科學(xué)研究計劃項目策劃申請書編寫提綱

1、國家重點基礎(chǔ)研究進展打算（含重大科學(xué)研究打算）項目申請書編寫提綱項目摘要（1,000字左右） 簡述項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、 立項依據(jù)項目所面向的我國經(jīng)濟、社會、國家安全和科學(xué)技術(shù)自身進展的重大需求，項目研究的科學(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）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現(xiàn)復(fù)色光的空間分離。近年來，隨著微加工技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進展，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)域擴展到計量科學(xué)、光通信、X射線天體物理學(xué)、實驗力

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)的進展，對光柵刻劃密度要求越來越高，具文獻資料顯示，目前世界上可刻劃出的最高刻線密度的光柵為：10800g/mm，同時定位精度可達(dá)5nm。在刻劃光柵時，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)的不斷進展進步，特不是一些大型高技術(shù)工程項目的陸續(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)工程項目成敗的關(guān)鍵。同時，由于這些大工程項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)的進展，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑己由原來的直徑不到lm進展到現(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。那個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)，配置了多臺低、中、高分辨率的光譜儀同時觀測4000個目標(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，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)、高劑量的實驗中。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)激光核聚變項目的需要當(dāng)今國際上，能否充分利用被譽為取之不盡的新型能源核能源，己經(jīng)成為一個國家綜合實力尤其是高科技實力的體現(xiàn)。我國差不多正式簽署了全面禁止核試驗的國際公約，向全世界鄭重承諾不在野外進行核彈實驗，但關(guān)于一個有核的國家，關(guān)于核技術(shù)的研究、掌握和操縱是特不重要的。世界上幾個發(fā)達(dá)國家己經(jīng)將核技術(shù)的研究實驗轉(zhuǎn)入室內(nèi)進行，如美國的LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)國家實驗室，在激光核聚變項目上，使用了大面積衍射光柵來對激光脈沖進行時刻和空

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)于一個國家的科學(xué)技術(shù)的進展起著至關(guān)重要的作用，也是一個國家高科技實力的體現(xiàn)。若想獲得大面積衍射光柵，最容易想到的方法確實是利用光柵刻劃機來刻制，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，由于近代高精度機械加工設(shè)備的出現(xiàn)及加工技術(shù)的進展，使得研制高精度、大行程衍射光柵刻劃機成為可能。目前，我國長春光機所研制的2號光柵刻劃

9、機，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能夠刻劃的最大面積。美國理查森光柵實驗室(Richardson Grating Laboratory)所研制的MIT-B型光柵刻劃機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，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、機的研究力度。于此同時，由于光柵刻劃機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)。因此光柵刻劃機在刻槽間隙方向的定位技術(shù)屬于大行程納米級的超周密定位技術(shù)。因此，對刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃機的研究，另一方面也能夠促進大行程納米級定位技術(shù)的研究，從而推動微電子制造、光電測量儀器、各種超周密加工等領(lǐng)域的進展，也從另一方面提升我國的綜合實力。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進展趨勢國際最新研究進展和進展趨勢，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。光柵刻劃機被稱為“周密機械之王”，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之外，中

11、國是唯一一個擁有光柵刻劃機的進展中國家。其中，美國 Richardson 光柵實驗室和日本 Hitachi 公司所研制的光柵刻劃機處于世界的領(lǐng)先水平。美國的光柵刻劃機研究現(xiàn)狀目前，美國 Richardson 光柵實驗室共有 3 臺光柵刻劃機全日運行，每年都會生產(chǎn)出大量的高質(zhì)量光柵。這 3 臺光柵刻劃機分不是：Michelson 刻劃機、Mann 刻劃機和MIT-B刻劃機。 Michelson刻劃機1947年，Bausch & Lomb從美國芝加哥大學(xué)獲得他們的第一臺光柵刻劃機。這臺光柵刻劃機最初是由 Michelson于 1910 年代設(shè)計，后來被 Gale改造。在通過進一步的改良之后，這臺光

12、柵刻劃機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 刻劃機最初設(shè)計的時候采納了一個適當(dāng)?shù)臋C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)字計算機伺服操縱系統(tǒng)所取代。Michelson 刻劃機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Mann刻劃機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，這臺光柵刻劃機就開始生產(chǎn)光柵了。Bausch & Lomb采納Harrison光柵實驗室的 MIT9光柵刻劃機的

13、技術(shù)為 Mann 刻劃機裝備了一套干涉伺服操縱系統(tǒng)。Mann 刻劃機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，螺紋和軸承仍然會有殘留誤差。在生產(chǎn)高質(zhì)量的光柵的時候，必須對這些誤差進行補償，因此 Mann 刻劃機采納了一套自動干涉儀伺服系統(tǒng)。在對每條刻槽進行刻劃的時候，該系統(tǒng)不斷地對光柵工作臺進行調(diào)整，使其保持在正確的位置。事實上，那個伺服系統(tǒng)相當(dāng)于一根完美的絲桿。MIT-B刻劃機MIT-B 刻劃機是由美國 Harrison 光柵實驗室建筑，并于 1968 年搬到美國的羅契斯特市，在刻劃平面光柵時，MIT-B 刻劃機可獲得

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

15、杠螺母機構(gòu)進行混合驅(qū)動，實現(xiàn)連續(xù)運動 -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 年研制刻劃機的布局圖，圖 為該刻劃機的實拍照片。因為在刻劃光柵時需要對溫度進行嚴(yán)格的操縱，因此，刻劃機的要緊部分被安放在一個溫度被穩(wěn)定操縱在 范圍內(nèi)的房間內(nèi)?？虅潤C下面的地板是由 4 個空氣波浪管支撐，從而隔離外部的震動。一些會產(chǎn)生熱量或者震動的設(shè)備：計算機、操縱系統(tǒng)和主直流電機等都被放在了房間的不處。日本Hitachi公司1992 年刻劃機原理布局圖在設(shè)計工作臺時，Hitachi 公司的研究人采納了一種比較新的設(shè)計概念，將工作臺分為上層臺和下層臺，如圖 ？ 所

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

17、框圖，該操縱系統(tǒng)由一個計算機中編程實現(xiàn)的順序操縱系統(tǒng)、兩個反饋操縱環(huán)和作為驅(qū)動器的一個壓電陶瓷機一個伺服電機組成。日本Hitachi公司1992 年刻劃機要緊部分實物日本Hitachi公司1992 年刻劃機工作臺設(shè)計原理圖日本Hitachi公司1992 年刻劃機工作臺位移原理圖？是Hitachi公司1992年刻劃機的操縱系統(tǒng)框圖，該操縱系統(tǒng)由一個計算機中編程實現(xiàn)的順序操縱系統(tǒng)、兩個反饋操縱環(huán)和作為驅(qū)動器的一個壓電陶瓷機一個伺服電機組成。日本Hitachi公司1992 年刻劃機操縱系統(tǒng)框圖國內(nèi)的光柵刻劃機研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)只有長春光機所一家研究機構(gòu)仍在進行衍射光柵刻劃機的研究。長春光機所目前共有

18、自行研制的 5 臺機械式和光電操縱式光柵刻劃機在正常運轉(zhuǎn)。長春光機所2號光柵刻劃機圖？ 是長春光機所 2 號光柵刻劃機，它建筑于 1965 年。當(dāng)時的最大刻劃面積為：，在 1992 年進行擴程改造后，其刻劃面積達(dá)到。該機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 ; 的實驗用透射光柵。在 1999 年，長春光機所對 2 號光柵刻劃機進行了光電操縱改造。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 號光柵刻劃機進行了改造，圖？即為通過改造后，2號光柵刻劃機的實物圖。長春光機所2號光柵刻劃機實物2 號光柵刻劃機采納羅蘭型的刻劃方式，改

19、造后，工作臺采納雙層臺的結(jié)構(gòu)，分為外工作臺和內(nèi)工作臺，內(nèi)工作臺通過四個彈簧鋼片懸掛在外工作臺的內(nèi)部。外工作臺安裝在兩個平行滑動導(dǎo)軌上，通過一個絲桿螺母副帶動外工作臺和內(nèi)工作臺在分度方向?qū)崿F(xiàn)大行程的運動。在外工作臺和內(nèi)工作臺之間安裝了一個壓電陶瓷驅(qū)動裝置，通過壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動內(nèi)工作臺相關(guān)于外工作臺實現(xiàn)微位移。長春光機所大光柵刻劃機（在研）長春光機所正在研制一臺要達(dá)到國際領(lǐng)先水平的大型高精度衍射光柵刻劃機及其運動系統(tǒng)，這臺刻劃機的研制目標(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)無故障運行時刻不小于 30 晝夜；光柵衍射波前誤差小于（范圍，）。如圖？為大光柵刻劃機的整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)

20、計立體圖。長春光機所大光柵刻劃機整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計立體圖這臺光柵刻劃機總體設(shè)計方式采納羅蘭方式，即工作臺承載待刻光柵做單方向分度運動，光柵刻刀做往復(fù)運動，運動方向與分度方向垂直。每運行一個周期刻劃一條柵線?？虅潤C由動力系統(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)是刻劃機最為關(guān)鍵的部分。這臺刻劃機也是將工作臺分為內(nèi)外兩層臺結(jié)構(gòu)，內(nèi)臺通過四個彈簧鋼片懸掛在外臺內(nèi)部，待刻光柵毛坯則放置于內(nèi)臺上，并在內(nèi)外臺之間安裝兩個壓電陶瓷驅(qū)動器（分不置于內(nèi)臺兩側(cè)），實現(xiàn)內(nèi)臺相關(guān)于外臺的微位移驅(qū)動。采納兩路雙頻激光干涉儀進行測量定位，通過兩個壓電陶瓷驅(qū)動器對內(nèi)臺進

21、行精確定位并對擺角進行校正。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)、有機地形成一個整體來詳細(xì)闡述，重點要突出，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，光柵刻劃機則被稱為“周密機械之王”。光柵刻劃機作為一項周密工程，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既體現(xiàn)了一個國家科學(xué)技術(shù)的進展程度，又是科學(xué)研究和經(jīng)濟建設(shè)不可缺少的手段。周密定位技術(shù)更是光柵刻劃機中的關(guān)鍵技術(shù)之一，定位系統(tǒng)在各種光柵刻劃機中都到關(guān)鍵性的作用。周密定位是一個交叉性的綜合研究領(lǐng)域，需要

22、周密機械、操縱、計算機、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、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。由于周密定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性、對高科技進展阻礙的重要性，因而一直是各個發(fā)達(dá)國家的科研機構(gòu)、高等院校和大型企業(yè)研究的重點。周密定位技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中有不同的類型，以下依照運動行程和運動方式來對周密定位技術(shù)進行分類。從工作行程來講，周密定位的應(yīng)用分為兩個領(lǐng)域。一個是微行程領(lǐng)域，定位行程從幾微米到幾十微米，相應(yīng)的定位機構(gòu)稱為微動臺、微位移器及微進給機構(gòu)等；另一個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，要求其工作臺與測頭一起實現(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，要求工作臺能在幾十毫米內(nèi)進行兩維或多維的納米級精度定位。周密定位的概念在不同時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)分為周密級和超周密級。當(dāng)前，亞微米定位精度是周密定位的最低限度，而納米級的定位精度則代表著周密定位技術(shù)的最高水平。而作為“周密機械之王”的光柵刻劃機，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、幾十微米擴大到幾毫米、幾十毫米甚至幾百毫米，并不是一個簡單的數(shù)值放大問題，還要在總體方案中綜合考慮及其各個關(guān)鍵部件的精度分配、加工精度、裝調(diào)精度、檢測方式、運行部件的精度傳遞、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，工作臺的機械結(jié)構(gòu)、位置反饋檢測方法和定位操縱策略等整個系統(tǒng)的軟硬件都要發(fā)生專門大變化。因此在刻劃機的設(shè)計和研制中，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：工作臺的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動：眾所周知，要實現(xiàn)超周密定位，首先要有能實現(xiàn)納米量級驅(qū)動分辨率的微位移機構(gòu)。實現(xiàn)微位移的機械傳動機構(gòu)、導(dǎo)軌支承形式和驅(qū)動方法具有多樣性，從機械結(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超周密定位機構(gòu)，工作臺可分為兩種類型：一種是單層工作臺，采納一次定位或步進定位的形式；另一種是采納疊加式(雙層)工作臺，采納雙驅(qū)動或混合驅(qū)動的方法，將定位分為兩個過程：即粗定位和精定位，或宏定位和微定位。實際上，微定位的過程確實是誤差補償或精度補償?shù)倪^程。單層工作臺的大行程定位系統(tǒng)多采納的是靜壓驅(qū)動技術(shù)的氣浮導(dǎo)軌定位工作臺，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，但仍有專門多學(xué)者致力于對其進行研究，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)和計算機操縱技

26、術(shù)的迅速進展，特不是壓電陶瓷和柔性鉸鏈兩者的結(jié)合，極大地推動了納米定位技術(shù)的有用化。而近年來，以壓電陶瓷為驅(qū)動器、結(jié)合各種新型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的微動工作臺一直是超周密定位研究的熱點之一；大行程納米傳感器：在工作臺定位時的位移檢測方面，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、實時動態(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：對微米級的運動定位，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、溫度、濕度、氣流等干擾對定位誤差的阻礙異常突出，系統(tǒng)的不確定性和時變性加劇，傳統(tǒng)的PID操縱往往難以勝任。以工作臺固有特性、動態(tài)特性和驅(qū)動方式為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新的有效的操縱算法，實現(xiàn)工作臺快速、穩(wěn)定、大行程的納米級周密定位；同時，綜合運用宏觀和微觀力學(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虛實混合的仿真建模分析方法，建立一個新型的考慮微觀效應(yīng)的納米級超周密定位工作臺的建模和仿真方法；并在此基礎(chǔ)上對工作臺進行深入的機構(gòu)分析和運動分析，并分析機械系統(tǒng)中各項參數(shù)對工作臺定位精度的阻礙，以進一步輔助調(diào)整和設(shè)計機械結(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)中摩擦的存在會產(chǎn)生低速爬行和極限環(huán)振蕩，同時造成穩(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，對亞微米級定位

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，以便于在操縱時實施預(yù)測補償；誤差補償：定位系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)都存在誤差，通過分析各項誤差及其來源，而后提高關(guān)鍵零部件的制造、安裝精度以及對誤差實施補償是提高定位精度的兩種常用方法。目前，誤差補償方法已從系統(tǒng)誤差補償向隨機誤差補償、單項誤差補償向全誤差補償、靜態(tài)誤差補償向動態(tài)誤差補償?shù)姆较蜻M展，在補償?shù)姆椒ㄉ宪浖a償十分有效，進展勢頭強勁，逐漸成為要緊的補償方法；振動操縱：阻礙定位精度的振動能夠分為兩個方面，一個是環(huán)境振動造成定位系統(tǒng)中部件的振動，另一個是定位系統(tǒng)內(nèi)部的振動。解決前一個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

30、隔振等，近些年來隨著隔振技術(shù)的進展，還出現(xiàn)了對隔振平臺實施主動隔振技術(shù)的方法。對定位系統(tǒng)內(nèi)部振動的研究，差不多從將振動當(dāng)作故障源進行研究，進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，在理論、方法等方面預(yù)期取得的進展、突破及其科學(xué)價值，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。 機械機構(gòu)超周密衍射光柵刻劃機工作方式及系統(tǒng)組成光柵刻劃機依照工作方

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)運動，工作臺垂直于刻劃方向作單方向運動，通過兩個方向的運動合成，實現(xiàn)光柵刻劃。這種形式符合運動學(xué)的觀點，較重的工作臺緩慢移動，較輕的刻劃系統(tǒng)快速往返運動，刻劃過程比較平穩(wěn)。其缺點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：工作臺往復(fù)運動，光柵刻刀在垂直于工作臺運動方向上做單方向進給運動，通過兩個方向的運動合成，實現(xiàn)光柵刻劃。這種運動方式能自動消除扇形誤差，但較重的工作臺快速往返運動，較輕的刀橋緩慢移動，運動不平穩(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：工作臺不動，由刀橋進行單方向進給和刻刀往復(fù)運動實現(xiàn)刻劃，具體見圖2.3所示。這種刻劃機的設(shè)計及制造專門復(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，工作臺進行單方向進給和在刻劃方向往復(fù)運動實現(xiàn)光柵刻劃。這種方式由于缺點較多，專門少采納。 圖2.4 反斯托洛克型運動示意圖國際上比較聞名的光柵刻劃機的工作方式都采納羅蘭方式，這種運行方式的優(yōu)點是運行精度易于保證，結(jié)構(gòu)相對簡單。表2.1 國內(nèi)外典型光柵機的對比國不裝備名稱工作方式特點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，采納“連續(xù)運動、間歇刻劃”。200300mm26000g/mm中國CIOMP-4羅蘭式單層工作臺，光柵干涉儀測量定位，有減重措施150150 mm22400g/mm中國CG-500羅蘭式可實現(xiàn)間歇式和連續(xù)式刻劃，雙層工作臺，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)運動間歇刻劃。其中間歇式刻劃機是較早期的機器形式，最早刻劃機工作臺的分度精度完全依靠機械系統(tǒng)的加工精度和裝調(diào)精

34、度來保證，屬于純機械式刻劃機。這種機器的運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，運行精度有所提高。在上世紀(jì)70年代，連續(xù)式光柵刻劃機逐步成為光柵機的主流產(chǎn)品，并通過這些刻劃機制做出許多高質(zhì)量的平面光柵和凹面光柵。以上刻劃機的工作臺差不多上單層臺結(jié)構(gòu)。關(guān)于中小型光柵刻劃機，這種形式的工作臺是能夠勝任的。但關(guān)于大型光柵刻劃機，由大質(zhì)量工作臺帶來的微觀非線性誤差成為制約工作臺定位精度的要緊因素，不利于精度的進一步提高。另外工作臺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、雙層工作臺進行周密定位，刻劃方式為連續(xù)運動、間歇刻劃的光柵刻劃機，實現(xiàn)了運行精度為5nm、 刻線密度10000線/mm光柵的制作精度要求，從定位精度上講，這臺刻劃機代表了當(dāng)今世界的頂級水平。光柵刻劃機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件光柵機的整機結(jié)構(gòu)三維立體示意圖本項目中光柵刻劃機的總體運行方式采納羅蘭方式，即工作臺承載待刻光柵做單方向分度運動，光柵刻刀做往復(fù)運動，運動方向與分度方向垂直。每運行一個周期刻劃一條柵線。基于這種工作方式，刻劃機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)軌的制造精度和運動精度。此外檢測Z、X向運動位置的雙頻激光測量系統(tǒng)

36、能夠裝在固定不動的床身上，僅將測量位置用的反射鏡裝在Z、X方向的移動部件上。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。刻劃機的結(jié)構(gòu)要緊由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)組成?？虅潤C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、氣浮導(dǎo)軌副、工作臺、壓電驅(qū)動柔性鉸鏈機構(gòu)。工作臺由直線電機拉動在Y方向沿導(dǎo)軌做單向運動。刻劃系統(tǒng)要緊包括刀架摩擦驅(qū)動機構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌副、刻刀微位移機構(gòu)。由刀架摩擦驅(qū)動機構(gòu)帶動刀架在x方向沿刀架氣浮導(dǎo)軌做往復(fù)等速運動，刻刀微位移機構(gòu)的作用是實現(xiàn)光柵刻刀的抬落和刀刃的切換。設(shè)計、制造這臺高精度衍射光柵刻劃機，在技術(shù)上遵循的差不多原則是：從原理動身，充分考慮“阿貝原則

37、”、“運動學(xué)設(shè)計原理”、 “彈性平衡原則”及“熱平衡原則”等各種有利于提高精度的機械設(shè)計原理，參考現(xiàn)有光柵刻劃機的制造基礎(chǔ)及關(guān)鍵部件，如周密工作臺的現(xiàn)代進展成果，融入原始創(chuàng)新設(shè)計思想，設(shè)計建筑一臺國際領(lǐng)先水平的衍射光柵刻劃機。1.分度系統(tǒng)分度系統(tǒng)要緊功能是實現(xiàn)工作臺的超周密定位。工作臺的定位精度直接阻礙光柵光譜質(zhì)量、雜散光和鬼線強度，是光柵刻劃機機構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)鍵的部分。目前大行程超周密工作臺設(shè)計的方案要緊有兩種設(shè)計思路：1)單級進給方式，采納直線電機非接觸進給或利用靜摩擦驅(qū)動進給等；2)兩級進給方式，立即定位分為兩個過程：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。實際上，

38、微定位的過程確實是誤差補償或精度補償?shù)倪^程。兩級進給的方案與單級進給相比，優(yōu)點是能夠結(jié)合目前成熟的大行程工作臺技術(shù)與壓電陶瓷驅(qū)動器的優(yōu)點，降低技術(shù)難度和研制風(fēng)險，然而不可幸免地使工作臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化并增加了操縱系統(tǒng)的操縱難度。本項目采納一級工作臺兩級進給的工作方式。優(yōu)點是單級工作臺結(jié)構(gòu)簡單，理論建模及操縱系統(tǒng)設(shè)計方便；兩級進給驅(qū)動能夠充分利用壓電陶瓷的高精度定位功能。分度系統(tǒng)由直線電機粗定位機構(gòu)、工作臺氣浮導(dǎo)軌和壓電陶瓷微位移精定位機構(gòu)組成，刻劃機的差不多分度動作即工作臺的粗定位，由直線電機完成。直線電機粗定位機構(gòu)：傳統(tǒng)的光柵刻劃機粗定位機構(gòu)由蝸輪蝸桿副和絲杠螺母副組成。傳統(tǒng)刻劃機粗定位機構(gòu)蝸輪

39、蝸桿副位移分度系統(tǒng)傳動鏈的前端，因為周期誤差會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。機構(gòu)定位精度對蝸輪蝸桿的機械加工精度有所依靠。而絲杠螺母副是傳統(tǒng)大刻劃機的“心臟”，是直接產(chǎn)生周期誤差的最為關(guān)鍵的部件。該種傳動的特點是具有較長的運動范圍，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，主動件上轉(zhuǎn)矩專門小時，從動件能產(chǎn)生專門大的軸向力。缺點是絲杠的安裝誤差、絲桿本身的彎曲、滾珠的跳動及制造上的誤差、螺母的預(yù)緊程度等都會給導(dǎo)軌運動精度帶來阻礙，位移分辨率較低，其運動剛度決定于

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

41、線電機示意圖該結(jié)構(gòu)電機特點為：(1)直線電機位移裝置由三部分組成：力與運動發(fā)生裝置、刀架及運動導(dǎo)軌副、力與運動操縱系統(tǒng)。(2)用直線型電磁裝置來產(chǎn)生所需的驅(qū)動力和直線運動。(3) x、z方向的驅(qū)動力通過徑向支承結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌副來承受。(4)驅(qū)動力與位移精度均由操縱系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 由于直線電機驅(qū)動的高速超周密氣浮平臺，其直線進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，限制了直線進給精度，難以滿足超周密的要求；同時直線氣浮系統(tǒng)傳動阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅(qū)動功率的增大而變得更差。因為干擾力和負(fù)載變化直接阻礙其動態(tài)性能，最終極大地阻礙了高定位穩(wěn)定性和動態(tài)精度的實現(xiàn)。因此需要對

42、直線電機的驅(qū)動技術(shù)進行研究，對其進行進給結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用有限元法對其進行電磁流固耦合分析，驗證電機推力，分析直線電機進給機構(gòu)的動態(tài)特性。工作臺：刻劃機的工作臺為單層臺結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計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。工作臺氣浮導(dǎo)軌：工作臺導(dǎo)軌起承載和導(dǎo)向作用，是大光柵刻劃機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)的光柵刻劃機多采納滑動導(dǎo)軌或滾柱式導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌具有機構(gòu)簡單、緊湊、剛度高，停止時的穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性高及價格低等優(yōu)點，作為超周密加工用的元部件能夠充分利用其優(yōu)點。然而滑動導(dǎo)軌也有缺點，即

43、動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的差值較大，有爬行，定位精度有限，低速時運動的平滑度比其他導(dǎo)軌差。滾柱導(dǎo)軌的優(yōu)點是剛度大、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，也便于后續(xù)的精研磨處理；缺點是盡管摩擦系數(shù)較小，但依舊在一定程度上存在動、靜摩擦系數(shù)的差異，在極低速運行的情況下（工作臺的運動速度范圍為5.56nm/s8333.33nm/s）還會有一些不確定的非線性位移狀態(tài)的存在。另外由于滾動體與導(dǎo)軌之間的接觸為點接觸或線接觸，其抗振性與滑動導(dǎo)軌相比較差。而氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點是導(dǎo)軌副的摩擦力幾乎為零，系統(tǒng)的隨動性能極好，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，運動精度高，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。但缺點是剛度低、抗干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護不方便，而且由于有外來氣體向恒溫室內(nèi)的泄漏，會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，本項目擬采納氣浮導(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，對導(dǎo)軌承載能力、剛度特性進行分析壓電陶瓷微位移精定位機構(gòu)：壓電陶瓷微進給機構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的微進給機構(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，是微位移機構(gòu)的理想驅(qū)動元件。此外，壓電陶瓷驅(qū)動的柔性并行機構(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。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)行機構(gòu)壓電驅(qū)動器的分辨力要高于那個分度精度。擬選用PI公司的P-841.20壓電驅(qū)動器元件，它的分辨力是0.3nm，在10KHz信號頻率時最大響應(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)動機構(gòu)、刀架氣浮導(dǎo)軌、刻刀微位移機構(gòu)組成，該系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)金剛石刀具的等速往復(fù)運動并完成光柵的刻劃。其中刀架氣浮導(dǎo)軌同時對刀架承重和導(dǎo)向。刻刀微位移機構(gòu)的功能是實現(xiàn)金

46、剛石刀具的抬落和刀刃的切換。工作時伺服電機帶動驅(qū)動輪，由摩擦力推動刀架機構(gòu)等速往復(fù)運動；由壓電驅(qū)動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)動機構(gòu)：傳統(tǒng)的刻劃系統(tǒng)是通過偏心連桿機構(gòu)作往復(fù)直線運動，連桿帶動中間滑塊，中間滑塊牽引刻橋運動。高精度的刻劃常設(shè)計刀架等速機構(gòu)，其作用是使刻刀在刻劃過程中保持勻速運動，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，這會阻礙光柵的整體質(zhì)量。采納等速機構(gòu)能夠解決那個問題。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)傳動鏈較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動精度對裝配精度要求較高，在刻劃不同面積的光柵時，等速機構(gòu)擺桿調(diào)節(jié)較苦惱。本項目擬采納摩擦驅(qū)動作為刀架往復(fù)等速驅(qū)動機構(gòu)。摩擦驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)無反向間隙、噪聲小的等速傳動。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系統(tǒng)。一般的摩擦驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和齒輪齒條相似，能夠把電機的勻速回轉(zhuǎn)運動直接轉(zhuǎn)換為勻速直線運動。摩擦驅(qū)動機構(gòu)其工作原理如下：與導(dǎo)軌運動體相連的驅(qū)動桿夾在兩個摩擦輪之間，用彈簧壓板壓緊，使驅(qū)動桿無滑動。兩個摩擦輪均有靜壓軸承支承，能夠自由轉(zhuǎn)動。下摩擦輪有電機驅(qū)動，靠摩擦力帶動導(dǎo)軌作特不平穩(wěn)的直線運動。采納摩擦傳動機

48、構(gòu)，機床導(dǎo)軌的直線運動特不平穩(wěn)，同時達(dá)到極高的直線運動精度。最典型的應(yīng)用即美國LODTM大型超周密機床采納的確實是摩擦驅(qū)動。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)的抬落刀時刻基準(zhǔn)和連續(xù)工作模式的基準(zhǔn)位置信號，落刀時刻與分度系統(tǒng)的配合由計算機操縱。目前國內(nèi)現(xiàn)有刻劃機刀橋的運行方式是刀橋帶著刀架在曲柄連桿驅(qū)動下作往復(fù)直線運動，刀橋?qū)к壏植环旁诠ぷ髋_的兩側(cè)，刀橋橫跨工作臺，質(zhì)量和尺寸都較大。由于刀橋刀架一起運動，運動質(zhì)量比較大，慣性大，換向時容易產(chǎn)生振動和沖擊。國外的一些刻劃機，如日立機以及MIT-C機等

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行金剛石刻刀的換刃問題，設(shè)計了刀架微位移機構(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)動機構(gòu)實現(xiàn)水平微位移，左端柔性鉸接彈性變形實現(xiàn)X 、Y導(dǎo)軌直線誤差的精度補償。如此刀架導(dǎo)軌微位移精度補償機構(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。在微位移補償運動過程中，支撐鋼球并不產(chǎn)生實際的滾動，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。刻刀微位移機構(gòu)：刻刀微位移機構(gòu)包括金剛石刀具的抬落機構(gòu)和刀刃的切換機構(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，刻刀在鋁膜表面上運行的距離達(dá)23.7km，同時刻劃力專門大；當(dāng)刻劃300線mm的天文光柵時，行程更高達(dá)90km，會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)計了兩種金剛石刀具：一種是四面體刀，這種刀由四個平面交于一點

51、，兩邊的棱決定刻線的輪廓、刻劃時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，相比較而言強度更高、耐磨性更好，延長了刀具的壽命。缺點是前刃和后刃的直線性不容易保證，需要進行工藝上的探究。另一個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)刃機構(gòu)實現(xiàn)刀刃的切換。該方案的優(yōu)點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)計制作一臺高精度磨刀機。圖

52、為不同金剛石刻刀的示意圖，圖為刻刀微位移機構(gòu)的機構(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)圖刻劃機工作臺的運動方式間歇式運動那個地點所講的工作臺間歇式運動，是指光柵機工作臺運行一個光柵常數(shù)后停止，然后由刻劃系統(tǒng)完成一條刻線的刻劃。下圖為工作臺間歇式運動時刻劃過程的原理框圖。工作臺間歇運動時刻劃過程的原理框圖具體工作過程如下：首先由直線電機驅(qū)動工作臺在氣浮導(dǎo)軌上運行一個光柵常數(shù)名義值，完成工作臺的粗定位。該過程屬于開環(huán)操縱。工作臺導(dǎo)軌帶來的運行誤差，需做進一步的補償。工作臺上放置待刻光柵，并安裝測長干涉儀和測角干涉儀的測量鏡，由這兩臺干涉儀

53、分不測出工作臺的定位誤差和擺角誤差。工作臺與底部的直線電機通過柔性機座相連，通過壓電驅(qū)動器驅(qū)動工作臺做微量調(diào)整，以補償粗定位的定位誤差和擺角誤差，待工作臺精確定位后，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)式運動所謂工作臺連續(xù)式運動，是指光柵工作臺以恒定的速度在一個方向連續(xù)運行，刻劃系統(tǒng)在工作臺運動狀態(tài)中完成一次刻劃。該方式的機械結(jié)構(gòu)與間歇式運動時完全相同，只是在刻劃系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸上增加了一個21位角位移編碼器。下圖為工作臺連續(xù)式運動時刻劃過程的原理框圖。工作臺連續(xù)運動時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)，通過計算機確定刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)的運動速度，

54、并依照該速度分不設(shè)定驅(qū)動分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)的電機速度。該工作方式為連續(xù)刻劃（也能夠理解為動態(tài)刻劃），實際上確實是通過光柵工作臺運動速度與刀架運動速度（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。工作臺同樣采納粗精兩級調(diào)速，由刻劃系統(tǒng)的光電軸角編碼器發(fā)出一系列在時刻上均勻分布的交流信號，并以該信號作為操縱工作臺運動的時刻基準(zhǔn)。驅(qū)動分度系統(tǒng)的直線電機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，但由工作臺導(dǎo)軌帶來的誤差，必定會引起工作臺的運行誤差，該誤差需經(jīng)做進一步的補償。補償?shù)倪^程為首先由激光干涉儀測量上臺的運動速度

55、，并實時輸出運動信號的信息（周期或頻率），該信號經(jīng)處理后與編碼器輸出信號的相位相比較，并通過壓電驅(qū)動器操縱二者的相位同步精度，實現(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是工作臺在分度過程中處于一種循環(huán)式的“走-?！边\動狀態(tài)，采納靜壓式氣浮導(dǎo)軌，因工作臺加上待刻光柵的質(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)單獨保證，二者之間相互獨立，沒有互相干擾的問題。而連續(xù)刻劃的缺點在于，作為時序基準(zhǔn)的光電編碼器的輸出存在誤差，會導(dǎo)致光柵刻線出現(xiàn)彎曲。刀架機構(gòu)的等速誤差也會產(chǎn)生刻線彎曲等等。同時，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)運行速度的配合來保證，操縱難度相對增大。優(yōu)點是工作臺在分度過程中處于連續(xù)運動狀態(tài)，慣性力的問題能夠在專門大程度上能夠解決。因此能夠在機械結(jié)構(gòu)不變的條件下，采取以間歇刻劃為主同時兼顧連續(xù)刻劃的操縱方式更為穩(wěn)妥可靠。光柵刻劃機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件研究內(nèi)容周密工作臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為了滿足光柵刻劃符合阿貝原則，工作臺外臺采納了兩端懸臂的專門結(jié)構(gòu)。工作臺面的尺寸為350350（mm2）。工作臺加光柵毛坯總質(zhì)量約90kg。關(guān)于工作臺，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)懷工作臺懸臂處受力情況以及驅(qū)動方向的剛度能否滿足使用要求。重力作用下工作臺

57、臺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和光柵毛胚的接觸變形，并對工作臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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氣浮導(dǎo)軌的缺點，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，進行多參數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，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，會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振幅為納米級的微幅振動，進而阻礙系統(tǒng)精度。微

58、振動發(fā)生時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。這種振動的一個顯著特點是只有給氣浮軸承通氣時才出現(xiàn)，因此顯然是一種流體引發(fā)的振動。這種振動關(guān)于一個精度要求達(dá)到納米級的運動定位系統(tǒng)極為有害。首先，這種振動沿運動方向的重量直接阻礙定位精度；其次，這種振動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，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，這種振動將會被放大，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系統(tǒng)的精度實現(xiàn)。壓電陶瓷微位移進給機構(gòu)壓電陶瓷驅(qū)動的鉸鏈微位移機構(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構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，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)系到微進給系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。需要通過有限元分析得到壓電陶瓷微進給機構(gòu)的可控性；機構(gòu)動、靜態(tài)負(fù)載特性；機構(gòu)精度傳遞特性及其穩(wěn)定性；壓電晶體溫度特性；微位移機構(gòu)的響應(yīng)特性等性能指標(biāo)。摩擦傳動機構(gòu)摩擦輪傳動是利用主動輪與從動搶在直接接觸處所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。從傳動的工作原理來看，摩擦輪傳動工作時，在兩個摩擦輪的接觸面之間可能產(chǎn)生下列不同性質(zhì)的滑動，即彈性滑動、打滑及幾何滑動。在設(shè)計時只要適當(dāng)增大壓緊力，則打滑是完全可幸免的。然而在起動和劇

60、烈變速等短時刻內(nèi)，出現(xiàn)過載而引起短時刻的打滑是專門難免的。摩擦輪傳動在正常工作時，除去打滑失效之外，當(dāng)兩輪差不多上金屬材料時，在潤滑良好的條件下，傳動還可能由于表面接觸強度不夠而產(chǎn)生疲勞點蝕破壞。為了防止疲勞點蝕，應(yīng)進行表面接觸疲勞強度計算多為了防止磨損。計算機輔助制造（CAE）起始于上個世紀(jì)50年代中期的計算機輔助工程（CAE，Computer Aided Engineering），在計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法的進展及緊密結(jié)合的情況下得到了快速的進展，為整個工業(yè)的進展起了巨大的推動作用。機械行業(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