CN104678889B - 一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法属于机械刻划平面衍射光栅制作领域，目的在于解决现有技术存在的刻划定位精度受工作台摆角影响以及不能满足光栅刻线位置的快速控制要求的问题。本发明首先对光栅机械刻划机进行运行调试，在刻划过程中通过光栅刻刀干涉计测量参考反射镜和长条测量反射镜的相对位置变化，两个工作台干涉计分别用于测量两个工作台干涉计和长条测量反射镜在Z轴方向的相对位置变化；通过光栅刻刀压电执行器光栅刻刀干涉计的位置测量结果对光栅刻刀的位置进行实时调整；两个工作台压电执行器分别根据两个工作台干涉计的位置测量结果对工作台进行摆角校正；通过FPGA实现工作台压电执行器和光栅刻刀压电执行器的硬件控制操作。

Description

一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法

技术领域

本发明属于机械刻划平面衍射光栅制作领域，具体涉及一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法。

背景技术

机械刻划法是目前制作母板光栅的一种主要方式，特别是制作低刻线密度的红外激光光栅和绝大多数中阶梯光栅等特殊用途光栅的最佳选择。机械刻划法是采用光栅机械刻划机来实现光栅刻划，因此光栅机械刻划机的自动控制方法的优劣，影响着机械刻划光栅的性能指标。光栅机械刻划机的控制状态主要分为宏定位状态和刻划状态。宏定位状态用于实现光栅刻刀和光栅基底之间相对距离的微米量级定位精度的定位操作，光栅机械刻划机宏定位状态期间光栅刻刀处于抬刀状态；刻划状态用于实现光栅刻刀和光栅基底之前相对距离的纳米量级定位精度的定位操作，光栅机械刻划机刻划状态期间光栅刻刀处于落刀刻划状态。

现有技术主要有控制工作台和控制光栅刻刀两种方案来实现光栅刻划的自动控制。由于工作台的重量远大于光栅刻刀的重量，其控制精度不如光栅刻刀的控制精度高，因此目前对于大面积光栅刻划而言主要采用控制光栅刻刀方案。

现有技术的控制光栅刻刀方案采用双频激光干涉仪实时测量刻划刀架导轨与光栅基底承载工作台之间的位移变化，然后在光栅各刻线刻划过程中采用压电执行器对光栅刻刀进行定位精度为纳米量级的微定位操作，从而实现平面衍射光栅制作。但是现有技术没有考虑光栅各刻线刻划过程中，承载光栅基底的工作台摆角不同对光栅各刻线定位精度的影响，从而导致光栅各刻线定位精度随工作台摆角变化而变化，最终影响光栅衍射波前和杂散光等光栅性能指标；此外，现有技术为了实现对光栅刻划过程中的干涉仪测量数据等实验数据进行实时监测和分析，采用采样频率一般在3kHz以下计算机控制方式对压电执行器的控制，不足以满足光栅刻线位置的快速控制要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法，解决现有技术存在的刻划定位精度受工作台摆角影响以及不能满足光栅刻线位置的快速控制要求的问题。

为实现上述目的，本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法包括以下步骤：

步骤一：对光栅机械刻划机进行运行调试，测试光栅机械刻划机控制系统工作正常后，将光栅基底放置在工作台上；

步骤二：对光栅刻刀干涉计和工作台干涉计进行清零，同时设置光栅刻刀压电执行器和工作台压电执行器处于其最大输出行程的1/2位置；

步骤三：气浮滑套在气浮导轨上运动，带动光栅刻刀往复运动；在光栅刻刀沿x轴正向运动期间，光栅刻刀处于抬刀状态，此时光栅机械刻划机处于宏定位阶段；在光栅刻刀沿x轴负向运动期间，光栅刻刀处于落刀状态，光栅机械刻划机处于光栅刻划阶段；

步骤四：在步骤三所述的宏定位阶段，根据光栅各刻线设定的理想位置要求，采用分度电机对工作台位置进行宏定位操作；

步骤五：在步骤三所述的宏定位阶段，完成步骤四后，通过两个工作台干涉计分别测量两个工作台干涉计和长条测量反射镜在Z轴方向的相对位置；

步骤六：执行步骤五的过程中，根据步骤五的测量结果，通过两个工作台压电执行器对工作台摆角进行校正；

步骤七：在步骤三所述的光栅刻划阶段，通过光栅刻刀干涉计测量参考反射镜和长条测量反射镜在Z轴方向的相对位置变化；

步骤八：执行步骤七的过程中，光栅刻刀压电执行器根据步骤七中光栅刻刀干涉计的位置测量结果对光栅刻刀的位置进行实时调整，使其与步骤四中设定的理想位置的偏差最小；

步骤九：重复步骤三至步骤八，直至光栅刻划完成。

步骤六中对工作台摆角校正采用比例-积分-微分(PID)闭环控制执行，在光栅刻划阶段工作台处于无控制状态。

步骤六和步骤八中通过FPGA实现工作台压电执行器和光栅刻刀压电执行器的硬件控制操作。

本发明的有益效果为：本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法在光栅刻划的宏定位阶段根据两个所述的工作台测量干涉计测量结果，采用两个所述的工作台压电执行器对工作台摆角进行自动校正，从而有效解决了光栅各刻线定位精度随工作台摆角变化而变化的问题，改善了光栅衍射波前和杂散光等光栅性能指标；此外，本发明采用FPGA实现干涉仪数据的实时采集、压电执行器的实时控制等硬件控制操作,从而将所述光栅刻刀的控制速率由3kHz提高至200Khz以上，同时使控制程序具有干涉仪测量数据等实验数据进行实时监测和分析功能，提高了机械刻划光栅性能的在线监测速度以及光栅刻线位置的实时控制速度，从而有助于提高机械刻划光栅的性能指标以及光栅刻划的效率。

附图说明

图1为本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法所采用装置结构侧视图；

图2为本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法所采用装置结构俯视图；

其中：1、光栅刻刀干涉计，2、参考反射镜，3、二维调整架，4、刻划刀架，5、光栅刻刀压电执行器，6、滑套转接板，7、工作台干涉计，8、长条测量反射镜，9、工作台压电执行器，10、气浮滑套，11、气浮导轨，12、光栅刻刀，13、工作台内台，14、工作台外台，15、弹性钢片，16、光栅基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，实现本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法所采用的装置包括光栅刻刀干涉计1、参考反射镜2、二维调整架3、刻划刀架4、光栅刻刀压电执行器5、滑套转接板6、工作台干涉计7、长条测量反射镜8、工作台压电执行器9、气浮滑套10、气浮导轨11、光栅刻刀12、工作台内台13、工作台外台14、弹性钢片15和光栅基底16；

所述光栅刻刀干涉计1采用美国keysight公司的10721双轴差分干涉仪和一个与之成45度角的平面反射镜组成。所述工作台干涉计7可采用美国keysight公司的10706B干涉计，该干涉计的参考反射镜2集成在干涉计内部。

所述光栅刻刀干涉计1通过所述滑套转接板6固定在所述气浮滑套10上，所述光栅刻刀压电执行器5一端与所述滑套转接板6固定连接，另一端与所述刻划刀架4连接；所述参考反射镜2通过所述二维调整架3安装在所述刻划刀架4上；所述光栅刻刀12安装在所述刻划刀架4的底部；所述长条测量反射镜8安装在所述工作台内台13上；所述光栅刻刀干涉计1通过测量所述参考反射镜2和所述长条测量反射镜8的相对位置变化来获得所述光栅刻刀12和所述光栅基底16的在Z轴方向的相对位置变化。所述气浮滑套10可沿着所述气浮导轨11在X轴方向自由运动，从而实现所述光栅刻刀12的往复运动。在光栅刻划过程中所述光栅刻刀压电执行器5根据所述光栅刻刀干涉计1的位置测量结果对所述光栅刻刀12的位置进行实时调整，使其与理想位置的偏差最小。

所述工作台压电执行器9安装在所述工作台内台13和所述工作台外台14之间，且所述工作台压电执行器9共有两个，在X轴方向上具有一定的跨度且对称分布在所述工作台内台13的两侧。所述工作台干涉计7共有两个且固定不动，分别用于测量所述工作台干涉计7和所述长条测量反射镜8在Z轴方向的相对位置变化，从而获得两个所述工作台压电执行器9位置处的所述工作台内台13的在Z轴方向的位置变化情况。两个所述工作台压电执行器9可分别根据两个所述工作台干涉计7的位置测量结果对工作台进行摆角校正。

本发明的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法包括以下步骤：

步骤一：对光栅机械刻划机进行运行调试，测试光栅机械刻划机控制系统工作正常后，将光栅基底16放置在工作台上；

步骤二：对光栅刻刀干涉计1和工作台干涉计7进行清零，同时设置光栅刻刀压电执行器5和工作台压电执行器9处于其最大输出行程的1/2位置；

步骤三：气浮滑套10在气浮导轨11上运动，带动光栅刻刀12往复运动；在光栅刻刀12沿x轴正向运动期间，光栅刻刀12处于抬刀状态，此时光栅机械刻划机处于宏定位阶段；在光栅刻刀12沿x轴负向运动期间，光栅刻刀12处于落刀状态，光栅机械刻划机处于光栅刻划阶段；

步骤四：在步骤三所述的宏定位阶段，根据光栅各刻线设定的理想位置要求，采用分度电机对工作台位置进行宏定位操作；

步骤五：在步骤三所述的宏定位阶段，完成步骤四后，通过两个工作台干涉计7分别测量两个工作台干涉计7和长条测量反射镜8在Z轴方向的相对位置；

步骤六：执行步骤五的过程中，根据步骤五的测量结果，通过两个工作台压电执行器9对工作台摆角进行校正；

步骤七：在步骤三所述的光栅刻划阶段，通过光栅刻刀干涉计1测量参考反射镜2和长条测量反射镜8在Z轴方向的相对位置变化；

步骤八：执行步骤七的过程中，光栅刻刀压电执行器5根据步骤七中光栅刻刀干涉计1的位置测量结果对光栅刻刀12的位置进行实时调整，使其与步骤四中设定的理想位置的偏差最小；

步骤九：重复步骤三至步骤八，直至光栅刻划完成。

步骤六中对工作台摆角校正采用比例-积分-微分(PID)闭环控制执行，在光栅刻划阶段工作台处于无控制状态。

步骤六和步骤八中通过FPGA实现工作台压电执行器9和光栅刻刀压电执行器5的硬件控制操作，用Visual C++编写光栅机械刻划机上位机控制程序仅用于数据读取、存储和光栅性能的在线显示。

本发明中用于实现数据采集和分析功能的上位机软件采用Visual C++编写，用于实现光栅机械刻划机硬件控制的下位机程序采用LABVIEW编写。硬件控制板卡采用美国国家仪器公司的型号为PCIE-7852R的FPGA板卡，该板卡的核心FPGA芯片为Virtex-5LX50，共有96条可以直接控制的数字IO管脚,最高时钟频率为40MHz,可通过LabVIEWFPGA模块对其编程。采用Visual C++编写的光栅机械刻划机上位机软件和采用LABVIEWFPGA模块编写的下位机软件之间用LABVIEW软件的FPGA interface C API接口进行数据交互和通信。

在宏定位状态期间，首先根据光栅各刻线位置的定位要求采用分度电机对工作台位置进行宏定位操作，其中分度电机和所述工作台外台14之间采用丝杠螺母副进行连接，所述丝杠螺母副将所述分度电机的转动转化为平移运动输出至所述工作台外台14，控制算法为比例-积分-微分(PID)控制；然后采用两个所述工作台压电执行器9根据左右两路所述工作台干涉计7的各自测量值对工作台位置进行PID控制，从而实现工作台摆角校正；此时，所述光栅刻刀压电执行器5处于无控制状态；

在光栅刻划状态期间，使两个所述工作台压电执行器9处于不控制状态，并根据光栅刻刀12测量干涉计测量结果，采用所述光栅刻刀压电执行器5对光栅刻刀12的位置进行实时控制，控制算法为PID控制。

以上所述本发明的具体实施方式，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对光栅机械刻划机进行运行调试，测试光栅机械刻划机控制系统工作正常后，将光栅基底(16)放置在工作台上；

步骤二：对光栅刻刀干涉计(1)和工作台干涉计(7)进行清零，同时设置光栅刻刀压电执行器(5)和工作台压电执行器(9)处于其最大输出行程的1/2位置；

步骤三：气浮滑套(10)在气浮导轨(11)上运动，带动光栅刻刀(12)往复运动；在光栅刻刀(12)沿x轴正向运动期间，光栅刻刀(12)处于抬刀状态，此时光栅机械刻划机处于宏定位阶段；在光栅刻刀(12)沿x轴负向运动期间，光栅刻刀(12)处于落刀状态，光栅机械刻划机处于光栅刻划阶段；

步骤四：在步骤三所述的宏定位阶段，根据光栅各刻线设定的理想位置要求，采用分度电机对工作台位置进行宏定位操作；

步骤五：在步骤三所述的宏定位阶段，完成步骤四后，通过两个工作台干涉计(7)分别测量两个工作台干涉计(7)和长条测量反射镜(8)在Z轴方向的相对位置；

步骤六：执行步骤五的过程中，根据步骤五的测量结果，通过两个工作台压电执行器(9)对工作台摆角进行校正；

步骤七：在步骤三所述的光栅刻划阶段，通过光栅刻刀干涉计(1)测量参考反射镜(2)和长条测量反射镜(8)在Z轴方向的相对位置变化；

步骤八：执行步骤七的过程中，光栅刻刀压电执行器(5)根据步骤七中光栅刻刀干涉计(1)的位置测量结果对光栅刻刀(12)的位置进行实时调整，使其与步骤四中设定的理想位置的偏差最小；

步骤九：重复步骤三至步骤八，直至光栅刻划完成。

2.根据权利要求1所述的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法，其特征在于，步骤六中对工作台摆角校正采用比例-积分-微分(PID)闭环控制执行，在光栅刻划阶段工作台处于无控制状态。

3.根据权利要求1所述的一种光栅机械刻划机的激光干涉控制方法，其特征在于，步骤六和步骤八中通过FPGA实现工作台压电执行器(9)和光栅刻刀压电执行器(5)的硬件控制操作。