变化,极大地提高了位置检测信号的灵敏度.差动莫尔信号随2组光栅的相对位移呈周期性变化,在一个位移周期内,差动信号为零的点(即Sd=0)设置为定位点,此时位移偏差为零.定位控制范围为精密定位点两侧 P/2.在差动式定位系统中,由于差动法取得是2组图2 差动莫尔系统莫尔信号的交点(即差动信号为零的点)为精密定位点,而2组莫尔信号按相同的比例变化,因此即使激光源的光强变化,其精密定位点的位置也不会受到影响.图3为实验测得的结果,与理论分析相符.图3 定位点的变化此外,当系统受到噪声I干扰时,由于2组莫尔信号中含有同相的噪声成分,其噪声误差为 Sd=Sd-Sd=(I1+I)-(I2+I)-(I1-I2)=0(5)因此在差动莫尔信号中噪声得到最大程度的削弱,使控制信号具有良好的信噪比,有利于定位精度的提高.2 精密平面定位211 系统构成 精密平面定位装置如图4所示,装置由激光754第3期张金龙,等:精密平面定位技术 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/器、分光镜、定位台、光电二极管、信号处理电路、工业控制计算机、步进电机、机械驱动机构等组成.图4 精密平面定位装置因精密平面定位影响因素众多,控制复杂,需完成X2Y2 三自由度的控制,为此,本系统设置有粗动台和微动台,粗动台和微动台分别内嵌一块刻有光栅的玻璃,2块玻璃上部A点处各设置4组光栅,下部B点处设置2组光栅(见图4(b),光栅组122,324,526两两相对构成差动光栅结构,其中光栅组122,526检测2个平面上下对应点的水平位置偏差,光栅组324检测垂直位置偏差,由于上下两点的距离固定,因此垂直方向只需设置1组光栅.图中7路为不经光栅衍射的原始光,通过检测该束光的光强,可实时反映出激光源光强的变化,用于定位时的光强补偿;8路标记用于手工定位调节.精密定位控制时,粗动台固定,微动台由微机根据差动信号的大小和极性精密驱动.当2个平面的上下2点完全对准时,即实现了平面定位.212 平面定位控制精密平面定位控制按照逐点逼近法原则进行,首先根据微动台的初始位置(见图5(a)对A点进行水平方向的定位,即依据直线定位的控制策略1,6将A点驱动至定位目标点A的误差范围内(见图5(b).然后根据B点的位置关系发出相应的控制脉冲,使微动台旋转.当微动台旋转d角度,此时定位点A,B与目标点水平方向的位移偏差为xA=L2sin0-L2sin(0-d)(6)xB=(xA0-xB0)-L2sin0+L2sin(0-d)(7)由式(6)、(7)可见,随着旋转角度d 的增大,A点与目标点的位移偏差xA逐渐增大,而B点与目标点的位移偏差xB逐渐减小,当定位点A,B的位移偏差xA,xB同时处于设定的误差范围内,则完成水平方向A,B两点的同步定位.图5 平面定位过程另一方面,当随着微动台旋转,A点位移偏差xA超出设定的误差范围时,立即停止旋转.再重新对A点进行水平方向的定位,然后旋转微动台,这样经过若干次的反复调整,最终会使得定位点A,B的位移偏差xA,xB同时处于设定的误差范围内,从而完成水平方向A,B两点的同步定位.水平定位完成后,再进行垂直方向的定位.由于A,B两点垂直方向的距离固定,因此只需完成1点的垂直定位.此时A点垂直方向的位移偏差为yA=yA0+L2cos(0-d)-L2cos0(8)依据垂直方向直线定位的控制策略,驱动微动台作相应的运动,逐渐减小A点垂直方向的位移偏差,最终使A点进入定位误差范围内,从而完成垂直定位.当定位点A,B全部完成了水平、垂直方向的定位后,即实现了全平面定位.3 实验研究在研制的精密定位装置上,进行精密平面定位的实验研究.实验所用激光光源为半导体激光,波长=633nm,功率118mW,光栅的光栅常数P=100m,2片光栅间的间距G=1mm.微机的采样及控制循环时间设定为1s,微机每发出一个脉冲,对应步进电机旋转0103,驱动微动台移动012m.定位时,激光器发出的激光束经过分光镜2次分光被分成8束,垂直透过光栅副,产生透射的0次莫尔信号,由光电二极管转换为电信号,并经I/V转换、放大、滤波等处理后,输入工业控制计算机,工控机根据差动莫尔信号的大小和极性发出相应的驱动脉冲信号,使步进电机细分步驱动微动台运动,达到所要求的位置定位精度.图6示出了精密平面定位的实验结果,其中图6(a)为水平方向的定位曲线,曲线1和2分别为A点和B点的定854东南大学学报(自然科学版)第35卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/位曲线,初始时相对于目标点的位置偏差分别为28m和34m,其中A点具有定位优先权.由图6(a)可见,当A点水平方向定位完成以后,B点已越过其对应的定位目标点,偏离误差带,再进行旋转调整,经过约72s的定位时间以后,2点均进入了定位误差范围内,即实现A,B两点水平方向的同步定位.图6(b)为垂直方向的定位曲线,初始时A点离目标点垂直偏差15m,经过8s的时间进入误差范围内.图6中水平方向定位误差带为0175m,垂直方向定位误差带为 015m,则水平方向的定位精度为 0175m,垂直方向的定位精度为 015m.图6 精密平面定位实验结果4 结 语本文提出的基于激光莫尔信号的精密平面定位方法,以上下2组衍射光栅作为定位标记,通过微机闭环控制,可实现X2Y2 三自由度的全自动精密平面定位技术.采用的差动光栅技术有效地提高了位置检测信号灵敏度及定位精度.结果表明,基于激光莫尔信号的精密定位装置可获得亚微米级的平面定位精度.由于精密平面定位影响因素众多,控制复杂,在实际应用中如何进一步提高定位精度仍是今后需要进一步研究的课题.参考文献(References)1 Kanjilal A K,Narain R,Sharm a R,et al.Autom aticm ask alignm ent w 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