精密定位理論方法及應用技術的研究.pdf

1、精密定位技術是超精密加工、集成電路器件制造、電子產品組裝線、生物工程及納米技術等領域的關鍵性基礎性技術，其技術涉及到激光理論、電子技術、精密機械、傳感與測量、信息處理、計算機、伺服驅動、智能控制等多門學科，具有廣泛的應用前景。本文主要研究利用激光莫爾信號實現高精度位置檢測與精密定位的理論、方法及其關鍵技術，并將相應成果應用到工業(yè)現場控制中，具體包括： 1.研究了納米級分辨率的精密位移測量理論方法。應用物理光學和傅立葉光學理論，分

2、析了雙級光柵衍射時的相對位移與激光莫爾信號強度的關系，建立了基于激光莫爾信號的精密位移測量數學模型。應用數值分析方法對建立的數學模型進行了計算機仿真。仿真結果表明，莫爾信號強度隨兩片光柵的相對位移呈周期性變化，同時莫爾信號強度也隨兩片光柵的間距G呈周期性變化，當光柵距離G為p<'2>/λ的整數倍時，光強幅度變化最大。此外，對影響激光莫爾信號特性的各種參數進行了實驗研究，實驗測量結果與理論分析結果一致。 2.探討了精密定位的基本理

3、論依據，研究了精密直線定位的基本控制規(guī)則。為確保高的定位精度，提出了精密直線定位的兩種定位方法：差動莫爾定位法和修正莫爾定位法。對這兩種方法進行了詳細的理論分析及實驗研究，結果表明，兩種定位方法均能有效提高位置檢測信號的靈敏度，其中差動式定位由于能消除同相噪聲干擾及激光管本身光強的波動，定位精度高于修正式定位，但修正式定位方法的結構比較簡單。 3.研究了雙光柵衍射產生的莫爾信號的角位移特性，建立了莫爾信號強度與對應角位移偏差的數

4、學模型，并通過計算機仿真對莫爾信號的角位移變化規(guī)律進行了研究。結果表明，莫爾信號強度隨兩片光柵的相對角位移呈周期性變化。在此基礎上，研究了精密角度定位的基本控制規(guī)則，并進行了實驗研究，獲得了±50nrad的角位移分辨率及±5μrad的角度定位精度。 4.在精密定位研究的基礎上，研制開發(fā)了蔭罩式等離子顯示器(SMPDP)精密定位裝置。精密定位裝置以精密微動臺為核心，采用CCD和激光莫爾傳感器檢測位置偏差，驅動系統(tǒng)采用脈沖細分式驅動

5、步進電機，并通過精密絲杠機構將細分后步進電機的微小角度轉化為微米級的線性位移，以滿足定位控制的需要，最終的定位誤差依靠計算機閉環(huán)控制作用來消除。精密定位時，工控機根據CCD信號和莫爾信號的大小和極性發(fā)出相應的驅動脈沖信號，驅動定位臺，達到所設定位置精度范圍。定位臺在軟、硬件方面采取的一系列抗干擾措施，確保了系統(tǒng)較高的定位精度及工作可靠性。實驗結果表明，研制的精密定位裝置可獲得±5/μm的定位精度及60s的定位時間。 5.在研制的

6、SMPDP精密定位工作臺上，進行了精密平面定位技術的研究。通過對平面位置與對應莫爾信號關系的優(yōu)化分析，找出了x-y-θ三自由度的平面最佳控制策略，并由計算機系統(tǒng)實現自動調節(jié)和控制，完成x-y-θ三自由度的全自動精密平面定位，最終實現前基板、蔭罩與后基板三者之間的全自動精密平面定位。 6.為實現大行程下的高精度定位，提出了粗定位與精定位相結合的兩段式復合定位方法，其中粗定位采用CCD圖像定位技術，精定位采用激光莫爾定位技術。粗定位

7、時，計算機根據檢測到的CCD信號，判斷出基板與蔭罩板之間的位置偏差，發(fā)出相應指令，驅動定位臺進入定位點附近，完成粗定位，粗定位精度±220μm。粗定位結束后，計算機再根據莫爾信號的大小和極性發(fā)出相應的驅動脈沖信號，驅動定位臺進入設定的位置偏差范圍內，完成精定位，定位精度為±5μm。 7.針對精密定位裝置存在非線性，精確數學模型難于建立的缺陷，提出了精密定位的模糊神經網絡控制方法。將模糊神經網絡應用于該控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)以光柵常數4

8、40 μm的光柵為定位標記，以激光衍射產生的莫爾光光強及光強的變化率為神經網絡的輸入變量，利用神經網絡的自學習功能進行精密定位控制。給出了模糊推理BP網絡模型，模型由輸入層、隱層和輸出層3層神經元組成，通過對光強及光強變化率的映射，得到電機驅動信號。改造后的模糊控制系統(tǒng)具有了知識自動獲取功能，能更好地適應工況環(huán)境。實驗結果表明，使用模糊神經網絡控制，控制響應快、穩(wěn)定性好、魯棒性強，從而使精密定位裝置在達到高精度的同時，又能縮短定位時間，