衍射光栅刻划机的高精度开环定位系统

　　1　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0.2μm,周期误差不应大于0.08μm。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。

　　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L1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L2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ΔD时,在O点a光的光程差变化相当于相距ΔD的两束光a、b的光程差: