科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目策劃申請書編寫提綱

1、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究進(jìn)展打算（含重大科學(xué)研究打算）項(xiàng)目申請書編寫提綱項(xiàng)目摘要（1,000字左右） 簡述項(xiàng)目所面向的國家重大需求、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題、要緊研究內(nèi)容和目標(biāo)、課題設(shè)置。申請書正文（30,000字左右）一、 立項(xiàng)依據(jù)項(xiàng)目所面向的我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國家安全和科學(xué)技術(shù)自身進(jìn)展的重大需求，項(xiàng)目研究的科學(xué)意義，對解決國家重大需求問題的預(yù)期貢獻(xiàn)等。衍射光柵（diffraction grating，通常簡稱為“光柵”）是一種核心的光學(xué)元件。衍射光柵通過有規(guī)律的結(jié)構(gòu)，使入射光的振幅或相位（或兩者同時(shí)）受到周期性空間調(diào)制。衍射光柵在光學(xué)上的最重要應(yīng)用是作為分光器件，常被用于單色儀和光譜儀上。實(shí)際應(yīng)用的衍射

2、光柵通常是在表面上配置著密集、等間距的線、縫、槽或光學(xué)性質(zhì)變化物質(zhì)的平板。按照工作方式分類，可分為透射光柵和反射光柵兩大類。起初衍射光柵的要緊用于實(shí)現(xiàn)復(fù)色光的空間分離。近年來，隨著微加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)展，光柵的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。借助衍射光柵，人們分辨出肉眼無法鑒不的物質(zhì)，在生產(chǎn)、通訊、科研等方面有著重要應(yīng)用。如應(yīng)用于單色儀、光譜儀、分析設(shè)備、顏色測定儀、生產(chǎn)工藝操縱、質(zhì)量操縱、目標(biāo)確定等方面。隨著微加工技術(shù)在微光學(xué)領(lǐng)域的不斷進(jìn)展，出現(xiàn)了依托光柵的偏振器、光波導(dǎo)、窄帶濾波器、分相位衍射元件等新的微光學(xué)器件，其應(yīng)用范圍也開始從光譜學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到計(jì)量科學(xué)、光通信、X射線天體物理學(xué)、實(shí)驗(yàn)力

3、學(xué)、裝飾、防偽等諸多領(lǐng)域。光柵通常是利用光柵刻劃機(jī)在鍍有鋁膜的玻璃毛坯上每mm刻劃出不同線數(shù)的槽來獵取的，常用的光柵一般為300g/mm、600g/mm、1200g/mm、1800g/mm等。隨著刻劃技術(shù)的進(jìn)展，對光柵刻劃密度要求越來越高，具文獻(xiàn)資料顯示，目前世界上可刻劃出的最高刻線密度的光柵為：10800g/mm，同時(shí)定位精度可達(dá)5nm。在刻劃光柵時(shí)，一般要求刻劃的偶然誤差小于1/10光柵常數(shù)、周期誤差小于1/100光柵常數(shù)，用干涉方法檢驗(yàn)波面差必須小于1/3條紋。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展進(jìn)步，特不是一些大型高技術(shù)工程項(xiàng)目的陸續(xù)開展，對衍射光柵的技術(shù)性能提出了更高的要求。而且，能否獵

4、取適用的大面積衍射光柵，差不多成為阻礙某些大型高技術(shù)工程項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。同時(shí)，由于這些大工程項(xiàng)目對大面積衍射光柵的迫切需要，使研制大面積衍射光柵成為國際光柵領(lǐng)域的重大課題之一。對大面積衍射光柵的需求要緊體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）天文物理學(xué)方面眾所周知，為了更好地滿足人類探究宇宙空間的需要，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑正在不斷增大。隨著光學(xué)加工技術(shù)、自適應(yīng)理論及微定位技術(shù)和拼接技術(shù)的進(jìn)展，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑己由原來的直徑不到lm進(jìn)展到現(xiàn)在的直徑超過10m甚至更大。衍射光柵是天文望遠(yuǎn)鏡附屬光譜分析儀的核心元件，因此它的面積必須相應(yīng)地隨之增大。如美國舊金山州立大學(xué)(San Francisco State Unive

5、rsity)的喬夫瑞莫西(Geoffrey Marcy)和澳大利亞的波爾巴特勒(Paul Butler)等人在1998年八月份宣布，他們利用一種新型高分辨率Echelle光譜儀，探測到太陽系以外未知行星的數(shù)目已達(dá)到12個(gè)。那個(gè)高分辨率光譜儀使用了由三塊的階梯光柵。美國德克薩斯大學(xué)打算研制300英寸的天文望遠(yuǎn)鏡，其附屬光譜儀需要衍射光柵的尺寸為。表1所示為世界上其它一些大型天文望遠(yuǎn)鏡附屬光譜分析儀所需衍射光柵的尺寸。這些需要大大加速了國際光柵界探究研制大面積衍射光柵技術(shù)的進(jìn)程。表1大型天文望遠(yuǎn)鏡附屬光譜儀的衍射光柵尺寸望遠(yuǎn)鏡名稱及國家KECKU.S.ASUBARUJAPANESOEUROPEVL

6、TCHILEHETU.S.ALAMOSTCHINA主鏡口徑（m）1088894光譜儀器直鏡焦比F/13.7F/10F/15F/10F/8F/5光柵面積（）我過研制“大天區(qū)面積多目標(biāo)天文望遠(yuǎn)鏡”(LAMOST)，配置了多臺(tái)低、中、高分辨率的光譜儀同時(shí)觀測4000個(gè)目標(biāo)，需要64塊大面積衍射光柵。2)同步輻射光束線工程的需要同步輻射是當(dāng)電子或離子在磁場中加速到接近光速時(shí)，沿軌道切線方向產(chǎn)生的一種電磁輻射，其光譜是連續(xù)的，且可延伸到專門寬的波長范圍。同步輻射光源被認(rèn)為是性能最好的軟X射線源之一，它廣泛地應(yīng)用于短波長、準(zhǔn)連續(xù)、高劑量的實(shí)驗(yàn)中。同步加速器輻射光源的問世，給高分辨率光譜分析帶來了巨大的變化

7、。因其光路多為掠入射，因此要求較大面積的衍射光柵，同時(shí)衍射光柵的損耗特不大，衍射光柵需要定期更換。3)激光核聚變項(xiàng)目的需要當(dāng)今國際上，能否充分利用被譽(yù)為取之不盡的新型能源核能源，己經(jīng)成為一個(gè)國家綜合實(shí)力尤其是高科技實(shí)力的體現(xiàn)。我國差不多正式簽署了全面禁止核試驗(yàn)的國際公約，向全世界鄭重承諾不在野外進(jìn)行核彈實(shí)驗(yàn)，但關(guān)于一個(gè)有核的國家，關(guān)于核技術(shù)的研究、掌握和操縱是特不重要的。世界上幾個(gè)發(fā)達(dá)國家己經(jīng)將核技術(shù)的研究實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入室內(nèi)進(jìn)行，如美國的LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)國家實(shí)驗(yàn)室，在激光核聚變項(xiàng)目上，使用了大面積衍射光柵來對激光脈沖進(jìn)行時(shí)刻和空

8、間上壓縮，利用壓縮后獲得的高能激光束轟擊靶心來產(chǎn)生核聚變，他們所用衍射光柵的面積己經(jīng)達(dá)到之大，取得了中意的效果。能否獵取大面積的衍射光柵差不多成為這些項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵之一。由此可見，能否制造大面積、高刻劃密度的衍射光柵，關(guān)于一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展起著至關(guān)重要的作用，也是一個(gè)國家高科技實(shí)力的體現(xiàn)。若想獲得大面積衍射光柵，最容易想到的方法確實(shí)是利用光柵刻劃機(jī)來刻制，自哈里森(Harrison)和斯楚克(Stroke)將干涉光電技術(shù)成功地用于操縱衍射光柵的刻劃過程后，由于近代高精度機(jī)械加工設(shè)備的出現(xiàn)及加工技術(shù)的進(jìn)展，使得研制高精度、大行程衍射光柵刻劃機(jī)成為可能。目前，我國長春光機(jī)所研制的2號(hào)光柵刻劃

9、機(jī)，能夠刻劃的衍射光柵的最大面積為，最高刻線密度為:2000g/mm,這是我國采納光柵刻劃機(jī)能夠刻劃的最大面積。美國理查森光柵實(shí)驗(yàn)室(Richardson Grating Laboratory)所研制的MIT-B型光柵刻劃機(jī)能夠刻制出衍射光柵的最大面積為，這是目前世界上利用刻劃機(jī)所能刻制出的最大面積的刻劃光柵。而日本的日立公司也擁有光柵刻劃機(jī)，并有最高的刻劃技術(shù)，其可刻劃的最高密度超過10000g/mm，而定位精度可達(dá)5nm。由此可見，我國的光柵刻劃技術(shù)與美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比還有專門大差距。為了滿足空天地等大型項(xiàng)目對大面積高精度衍射光柵的需要，必須加大對刻劃大面積光柵、高刻線密度的光柵刻劃

10、機(jī)的研究力度。于此同時(shí)，由于光柵刻劃機(jī)要求在幾百毫米的范圍內(nèi)刻劃超過幾千槽每毫米的刻槽，且定位精度在10nm以內(nèi)。因此光柵刻劃機(jī)在刻槽間隙方向的定位技術(shù)屬于大行程納米級(jí)的超周密定位技術(shù)。因此，對刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃機(jī)的研究，另一方面也能夠促進(jìn)大行程納米級(jí)定位技術(shù)的研究，從而推動(dòng)微電子制造、光電測量儀器、各種超周密加工等領(lǐng)域的進(jìn)展，也從另一方面提升我國的綜合實(shí)力。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢國際最新研究進(jìn)展和進(jìn)展趨勢，國內(nèi)研究現(xiàn)狀和水平，相關(guān)研究領(lǐng)域取得突破的可能性等。光柵刻劃機(jī)被稱為“周密機(jī)械之王”，世界上除了美國、日本、法國、德國、英國、瑞士和俄羅斯等國家擁有光柵刻劃機(jī)之外，中

11、國是唯一一個(gè)擁有光柵刻劃機(jī)的進(jìn)展中國家。其中，美國 Richardson 光柵實(shí)驗(yàn)室和日本 Hitachi 公司所研制的光柵刻劃機(jī)處于世界的領(lǐng)先水平。美國的光柵刻劃機(jī)研究現(xiàn)狀目前，美國 Richardson 光柵實(shí)驗(yàn)室共有 3 臺(tái)光柵刻劃機(jī)全日運(yùn)行，每年都會(huì)生產(chǎn)出大量的高質(zhì)量光柵。這 3 臺(tái)光柵刻劃機(jī)分不是：Michelson 刻劃機(jī)、Mann 刻劃機(jī)和MIT-B刻劃機(jī)。 Michelson刻劃機(jī)1947年，Bausch & Lomb從美國芝加哥大學(xué)獲得他們的第一臺(tái)光柵刻劃機(jī)。這臺(tái)光柵刻劃機(jī)最初是由 Michelson于 1910 年代設(shè)計(jì)，后來被 Gale改造。在通過進(jìn)一步的改良之后，這臺(tái)光

12、柵刻劃機(jī)的性能得到了極大的提升。并連續(xù)生產(chǎn)了大量的高質(zhì)量的最大刻劃面積達(dá) 的光柵。Michelson 刻劃機(jī)最初設(shè)計(jì)的時(shí)候采納了一個(gè)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械修正凸輪來導(dǎo)出絲桿的誤差，并通過一套干涉儀系統(tǒng)進(jìn)行繪制。在 1990 年，這套系統(tǒng)被一套基于激光干涉儀的數(shù)字計(jì)算機(jī)伺服操縱系統(tǒng)所取代。Michelson 刻劃機(jī)能夠刻劃的光柵的刻劃密度范圍特不大，最低的刻劃密度為：，最高的刻劃密度可達(dá)。Mann 刻劃機(jī)Mann刻劃機(jī)最初是由美國馬薩諸塞州的Mann公司的David W.建筑的。從1953年開始，這臺(tái)光柵刻劃機(jī)就開始生產(chǎn)光柵了。Bausch & Lomb采納Harrison光柵實(shí)驗(yàn)室的 MIT9光柵刻劃機(jī)的

13、技術(shù)為 Mann 刻劃機(jī)裝備了一套干涉伺服操縱系統(tǒng)。Mann 刻劃機(jī)能夠刻劃最大面積為 的光柵，幾乎無法檢測到鬼線，而且分辨率接近理論值。即使絲桿的加工精度達(dá)到能夠達(dá)到的最高的精度，螺紋和軸承仍然會(huì)有殘留誤差。在生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵的時(shí)候，必須對這些誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此 Mann 刻劃機(jī)采納了一套自動(dòng)干涉儀伺服系統(tǒng)。在對每條刻槽進(jìn)行刻劃的時(shí)候，該系統(tǒng)不斷地對光柵工作臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，使其保持在正確的位置。事實(shí)上，那個(gè)伺服系統(tǒng)相當(dāng)于一根完美的絲桿。MIT-B刻劃機(jī)MIT-B 刻劃機(jī)是由美國 Harrison 光柵實(shí)驗(yàn)室建筑，并于 1968 年搬到美國的羅契斯特市，在刻劃平面光柵時(shí)，MIT-B 刻劃機(jī)可獲得

14、Harrison 光柵實(shí)驗(yàn)室中所有刻劃機(jī)的最高精度。最大刻劃面積達(dá) ，刻劃密度的范圍是：。MIT-B 刻劃機(jī)采納兩個(gè)頻率穩(wěn)定的激光干涉儀進(jìn)行刻劃操縱，不但能夠?qū)ぷ髋_(tái)分度方向的位置進(jìn)行正確操縱，同時(shí)還能夠矯正工作臺(tái)擺角誤差。這臺(tái)刻劃機(jī)所刻劃的光柵分辨率接近理論值，幾乎消除了羅蘭鬼線，同時(shí)雜散光也特不弱。除此之外，這臺(tái)光柵刻劃機(jī)還能刻劃出特不行的中階梯光柵。MIT-B刻劃機(jī)實(shí)物如圖所示。MIT-B刻劃機(jī)實(shí)物日本的光柵刻劃機(jī)研究現(xiàn)狀1992年，日本Hitachi公司成功研制了一臺(tái)能夠刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃機(jī)，該光柵刻劃機(jī)采納一個(gè)閉環(huán)操縱系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)微位移驅(qū)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)大行程運(yùn)動(dòng)的絲

15、杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng) -間歇刻劃的刻劃方式。最大刻劃面積為：，最高刻劃密度為：。圖為 Hitachi 公司 1992 年研制刻劃機(jī)的布局圖，圖 為該刻劃機(jī)的實(shí)拍照片。因?yàn)樵诳虅澒鈻艜r(shí)需要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格的操縱，因此，刻劃機(jī)的要緊部分被安放在一個(gè)溫度被穩(wěn)定操縱在 范圍內(nèi)的房間內(nèi)?？虅潤C(jī)下面的地板是由 4 個(gè)空氣波浪管支撐，從而隔離外部的震動(dòng)。一些會(huì)產(chǎn)生熱量或者震動(dòng)的設(shè)備：計(jì)算機(jī)、操縱系統(tǒng)和主直流電機(jī)等都被放在了房間的不處。日本Hitachi公司1992 年刻劃機(jī)原理布局圖在設(shè)計(jì)工作臺(tái)時(shí)，Hitachi 公司的研究人采納了一種比較新的設(shè)計(jì)概念，將工作臺(tái)分為上層臺(tái)和下層臺(tái)，如圖 ？ 所

16、示。下層臺(tái)和傳統(tǒng)的工作臺(tái)相似，通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分度方向上大行程的移動(dòng)。上層臺(tái)則是通過四個(gè)彈簧片支撐，安裝在下層臺(tái)的上方，上層臺(tái)能夠在分度方向無摩擦地移動(dòng)，光柵毛坯安裝在上層臺(tái)上，如此的設(shè)計(jì)能夠提高光柵毛坯在分度方向的動(dòng)態(tài)特性，在幾十納米范圍內(nèi)準(zhǔn)確快速地定位，同時(shí)可不能因?yàn)椴环€(wěn)定因素。在上層臺(tái)和下層臺(tái)之間安裝一個(gè)壓電陶瓷，驅(qū)動(dòng)上層臺(tái)相關(guān)于下層臺(tái)在分度方向微位移移動(dòng)。在刻劃的過程中，下層臺(tái)以恒定速度進(jìn)行分度，在落刀刻劃時(shí)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)上層臺(tái)以大小相等方向相反的速度移動(dòng)，從而保持刻劃時(shí)，光柵毛坯相關(guān)于刀橋靜止，如圖？ 所示。圖？是Hitachi公司1992年刻劃機(jī)的操縱系統(tǒng)

17、框圖，該操縱系統(tǒng)由一個(gè)計(jì)算機(jī)中編程實(shí)現(xiàn)的順序操縱系統(tǒng)、兩個(gè)反饋操縱環(huán)和作為驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)壓電陶瓷機(jī)一個(gè)伺服電機(jī)組成。日本Hitachi公司1992 年刻劃機(jī)要緊部分實(shí)物日本Hitachi公司1992 年刻劃機(jī)工作臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖日本Hitachi公司1992 年刻劃機(jī)工作臺(tái)位移原理圖？是Hitachi公司1992年刻劃機(jī)的操縱系統(tǒng)框圖，該操縱系統(tǒng)由一個(gè)計(jì)算機(jī)中編程實(shí)現(xiàn)的順序操縱系統(tǒng)、兩個(gè)反饋操縱環(huán)和作為驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)壓電陶瓷機(jī)一個(gè)伺服電機(jī)組成。日本Hitachi公司1992 年刻劃機(jī)操縱系統(tǒng)框圖國內(nèi)的光柵刻劃機(jī)研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)只有長春光機(jī)所一家研究機(jī)構(gòu)仍在進(jìn)行衍射光柵刻劃機(jī)的研究。長春光機(jī)所目前共有

18、自行研制的 5 臺(tái)機(jī)械式和光電操縱式光柵刻劃機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。長春光機(jī)所2號(hào)光柵刻劃機(jī)圖？ 是長春光機(jī)所 2 號(hào)光柵刻劃機(jī)，它建筑于 1965 年。當(dāng)時(shí)的最大刻劃面積為：，在 1992 年進(jìn)行擴(kuò)程改造后，其刻劃面積達(dá)到。該機(jī)曾為南京天文儀器研究所刻制過; 的天文光柵。為 LAMOST 望遠(yuǎn)鏡刻制過 ; 的實(shí)驗(yàn)用透射光柵。在 1999 年，長春光機(jī)所對 2 號(hào)光柵刻劃機(jī)進(jìn)行了光電操縱改造。由于對光柵刻劃精度和刻劃質(zhì)量要求的提高，長光所于 2009 年開始再次對 2 號(hào)光柵刻劃機(jī)進(jìn)行了改造，圖？即為通過改造后，2號(hào)光柵刻劃機(jī)的實(shí)物圖。長春光機(jī)所2號(hào)光柵刻劃機(jī)實(shí)物2 號(hào)光柵刻劃機(jī)采納羅蘭型的刻劃方式，改

19、造后，工作臺(tái)采納雙層臺(tái)的結(jié)構(gòu)，分為外工作臺(tái)和內(nèi)工作臺(tái)，內(nèi)工作臺(tái)通過四個(gè)彈簧鋼片懸掛在外工作臺(tái)的內(nèi)部。外工作臺(tái)安裝在兩個(gè)平行滑動(dòng)導(dǎo)軌上，通過一個(gè)絲桿螺母副帶動(dòng)外工作臺(tái)和內(nèi)工作臺(tái)在分度方向?qū)崿F(xiàn)大行程的運(yùn)動(dòng)。在外工作臺(tái)和內(nèi)工作臺(tái)之間安裝了一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置，通過壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動(dòng)內(nèi)工作臺(tái)相關(guān)于外工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)微位移。長春光機(jī)所大光柵刻劃機(jī)（在研）長春光機(jī)所正在研制一臺(tái)要達(dá)到國際領(lǐng)先水平的大型高精度衍射光柵刻劃機(jī)及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，這臺(tái)刻劃機(jī)的研制目標(biāo)是：刻劃面積為；最高刻劃密度達(dá) ；周期誤差需要小于 ；連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)刻不小于 30 晝夜；光柵衍射波前誤差小于（范圍，）。如圖？為大光柵刻劃機(jī)的整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)

20、計(jì)立體圖。長春光機(jī)所大光柵刻劃機(jī)整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)立體圖這臺(tái)光柵刻劃機(jī)總體設(shè)計(jì)方式采納羅蘭方式，即工作臺(tái)承載待刻光柵做單方向分度運(yùn)動(dòng)，光柵刻刀做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與分度方向垂直。每運(yùn)行一個(gè)周期刻劃一條柵線?？虅潤C(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、分度系統(tǒng)、刻劃系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及監(jiān)視系統(tǒng)等 5 個(gè)部分組成。其中分度系統(tǒng)、刻劃系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)是刻劃機(jī)最為關(guān)鍵的部分。這臺(tái)刻劃機(jī)也是將工作臺(tái)分為內(nèi)外兩層臺(tái)結(jié)構(gòu)，內(nèi)臺(tái)通過四個(gè)彈簧鋼片懸掛在外臺(tái)內(nèi)部，待刻光柵毛坯則放置于內(nèi)臺(tái)上，并在內(nèi)外臺(tái)之間安裝兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（分不置于內(nèi)臺(tái)兩側(cè)），實(shí)現(xiàn)內(nèi)臺(tái)相關(guān)于外臺(tái)的微位移驅(qū)動(dòng)。采納兩路雙頻激光干涉儀進(jìn)行測量定位，通過兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器對內(nèi)臺(tái)進(jìn)

21、行精確定位并對擺角進(jìn)行校正。三、 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和要緊研究內(nèi)容詳細(xì)闡述圍繞國家重大需求所要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題的內(nèi)涵。要緊研究內(nèi)容要圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)、有機(jī)地形成一個(gè)整體來詳細(xì)闡述，重點(diǎn)要突出，幸免分散或拼盤現(xiàn)象。光柵制造技術(shù)是當(dāng)今最為周密的技術(shù)之一，光柵刻劃機(jī)則被稱為“周密機(jī)械之王”。光柵刻劃機(jī)作為一項(xiàng)周密工程，涉及到微電子制造、光電測量儀器、各種超周密加工等領(lǐng)域，擁有高精度光柵刻劃機(jī)既體現(xiàn)了一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展程度，又是科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的手段。周密定位技術(shù)更是光柵刻劃機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，定位系統(tǒng)在各種光柵刻劃機(jī)中都到關(guān)鍵性的作用。周密定位是一個(gè)交叉性的綜合研究領(lǐng)域，需要

22、周密機(jī)械、操縱、計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)和光學(xué)工程等多學(xué)科的支撐，假如考慮到定位系統(tǒng)之外周圍環(huán)境對它的阻礙，如振動(dòng)、溫度、濕度、氣流等，則涉及到更多的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)。由于周密定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性、對高科技進(jìn)展阻礙的重要性，因而一直是各個(gè)發(fā)達(dá)國家的科研機(jī)構(gòu)、高等院校和大型企業(yè)研究的重點(diǎn)。周密定位技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中有不同的類型，以下依照運(yùn)動(dòng)行程和運(yùn)動(dòng)方式來對周密定位技術(shù)進(jìn)行分類。從工作行程來講，周密定位的應(yīng)用分為兩個(gè)領(lǐng)域。一個(gè)是微行程領(lǐng)域，定位行程從幾微米到幾十微米，相應(yīng)的定位機(jī)構(gòu)稱為微動(dòng)臺(tái)、微位移器及微進(jìn)給機(jī)構(gòu)等；另一個(gè)是幾毫米至幾百毫米的領(lǐng)域，稱為大行程周密定位，是

23、應(yīng)用更為廣泛的周密定位方式，如在周密測量領(lǐng)域，為了加大掃描隧道顯微鏡(STM)的測量范圍，要求其工作臺(tái)與測頭一起實(shí)現(xiàn)大范圍的超周密定位；在集成電路的各種制造設(shè)備中，依照晶圓的直徑，要求工作臺(tái)能在幾十毫米內(nèi)進(jìn)行兩維或多維的納米級(jí)精度定位。周密定位的概念在不同時(shí)期有著不同的理解和數(shù)量界定，但并沒有一致或權(quán)威的規(guī)定。一般差不多上將周密定位細(xì)分為周密級(jí)和超周密級(jí)。當(dāng)前，亞微米定位精度是周密定位的最低限度，而納米級(jí)的定位精度則代表著周密定位技術(shù)的最高水平。而作為“周密機(jī)械之王”的光柵刻劃機(jī)，要求的自由度更多、定位行程更大、定位精度更高。其研制難度不僅在于要實(shí)現(xiàn)大行程，還要保證在行程內(nèi)的刻線周期誤差。定位

24、的范圍從幾微米、幾十微米擴(kuò)大到幾毫米、幾十毫米甚至幾百毫米，并不是一個(gè)簡單的數(shù)值放大問題，還要在總體方案中綜合考慮及其各個(gè)關(guān)鍵部件的精度分配、加工精度、裝調(diào)精度、檢測方式、運(yùn)行部件的精度傳遞、摩擦、變形、熱膨脹、電子學(xué)操縱精度以及環(huán)境等對光柵刻劃所帶來的阻礙，工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、位置反饋檢測方法和定位操縱策略等整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件都要發(fā)生專門大變化。因此在刻劃機(jī)的設(shè)計(jì)和研制中，要充分考慮以下和大行程納米定位技術(shù)有關(guān)的研究內(nèi)容：工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)：眾所周知，要實(shí)現(xiàn)超周密定位，首先要有能實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)驅(qū)動(dòng)分辨率的微位移機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)微位移的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌支承形式和驅(qū)動(dòng)方法具有多樣性，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來講大行程

25、納米定位有多種可選的方案，綜合目前世界上的要緊納米級(jí)超周密定位機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)可分為兩種類型：一種是單層工作臺(tái)，采納一次定位或步進(jìn)定位的形式；另一種是采納疊加式(雙層)工作臺(tái)，采納雙驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)的方法，將定位分為兩個(gè)過程：即粗定位和精定位，或宏定位和微定位。實(shí)際上，微定位的過程確實(shí)是誤差補(bǔ)償或精度補(bǔ)償?shù)倪^程。單層工作臺(tái)的大行程定位系統(tǒng)多采納的是靜壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的氣浮導(dǎo)軌定位工作臺(tái)，盡管這種定位方式存在系統(tǒng)復(fù)雜、附屬設(shè)備多等缺點(diǎn)，但仍有專門多學(xué)者致力于對其進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果，獲得了許多成功的應(yīng)用；宏微兩級(jí)定位是目前研究和應(yīng)用得更為廣泛的大行程納米定位方法，這得益于微位移技術(shù)和計(jì)算機(jī)操縱技

26、術(shù)的迅速進(jìn)展，特不是壓電陶瓷和柔性鉸鏈兩者的結(jié)合，極大地推動(dòng)了納米定位技術(shù)的有用化。而近年來，以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)器、結(jié)合各種新型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的微動(dòng)工作臺(tái)一直是超周密定位研究的熱點(diǎn)之一；大行程納米傳感器：在工作臺(tái)定位時(shí)的位移檢測方面，盡管目前用于納米位移測量的方法專門多，如各種掃描顯微鏡類儀器(掃描隧道顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM、掃描電子顯微鏡SEM、掃描電容顯微鏡SCM等)，電容、電感測微儀，X射線干涉儀以及激光干涉儀和周密光柵尺等，但受到測量范圍和測量速度的限制，只有最后兩種裝置在大行程納米定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于分辨率的限制，光柵尺多用于微米和亞微米級(jí)的位移測量。而雙頻激光干涉

27、儀具有特不高的分辨率、高精度、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢，以其良好的性能，在專門多場合，特不是大長度和大位移的周密測量中得到廣泛的應(yīng)用。定位操縱方法：對微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)定位，一般的PID操縱一般能夠滿足精度要求，但對亞微米至納米級(jí)的定位精度，系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確，系統(tǒng)中飽和、死區(qū)、遲滯等非線性因素以及振動(dòng)、溫度、濕度、氣流等干擾對定位誤差的阻礙異常突出，系統(tǒng)的不確定性和時(shí)變性加劇，傳統(tǒng)的PID操縱往往難以勝任。以工作臺(tái)固有特性、動(dòng)態(tài)特性和驅(qū)動(dòng)方式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新的有效的操縱算法，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)快速、穩(wěn)定、大行程的納米級(jí)周密定位；同時(shí)，綜合運(yùn)用宏觀和微觀力學(xué)的分析方法

28、，針對超周密定位工作臺(tái)的剛性、柔性和非線性特性展開分析，并綜合利用解析與仿確實(shí)虛實(shí)混合的仿真建模分析方法，建立一個(gè)新型的考慮微觀效應(yīng)的納米級(jí)超周密定位工作臺(tái)的建模和仿真方法；并在此基礎(chǔ)上對工作臺(tái)進(jìn)行深入的機(jī)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)分析，并分析機(jī)械系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)對工作臺(tái)定位精度的阻礙，以進(jìn)一步輔助調(diào)整和設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)；摩擦模型摩擦是一種特不復(fù)雜的現(xiàn)象，具有非線性特性，摩擦表面在不同的表面質(zhì)量、負(fù)載和潤滑條件下具有不同的特性和摩擦模型。周密定位系統(tǒng)中摩擦的存在會(huì)產(chǎn)生低速爬行和極限環(huán)振蕩，同時(shí)造成穩(wěn)態(tài)誤差和跟蹤誤差，此外它還使定位操縱策略復(fù)雜化。目前，傳統(tǒng)的摩擦模型差不多上只能使定位精度達(dá)到微米級(jí)，對亞微米級(jí)定位

29、精度已難以勝任，因此眾多學(xué)者正致力于研究各種新的摩擦模型，以便于在操縱時(shí)實(shí)施預(yù)測補(bǔ)償；誤差補(bǔ)償：定位系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都存在誤差，通過分析各項(xiàng)誤差及其來源，而后提高關(guān)鍵零部件的制造、安裝精度以及對誤差實(shí)施補(bǔ)償是提高定位精度的兩種常用方法。目前，誤差補(bǔ)償方法已從系統(tǒng)誤差補(bǔ)償向隨機(jī)誤差補(bǔ)償、單項(xiàng)誤差補(bǔ)償向全誤差補(bǔ)償、靜態(tài)誤差補(bǔ)償向動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)姆较蜻M(jìn)展，在補(bǔ)償?shù)姆椒ㄉ宪浖a(bǔ)償十分有效，進(jìn)展勢頭強(qiáng)勁，逐漸成為要緊的補(bǔ)償方法；振動(dòng)操縱：阻礙定位精度的振動(dòng)能夠分為兩個(gè)方面，一個(gè)是環(huán)境振動(dòng)造成定位系統(tǒng)中部件的振動(dòng)，另一個(gè)是定位系統(tǒng)內(nèi)部的振動(dòng)。解決前一個(gè)問題常用的方法是隔振，如地基隔振和支承定位系統(tǒng)的氣浮平臺(tái)

30、隔振等，近些年來隨著隔振技術(shù)的進(jìn)展，還出現(xiàn)了對隔振平臺(tái)實(shí)施主動(dòng)隔振技術(shù)的方法。對定位系統(tǒng)內(nèi)部振動(dòng)的研究，差不多從將振動(dòng)當(dāng)作故障源進(jìn)行研究，進(jìn)展到將它與定位操縱合起來，研究如何樣提高系統(tǒng)的操縱精度。四、 總體目標(biāo)、五年預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)和五年預(yù)期目標(biāo)應(yīng)從對解決國家重大需求的預(yù)期貢獻(xiàn)，在理論、方法等方面預(yù)期取得的進(jìn)展、突破及其科學(xué)價(jià)值，優(yōu)秀人才培養(yǎng)等方面分不論述。五年預(yù)期目標(biāo)要求有具體的考核指標(biāo)和人才培養(yǎng)打算。五、 總體研究方案結(jié)合要緊研究內(nèi)容闡述學(xué)術(shù)思路、技術(shù)途徑及其創(chuàng)新性，與國內(nèi)外同類研究相比的特色和取得重大突破的可行性分析等。 機(jī)械機(jī)構(gòu)超周密衍射光柵刻劃機(jī)工作方式及系統(tǒng)組成光柵刻劃機(jī)依照工作方

31、式的不同一般有如下四種工作方式：1）羅蘭型：光柵刻刀在刻劃方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)垂直于刻劃方向作單方向運(yùn)動(dòng)，通過兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)合成，實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。這種形式符合運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)，較重的工作臺(tái)緩慢移動(dòng)，較輕的刻劃系統(tǒng)快速往返運(yùn)動(dòng)，刻劃過程比較平穩(wěn)。其缺點(diǎn)是容易引起光柵的扇形誤差。羅蘭型的具體示意圖見圖2.1。 圖2.1 羅蘭型示意圖2）斯特朗型：工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，光柵刻刀在垂直于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向上做單方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)合成，實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。這種運(yùn)動(dòng)方式能自動(dòng)消除扇形誤差，但較重的工作臺(tái)快速往返運(yùn)動(dòng)，較輕的刀橋緩慢移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。具體示意圖見圖2.2所示。 圖2.2 斯特朗型示意圖3）斯托洛克

32、型：工作臺(tái)不動(dòng)，由刀橋進(jìn)行單方向進(jìn)給和刻刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刻劃，具體見圖2.3所示。這種刻劃機(jī)的設(shè)計(jì)及制造專門復(fù)雜。圖2.3 斯托洛克型示意圖4）反斯托洛克型：即刀橋靜止，工作臺(tái)進(jìn)行單方向進(jìn)給和在刻劃方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光柵刻劃。這種方式由于缺點(diǎn)較多，專門少采納。 圖2.4 反斯托洛克型運(yùn)動(dòng)示意圖國際上比較聞名的光柵刻劃機(jī)的工作方式都采納羅蘭方式，這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行精度易于保證，結(jié)構(gòu)相對簡單。表2.1 國內(nèi)外典型光柵機(jī)的對比國不裝備名稱工作方式特點(diǎn)刻劃面積及刻線密度美國MIT-B羅蘭式連續(xù)刻劃方式，有雙層工作臺(tái)及擺角校正功能250425mm25880g/mm美國MIT-C羅蘭式連續(xù)刻劃方式，有雙

33、層工作臺(tái)及擺角校正功能450635mm2（名義值）紫外-近紅外中階梯日本Hitachi羅蘭式激光干涉儀測量定位，雙層工作臺(tái)，采納“連續(xù)運(yùn)動(dòng)、間歇刻劃”。200300mm26000g/mm中國CIOMP-4羅蘭式單層工作臺(tái)，光柵干涉儀測量定位，有減重措施150150 mm22400g/mm中國CG-500羅蘭式可實(shí)現(xiàn)間歇式和連續(xù)式刻劃，雙層工作臺(tái)，雙頻激光干涉儀測量定位，有擺角校正功能，有卸荷措施。400500 mm26000g/mm中階梯光柵該方式又可細(xì)分為間歇式刻劃、連續(xù)式刻劃和連續(xù)運(yùn)動(dòng)間歇刻劃。其中間歇式刻劃機(jī)是較早期的機(jī)器形式，最早刻劃機(jī)工作臺(tái)的分度精度完全依靠機(jī)械系統(tǒng)的加工精度和裝調(diào)精

34、度來保證，屬于純機(jī)械式刻劃機(jī)。這種機(jī)器的運(yùn)行精度差不多不能滿足現(xiàn)代光譜儀器對光柵制作的技術(shù)要求。后來又出現(xiàn)了采納簡易光電開環(huán)操縱的間歇式光柵刻劃機(jī)，運(yùn)行精度有所提高。在上世紀(jì)70年代，連續(xù)式光柵刻劃機(jī)逐步成為光柵機(jī)的主流產(chǎn)品，并通過這些刻劃機(jī)制做出許多高質(zhì)量的平面光柵和凹面光柵。以上刻劃機(jī)的工作臺(tái)差不多上單層臺(tái)結(jié)構(gòu)。關(guān)于中小型光柵刻劃機(jī)，這種形式的工作臺(tái)是能夠勝任的。但關(guān)于大型光柵刻劃機(jī)，由大質(zhì)量工作臺(tái)帶來的微觀非線性誤差成為制約工作臺(tái)定位精度的要緊因素，不利于精度的進(jìn)一步提高。另外工作臺(tái)的大行程所帶來的測量誤差也對定位精度產(chǎn)生一定的不利阻礙。到上世紀(jì)90年代日本HITACHI公司開發(fā)出的使用

35、雙層工作臺(tái)進(jìn)行周密定位，刻劃方式為連續(xù)運(yùn)動(dòng)、間歇刻劃的光柵刻劃機(jī)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行精度為5nm、 刻線密度10000線/mm光柵的制作精度要求，從定位精度上講，這臺(tái)刻劃機(jī)代表了當(dāng)今世界的頂級(jí)水平。光柵刻劃機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件光柵機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)三維立體示意圖本項(xiàng)目中光柵刻劃機(jī)的總體運(yùn)行方式采納羅蘭方式，即工作臺(tái)承載待刻光柵做單方向分度運(yùn)動(dòng)，光柵刻刀做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與分度方向垂直。每運(yùn)行一個(gè)周期刻劃一條柵線?；谶@種工作方式，刻劃機(jī)要緊工作單元按典型的T型結(jié)構(gòu)配置于基座上工作臺(tái)表面。該布置方式可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動(dòng)精度。此外檢測Z、X向運(yùn)動(dòng)位置的雙頻激光測量系統(tǒng)

36、能夠裝在固定不動(dòng)的床身上，僅將測量位置用的反射鏡裝在Z、X方向的移動(dòng)部件上。如此不僅使測量系統(tǒng)安裝簡單專門多，而且能夠大大提高測量精度?？虅潤C(jī)的結(jié)構(gòu)要緊由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)組成?？虅潤C(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局如圖所示。分度系統(tǒng)要緊包括直線電機(jī)、氣浮導(dǎo)軌副、工作臺(tái)、壓電驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)。工作臺(tái)由直線電機(jī)拉動(dòng)在Y方向沿導(dǎo)軌做單向運(yùn)動(dòng)?？虅澫到y(tǒng)要緊包括刀架摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌副、刻刀微位移機(jī)構(gòu)。由刀架摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀架在x方向沿刀架氣浮導(dǎo)軌做往復(fù)等速運(yùn)動(dòng)，刻刀微位移機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)光柵刻刀的抬落和刀刃的切換。設(shè)計(jì)、制造這臺(tái)高精度衍射光柵刻劃機(jī)，在技術(shù)上遵循的差不多原則是：從原理動(dòng)身，充分考慮“阿貝原則

37、”、“運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理”、 “彈性平衡原則”及“熱平衡原則”等各種有利于提高精度的機(jī)械設(shè)計(jì)原理，參考現(xiàn)有光柵刻劃機(jī)的制造基礎(chǔ)及關(guān)鍵部件，如周密工作臺(tái)的現(xiàn)代進(jìn)展成果，融入原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)建筑一臺(tái)國際領(lǐng)先水平的衍射光柵刻劃機(jī)。1.分度系統(tǒng)分度系統(tǒng)要緊功能是實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的超周密定位。工作臺(tái)的定位精度直接阻礙光柵光譜質(zhì)量、雜散光和鬼線強(qiáng)度，是光柵刻劃機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。目前大行程超周密工作臺(tái)設(shè)計(jì)的方案要緊有兩種設(shè)計(jì)思路：1)單級(jí)進(jìn)給方式，采納直線電機(jī)非接觸進(jìn)給或利用靜摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給等；2)兩級(jí)進(jìn)給方式，立即定位分為兩個(gè)過程：粗定位和精定位，或宏定位和微定位，以達(dá)到高的定位精度和分辨率。實(shí)際上，

38、微定位的過程確實(shí)是誤差補(bǔ)償或精度補(bǔ)償?shù)倪^程。兩級(jí)進(jìn)給的方案與單級(jí)進(jìn)給相比，優(yōu)點(diǎn)是能夠結(jié)合目前成熟的大行程工作臺(tái)技術(shù)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險(xiǎn)，然而不可幸免地使工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了操縱系統(tǒng)的操縱難度。本項(xiàng)目采納一級(jí)工作臺(tái)兩級(jí)進(jìn)給的工作方式。優(yōu)點(diǎn)是單級(jí)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，理論建模及操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便；兩級(jí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)能夠充分利用壓電陶瓷的高精度定位功能。分度系統(tǒng)由直線電機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)氣浮導(dǎo)軌和壓電陶瓷微位移精定位機(jī)構(gòu)組成，刻劃機(jī)的差不多分度動(dòng)作即工作臺(tái)的粗定位，由直線電機(jī)完成。直線電機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)：傳統(tǒng)的光柵刻劃機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿副和絲杠螺母副組成。傳統(tǒng)刻劃機(jī)粗定位機(jī)構(gòu)蝸輪

39、蝸桿副位移分度系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的前端，因?yàn)橹芷谡`差會(huì)阻礙光柵刻線的周期誤差，因此減小周期誤差是蝸輪蝸桿副的關(guān)鍵。機(jī)構(gòu)定位精度對蝸輪蝸桿的機(jī)械加工精度有所依靠。而絲杠螺母副是傳統(tǒng)大刻劃機(jī)的“心臟”，是直接產(chǎn)生周期誤差的最為關(guān)鍵的部件。該種傳動(dòng)的特點(diǎn)是具有較長的運(yùn)動(dòng)范圍，能夠滿足大行程的需求；降速比大，在轉(zhuǎn)角專門大的情況下，可得到專門小的直線位移量；可獲得較高的定位精度，空回誤差能夠消除或操縱得專門??；具有增力作用，主動(dòng)件上轉(zhuǎn)矩專門小時(shí)，從動(dòng)件能產(chǎn)生專門大的軸向力。缺點(diǎn)是絲杠的安裝誤差、絲桿本身的彎曲、滾珠的跳動(dòng)及制造上的誤差、螺母的預(yù)緊程度等都會(huì)給導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度帶來阻礙，位移分辨率較低，其運(yùn)動(dòng)剛度決定于

40、設(shè)計(jì)參數(shù)。該類裝置的自動(dòng)操縱進(jìn)給過程比較復(fù)雜，響應(yīng)速度低，難以用于特不周密的微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：省略了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)械磨損，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠保持高增益，實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給前饋，對給定的加工路徑能夠用高速進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，從而保證了機(jī)床的高精度和使用壽命。運(yùn)行時(shí)，直線電機(jī)不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅(qū)動(dòng)的慣性要緊存在于滑臺(tái)，因此加工時(shí)能夠有專門高的加速度。直線電機(jī)靠電磁推力驅(qū)動(dòng)，故系統(tǒng)噪聲專門小，改善了工況環(huán)境。直線電機(jī)能夠認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它能夠看作是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。如圖所示：直

41、線電機(jī)示意圖該結(jié)構(gòu)電機(jī)特點(diǎn)為：(1)直線電機(jī)位移裝置由三部分組成：力與運(yùn)動(dòng)發(fā)生裝置、刀架及運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副、力與運(yùn)動(dòng)操縱系統(tǒng)。(2)用直線型電磁裝置來產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)力和直線運(yùn)動(dòng)。(3) x、z方向的驅(qū)動(dòng)力通過徑向支承結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌副來承受。(4)驅(qū)動(dòng)力與位移精度均由操縱系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速超周密氣浮平臺(tái)，其直線進(jìn)給單元加速度變化的不連續(xù)性以及缺少中間彈性阻尼環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，限制了直線進(jìn)給精度，難以滿足超周密的要求；同時(shí)直線氣浮系統(tǒng)傳動(dòng)阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅(qū)動(dòng)功率的增大而變得更差。因?yàn)楦蓴_力和負(fù)載變化直接阻礙其動(dòng)態(tài)性能，最終極大地阻礙了高定位穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)精度的實(shí)現(xiàn)。因此需要對

42、直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，對其進(jìn)行進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元法對其進(jìn)行電磁流固耦合分析，驗(yàn)證電機(jī)推力，分析直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。工作臺(tái)：刻劃機(jī)的工作臺(tái)為單層臺(tái)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)使其滿足大剛度和輕質(zhì)量差不多要求，還使導(dǎo)軌的移動(dòng)副和光柵毛胚刻劃面處于同一平面上，即符合阿貝原則。工作臺(tái)氣浮導(dǎo)軌：工作臺(tái)導(dǎo)軌起承載和導(dǎo)向作用，是大光柵刻劃機(jī)最重要的組成元件之一，其直線性精度直接決定了光柵的刻劃精度，有嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的光柵刻劃機(jī)多采納滑動(dòng)導(dǎo)軌或滾柱式導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌具有機(jī)構(gòu)簡單、緊湊、剛度高，停止時(shí)的穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性高及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，作為超周密加工用的元部件能夠充分利用其優(yōu)點(diǎn)。然而滑動(dòng)導(dǎo)軌也有缺點(diǎn)，即

43、動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的差值較大，有爬行，定位精度有限，低速時(shí)運(yùn)動(dòng)的平滑度比其他導(dǎo)軌差。滾柱導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，也便于后續(xù)的精研磨處理；缺點(diǎn)是盡管摩擦系數(shù)較小，但依舊在一定程度上存在動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差異，在極低速運(yùn)行的情況下（工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度范圍為5.56nm/s8333.33nm/s）還會(huì)有一些不確定的非線性位移狀態(tài)的存在。另外由于滾動(dòng)體與導(dǎo)軌之間的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸，其抗振性與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較差。而氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌副的摩擦力幾乎為零，系統(tǒng)的隨動(dòng)性能極好，能夠從全然上解決“爬行”問題，氣體支承可在最清潔的狀態(tài)下工作，具有冷態(tài)工作的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)精度高，壽命長

44、，能夠在專門寬的溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作，能夠保持專門小的間隙。但缺點(diǎn)是剛度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便，而且由于有外來氣體向恒溫室內(nèi)的泄漏，會(huì)對恒溫精度和激光干涉儀的測量精度產(chǎn)生不利阻礙。解決的措施是采取一些主、被動(dòng)措施來降低該阻礙的程度，如將外泄的氣體回收并導(dǎo)出恒溫室，并將激光干涉儀的光路利用伸縮筒封閉起來等。從精度的角度考慮，并參考國際上現(xiàn)有的超周密定位平臺(tái)，本項(xiàng)目擬采納氣浮導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的示意圖如下圖所示。氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖針對氣浮導(dǎo)軌的缺點(diǎn)，對導(dǎo)軌承載能力、剛度特性進(jìn)行分析壓電陶瓷微位移精定位機(jī)構(gòu)：壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷具有出力大，響應(yīng)速度快，無發(fā)熱

45、，位移分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，是微位移機(jī)構(gòu)的理想驅(qū)動(dòng)元件。此外，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性并行機(jī)構(gòu)不僅具有更高的精度、剛度，還包括無間隙、幾乎無摩擦、無潤滑、無熱量產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。依照刻劃精度要求，分度精度應(yīng)該優(yōu)于10nm，首先需要確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)器的分辨力要高于那個(gè)分度精度。擬選用PI公司的P-841.20壓電驅(qū)動(dòng)器元件，它的分辨力是0.3nm，在10KHz信號(hào)頻率時(shí)最大響應(yīng)幅度約為0.9m，能夠滿足使用需求。2.刻劃系統(tǒng)刻劃系統(tǒng)由刀架摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌、刻刀微位移機(jī)構(gòu)組成，該系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)金剛石刀具的等速往復(fù)運(yùn)動(dòng)并完成光柵的刻劃。其中刀架氣浮導(dǎo)軌同時(shí)對刀架承重和導(dǎo)向?？痰段⑽灰茩C(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)金

46、剛石刀具的抬落和刀刃的切換。工作時(shí)伺服電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，由摩擦力推動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)等速往復(fù)運(yùn)動(dòng)；由壓電驅(qū)動(dòng)器操縱金剛石刀具的抬落，并在待刻光柵上刻一條刻槽。刀架摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：傳統(tǒng)的刻劃系統(tǒng)是通過偏心連桿機(jī)構(gòu)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)中間滑塊，中間滑塊牽引刻橋運(yùn)動(dòng)。高精度的刻劃常設(shè)計(jì)刀架等速機(jī)構(gòu)，其作用是使刻刀在刻劃過程中保持勻速運(yùn)動(dòng)，以確保光柵刻線的刻劃質(zhì)量。在單一刻線的刻劃過程中，假如刻刀通過刻線上各點(diǎn)的速度不同，鋁膜的被擦光程度和被擠壓程度都不相同，這會(huì)阻礙光柵的整體質(zhì)量。采納等速機(jī)構(gòu)能夠解決那個(gè)問題。另外，在刻劃方式上假如采納連續(xù)式刻劃，刻刀的不等速會(huì)造成刻槽直線的彎曲，必須采納等速刻劃。但如此的

47、刻劃系統(tǒng)傳動(dòng)鏈較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)精度對裝配精度要求較高，在刻劃不同面積的光柵時(shí)，等速機(jī)構(gòu)擺桿調(diào)節(jié)較苦惱。本項(xiàng)目擬采納摩擦驅(qū)動(dòng)作為刀架往復(fù)等速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。摩擦驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)無反向間隙、噪聲小的等速傳動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，因此一直被認(rèn)為是一種特不適合超周密加工的傳動(dòng)系統(tǒng)。一般的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和齒輪齒條相似，能夠把電機(jī)的勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為勻速直線運(yùn)動(dòng)。摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其工作原理如下：與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)體相連的驅(qū)動(dòng)桿夾在兩個(gè)摩擦輪之間，用彈簧壓板壓緊，使驅(qū)動(dòng)桿無滑動(dòng)。兩個(gè)摩擦輪均有靜壓軸承支承，能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。下摩擦輪有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠摩擦力帶動(dòng)導(dǎo)軌作特不平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。采納摩擦傳動(dòng)機(jī)

48、構(gòu)，機(jī)床導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)特不平穩(wěn)，同時(shí)達(dá)到極高的直線運(yùn)動(dòng)精度。最典型的應(yīng)用即美國LODTM大型超周密機(jī)床采納的確實(shí)是摩擦驅(qū)動(dòng)。刀架氣體靜壓導(dǎo)軌：刻槽的直線性由刀架導(dǎo)軌的平面度保證，導(dǎo)軌的平面度為1/8。另外，在系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸上安裝有21位光電軸角編碼器，作為系統(tǒng)的抬落刀時(shí)刻基準(zhǔn)和連續(xù)工作模式的基準(zhǔn)位置信號(hào)，落刀時(shí)刻與分度系統(tǒng)的配合由計(jì)算機(jī)操縱。目前國內(nèi)現(xiàn)有刻劃機(jī)刀橋的運(yùn)行方式是刀橋帶著刀架在曲柄連桿驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，刀橋?qū)к壏植环旁诠ぷ髋_(tái)的兩側(cè)，刀橋橫跨工作臺(tái)，質(zhì)量和尺寸都較大。由于刀橋刀架一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量比較大，慣性大，換向時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。國外的一些刻劃機(jī)，如日立機(jī)以及MIT-C機(jī)等

49、，都采納兩根導(dǎo)軌，其中一根高精度平面導(dǎo)軌為小刀架導(dǎo)向，另一根圓導(dǎo)軌承載刀橋及小刀架的全部重量。本方案考慮到需要進(jìn)行金剛石刻刀的換刃問題，設(shè)計(jì)了刀架微位移機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致刀架系統(tǒng)的重量增加，因而不能沿用已有的導(dǎo)軌形式。設(shè)計(jì)采納閉式氣體靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的上平面為承重面，垂直的一個(gè)側(cè)平面為導(dǎo)向面。圖2.13為刀架導(dǎo)軌的示意圖，中間為刀架微位移機(jī)構(gòu)。刀架氣體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖采納球面與V型支座組合形成的鉸接支撐結(jié)構(gòu)，可極大地降低裝配工藝難度，減少由于裝配過程引起的導(dǎo)軌扭曲變形。右端壓電微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平微位移，左端柔性鉸接彈性變形實(shí)現(xiàn)X 、Y導(dǎo)軌直線誤差的精度補(bǔ)償。如此刀架導(dǎo)軌微位移精度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與左端柔性交接組合

50、，通過鉸接處的彈性變形，為刀架導(dǎo)軌提供橫向微量角位移與精細(xì)定位。在微位移補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中，支撐鋼球并不產(chǎn)生實(shí)際的滾動(dòng)，各支撐鋼球以彈性元件形式對導(dǎo)軌的形成彈性支承，可不能對微位移過程產(chǎn)生遲滯或爬行等不利的阻礙?？痰段⑽灰茩C(jī)構(gòu)：刻刀微位移機(jī)構(gòu)包括金剛石刀具的抬落機(jī)構(gòu)和刀刃的切換機(jī)構(gòu)。因光柵的最大刻劃面積為300300mm，當(dāng)刻劃79線mm的中階梯光柵時(shí)，刻刀在鋁膜表面上運(yùn)行的距離達(dá)23.7km，同時(shí)刻劃力專門大；當(dāng)刻劃300線mm的天文光柵時(shí)，行程更高達(dá)90km，會(huì)引起刀具的明顯磨損。為了解決刀具在刻劃過程中的磨損，延長刀具的使用壽命，設(shè)計(jì)了兩種金剛石刀具：一種是四面體刀，這種刀由四個(gè)平面交于一點(diǎn)

51、，兩邊的棱決定刻線的輪廓、刻劃時(shí)前刃和后刃近于一條直線（通常為178）。后槽是專門鈍的二面角，類似于圓弧型刻刀。這種刻刀，擠壓作用由鈍的二面角完成，代替了一般刻刀銳的棱尖，相比較而言強(qiáng)度更高、耐磨性更好，延長了刀具的壽命。缺點(diǎn)是前刃和后刃的直線性不容易保證，需要進(jìn)行工藝上的探究。另一個(gè)方案是研制一種具有圓弧形結(jié)構(gòu)的刻刀，利用復(fù)合式刀架的高精度轉(zhuǎn)刃機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀刃的切換。該方案的優(yōu)點(diǎn)是刀刃的定位精度相對容易保證，刀架結(jié)構(gòu)相對簡單。缺點(diǎn)是每一把刀只能刻劃一種角度的光柵，不具備互換性；因制作刀具的金剛石為單晶結(jié)構(gòu)，每個(gè)方向的硬度各異，刻劃工藝和刻刀的制作工藝不成熟，并需要重新設(shè)計(jì)制作一臺(tái)高精度磨刀機(jī)。圖

52、為不同金剛石刻刀的示意圖，圖為刻刀微位移機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖。 a:常用刻刀 b:圓弧刻刀 c:四面體刀圖2.14 金剛石刻刀圖圖2.15 復(fù)合式刀架結(jié)構(gòu)圖刻劃機(jī)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式間歇式運(yùn)動(dòng)那個(gè)地點(diǎn)所講的工作臺(tái)間歇式運(yùn)動(dòng)，是指光柵機(jī)工作臺(tái)運(yùn)行一個(gè)光柵常數(shù)后停止，然后由刻劃系統(tǒng)完成一條刻線的刻劃。下圖為工作臺(tái)間歇式運(yùn)動(dòng)時(shí)刻劃過程的原理框圖。工作臺(tái)間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)刻劃過程的原理框圖具體工作過程如下：首先由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在氣浮導(dǎo)軌上運(yùn)行一個(gè)光柵常數(shù)名義值，完成工作臺(tái)的粗定位。該過程屬于開環(huán)操縱。工作臺(tái)導(dǎo)軌帶來的運(yùn)行誤差，需做進(jìn)一步的補(bǔ)償。工作臺(tái)上放置待刻光柵，并安裝測長干涉儀和測角干涉儀的測量鏡，由這兩臺(tái)干涉儀

53、分不測出工作臺(tái)的定位誤差和擺角誤差。工作臺(tái)與底部的直線電機(jī)通過柔性機(jī)座相連，通過壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做微量調(diào)整，以補(bǔ)償粗定位的定位誤差和擺角誤差，待工作臺(tái)精確定位后，即可由刻劃系統(tǒng)完成一次刻劃，該過程為閉環(huán)操縱。2.連續(xù)式運(yùn)動(dòng)所謂工作臺(tái)連續(xù)式運(yùn)動(dòng)，是指光柵工作臺(tái)以恒定的速度在一個(gè)方向連續(xù)運(yùn)行，刻劃系統(tǒng)在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中完成一次刻劃。該方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)與間歇式運(yùn)動(dòng)時(shí)完全相同，只是在刻劃系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸上增加了一個(gè)21位角位移編碼器。下圖為工作臺(tái)連續(xù)式運(yùn)動(dòng)時(shí)刻劃過程的原理框圖。工作臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻劃過程的原理框圖具體工作過程如下：首先依照待刻光柵的具體刻線參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)確定刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度，

54、并依照該速度分不設(shè)定驅(qū)動(dòng)分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)的電機(jī)速度。該工作方式為連續(xù)刻劃（也能夠理解為動(dòng)態(tài)刻劃），實(shí)際上確實(shí)是通過光柵工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與刀架運(yùn)動(dòng)速度（或位置）的精確匹配，完成光柵的刻劃并保證光柵的刻線間距精度和刻線的直線性。工作臺(tái)同樣采納粗精兩級(jí)調(diào)速，由刻劃系統(tǒng)的光電軸角編碼器發(fā)出一系列在時(shí)刻上均勻分布的交流信號(hào)，并以該信號(hào)作為操縱工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻基準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)分度系統(tǒng)的直線電機(jī)的速度是依照待刻光柵的具體參數(shù)事先設(shè)定的，并由它本身的操縱系統(tǒng)加以操縱，能夠達(dá)到較高的直線精度，但由工作臺(tái)導(dǎo)軌帶來的誤差，必定會(huì)引起工作臺(tái)的運(yùn)行誤差，該誤差需經(jīng)做進(jìn)一步的補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)倪^程為首先由激光干涉儀測量上臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度

55、，并實(shí)時(shí)輸出運(yùn)動(dòng)信號(hào)的信息（周期或頻率），該信號(hào)經(jīng)處理后與編碼器輸出信號(hào)的相位相比較，并通過壓電驅(qū)動(dòng)器操縱二者的相位同步精度，實(shí)現(xiàn)光柵的高精度刻劃。從技術(shù)角度分析，間歇刻劃的最大缺點(diǎn)是工作臺(tái)在分度過程中處于一種循環(huán)式的“走-?！边\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采納靜壓式氣浮導(dǎo)軌，因工作臺(tái)加上待刻光柵的質(zhì)量較大，存在因慣性力而引起的諸多不確定因素。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是光柵的刻線間距精度和刻線直線性精度分不由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)單獨(dú)保證，二者之間相互獨(dú)立，沒有互相干擾的問題。而連續(xù)刻劃的缺點(diǎn)在于，作為時(shí)序基準(zhǔn)的光電編碼器的輸出存在誤差，會(huì)導(dǎo)致光柵刻線出現(xiàn)彎曲。刀架機(jī)構(gòu)的等速誤差也會(huì)產(chǎn)生刻線彎曲等等。同時(shí)，光柵的刻線間距精度和

56、刻線直線性精度由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)運(yùn)行速度的配合來保證，操縱難度相對增大。優(yōu)點(diǎn)是工作臺(tái)在分度過程中處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，慣性力的問題能夠在專門大程度上能夠解決。因此能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的條件下，采取以間歇刻劃為主同時(shí)兼顧連續(xù)刻劃的操縱方式更為穩(wěn)妥可靠。光柵刻劃機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件研究內(nèi)容周密工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為了滿足光柵刻劃符合阿貝原則，工作臺(tái)外臺(tái)采納了兩端懸臂的專門結(jié)構(gòu)。工作臺(tái)面的尺寸為350350（mm2）。工作臺(tái)加光柵毛坯總質(zhì)量約90kg。關(guān)于工作臺(tái)，我們首先關(guān)懷在承載光柵毛坯情況下毛坯刻劃面面型的變形是否滿足使用要求；其次關(guān)懷工作臺(tái)懸臂處受力情況以及驅(qū)動(dòng)方向的剛度能否滿足使用要求。重力作用下工作臺(tái)

57、臺(tái)面與光柵毛坯的接觸表面可能發(fā)生變形導(dǎo)致毛坯的支撐方式發(fā)生了變化，由原來的底面全接觸變成了只有兩端局部面接觸，必定會(huì)引起毛坯刻劃面的面型變形。因此需要通過有限元分析了解工作臺(tái)和光柵毛胚的接觸變形，并對工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最佳使用條件。周密氣浮導(dǎo)軌的研制氣浮導(dǎo)軌布置圖針對工作臺(tái)氣浮導(dǎo)軌的缺點(diǎn)，為了保證和提高軸承的承載能力與剛度特性，需要對節(jié)流器部分關(guān)鍵尺寸進(jìn)行研究，分析節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔長度、氣腔直徑和氣腔深度對矩形導(dǎo)軌承載能力與剛度的阻礙，進(jìn)行多參數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得符合要求的承載能力和剛度特性。由于系統(tǒng)所采納的氣浮導(dǎo)軌，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振幅為納米級(jí)的微幅振動(dòng)，進(jìn)而阻礙系統(tǒng)精度。微

58、振動(dòng)發(fā)生時(shí)其振幅通常在幾納米到幾十納米，頻率從幾十赫茲到幾千赫茲。這種振動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是只有給氣浮軸承通氣時(shí)才出現(xiàn)，因此顯然是一種流體引發(fā)的振動(dòng)。這種振動(dòng)關(guān)于一個(gè)精度要求達(dá)到納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)極為有害。首先，這種振動(dòng)沿運(yùn)動(dòng)方向的重量直接阻礙定位精度；其次，這種振動(dòng)的頻率假如落在操縱帶寬之內(nèi)，由于屬于一種閉環(huán)之外的擾動(dòng)，操縱系統(tǒng)對它的抑制作用專門小，且系統(tǒng)一旦加上使能，這種振動(dòng)將會(huì)被放大，從而大大降低系統(tǒng)的操縱精度。因此必須對導(dǎo)軌進(jìn)行流固耦合分析，采取相應(yīng)的抑制措施，保障超周密氣浮工件臺(tái)系統(tǒng)的精度實(shí)現(xiàn)。壓電陶瓷微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的鉸鏈微位移機(jī)構(gòu)能夠使精定位達(dá)到專門高的精度和分辨率。不

59、同的彈性鉸鏈其力學(xué)性能相差較大，因此需要對鉸鏈微位移機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其滿足性能要求。柔性鉸鏈的差不多性能包括剛度、精度、應(yīng)力特性等多方面，不同性能直接關(guān)系到微進(jìn)給系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。需要通過有限元分析得到壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的可控性；機(jī)構(gòu)動(dòng)、靜態(tài)負(fù)載特性；機(jī)構(gòu)精度傳遞特性及其穩(wěn)定性；壓電晶體溫度特性；微位移機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性等性能指標(biāo)。摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)是利用主動(dòng)輪與從動(dòng)搶在直接接觸處所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。從傳動(dòng)的工作原理來看，摩擦輪傳動(dòng)工作時(shí)，在兩個(gè)摩擦輪的接觸面之間可能產(chǎn)生下列不同性質(zhì)的滑動(dòng)，即彈性滑動(dòng)、打滑及幾何滑動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)只要適當(dāng)增大壓緊力，則打滑是完全可幸免的。然而在起動(dòng)和劇

60、烈變速等短時(shí)刻內(nèi)，出現(xiàn)過載而引起短時(shí)刻的打滑是專門難免的。摩擦輪傳動(dòng)在正常工作時(shí)，除去打滑失效之外，當(dāng)兩輪差不多上金屬材料時(shí)，在潤滑良好的條件下，傳動(dòng)還可能由于表面接觸強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕破壞。為了防止疲勞點(diǎn)蝕，應(yīng)進(jìn)行表面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算多為了防止磨損。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAE）起始于上個(gè)世紀(jì)50年代中期的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE，Computer Aided Engineering），在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的進(jìn)展及緊密結(jié)合的情況下得到了快速的進(jìn)展，為整個(gè)工業(yè)的進(jìn)展起了巨大的推動(dòng)作用。機(jī)械行業(yè)大中型企業(yè)的眾多工程技術(shù)人員也在CAD（Computer Aided Design）普及的條件下，將