基于单频激光干涉仪的精密工件台定位系统设计

　　随着现代化的国防建设、工业生产和科学技术的飞跃发展，无论是元件的生产还是机器的安装，精密度的要求越来越高。精密工件台作为精密工程中的典 型结构，在精密加工、精密测试和精密机械中被广泛应用[1]。在聚集离子束精密加工系统中，对工件台位移测量和定位的精度要求十分严格，一般的机械测量方 法远远不能满足这种要求[2]。

　　自从迈克尔逊于 1881 年创制“迈克尔逊”干涉仪以来，干涉法测量在长度计量中得到了越来越广泛的应用。由于激光辐射优良的空间相干性、时间相干性以及极高的亮度，并借助于数据 处理电子技术的跃进，使这种以激光波长为标准，具有较高测量精度的干涉测量技术成为建立新的长度标准和进行精密测试的重要工具和手段[3]。以美国、日本 为代表的国外一些先进国家在精密工件台测量定位方面的技术比较成熟，其系统定位精度可达 nm 级别。国内许多单位，如清华大学，中科院长春光机所等在精密工件台研究中也取得了长足的进步，也已研制出长行程高精度的精密工件台，定位精度可 达±0.01μm[4]。

　　本文介绍了一种采用单频激光干涉仪作为测量工具，采用单片机作为数据处理微控单元的工件台精密测量定位系统，并基于 VC++ 语言编写相关软件。系统测量定位最小分辨率高达 38.6pm。

　　1　系统组成

　　本精密工件台定位系统由四部分构成，分别为激光测量环节、数据采集环节、数据转换环节以及PC 端控制软件，该定位系统组成如图 1 所示。

　　激光测量环节包括英国雷尼绍公司生产的高精度单频激光干涉仪以及相关光学组件[5]。该干涉仪配置两组激光干涉系统，可同时高速测量 X-Y 两个维度的位移信号。其外观结构如图 2 所示。

　　数据采集环节采用雷尼绍公司生产的 VME(Versa Module Eurocard)主板，该主板集成 2 块雷尼绍 RP120 高速数据采集卡，分别采集 X-Y 方向的位移信号，输出端口采用 DIN46412 332P 欧式连接器接口[6]。数据转换系统将采集系统输出的欧式接口格式的数据转换为 RS232 串口数据传送至上位机，并将从上位机接收到的理论位移数据与读取的实际数据进行比较，将差值数据由 2×16 位集成开发环境(IDE)端口输出到工件台控制系统。

　　2　系统设计

　　2.1　硬件设计

　　本系统的位移测量及数据采集环节均采用雷尼绍公司生产的专用设备。因采用集成两块 RP120 数据采集卡的 VME 主板作为干涉仪测量数据采集处理前置单元，其输出接口为专用欧式接口 DIN464123232P，需要设计 IO 接口数据转换系统，与 PC 机通用端口进行匹配，其作用是按照 RP120 的数据格式读取数据，并通过 PC 机通用通信接口将采集数据传送至上位机做进一步处理。