高精度激光干涉仪定位系统

　　1　概述

　　HP公司生产的双频激光干涉仪位置测量系统,广泛地应用在半导体集成电路专用设备及精密坐标机床中,构成2坐标和3坐标精密定位多轴运动系统。在以往众多LSI专用设备带有坐标测量的工作台系统中,多数采用HP-550IA/B型双频激光干涉仪测量控制线路,该线路是以HP-10762A比较器板为核心组成的闭环测量线路,为驱动工件台运动,用户必需自行设计数模转换电路(DAC)和前级驱动电路,给用户带来极大的不便[1],增加了产品的设计周期。HP公司推出的新产品HP-5527A双频激光干涉仪,其测量精度的最小分辨率已达2·5 nm,用新研制出的数字式HP-10936A伺服轴板为核心,组成高性能HP-5507A闭环位置测量控制线路,赋予HP-5527A系统灵活、高精度的位置控制能力,取得亚微米级的定位精度和重复精度,给用户提供一种快捷、完整的精密位置控制的解决手段。该系统提供包括干涉仪的光学元件以及测量控制线路的硬件和软件,控制电路的调试工具。使用户能更合理且迅速地选择和确定系统参数,正确地指导用户进行系统设计,缩短了产品的设计周期。HP-5527A双频激光干涉仪的光学元件的选择方法及干涉光路的布局,测量系统精度分析,对工件台机械性能要求已在文献[2]和[3]中做了详细介绍,在此不再赘述。

　　图1示出一个坐标轴的HP-5527A双频激光干涉仪位置控制系统的连接框图,(多轴坐标测量系统有类似的结构,只是每一个坐标轴要求有1根HP-IB电缆线和1根二进制接口电缆线)。主控制计算机用HP-900系列的200/300型计算机或者IBMPC相兼容的计算机,前者通过HP-98622AGPIO接口接到二进制接口板,后者则经过MetraByte PIO-24并行接口板同HP-10936A伺服轴板相连。伺服轴板上有16位数据输入/输出线,误差信号作为中断请求线,路径误差信号,窗口和阈值信号作为态控输入线,只是HP-986222AGPIO接口板中

　　的握手信号用硬件完成,MetraByte接口板中的握手信号用软件控制。伺服轴板数据输出能力达10 kHz,其内部的DAC输出±10V脉宽调制电压,能有效地驱动工业产品的功率电机放大器,为驱动工件台运动,用户只需要根据机械工件台的负载选择合适的工业产品的功率放大器及电机。用户选用HP-5507A激光位置传感器线路以及控制计算机,同HP-5527A激光干涉仪一起,能迅速地组成一个完整的精密定位系统。

　　2　HP-10936A伺服轴板[4]

　　2.1　HP-10936A伺服轴板框图

　　采用数字控制HP-10936A伺服轴板,是组成HP-5507闭环位置测量控制线路的核心部件,伺服轴板由速度轨迹产生电路,前馈电路(FFS),比例、积分、微分电路(PID),16位数字/模拟变换电路(DAC),分辨率扩展电路和计数器组成,其功能方框图示于图2中点划线所包围的部分。伺服轴板内分辨率扩展电路的分辨率或称激光测量波长量子化的最小值是:2·5、5·0或10·0 nm,由所选用干涉光路中干涉镜的类型确定。