科学研究计划项目申请书编写提纲19018.docx

《科学研究计划项目申请书编写提纲19018.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《科学研究计划项目申请书编写提纲19018.docx（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、国家重点基础研究发展计划（含重大科学研究计划）项目申请书编写提纲项目摘要（11,0000字左右） 简简述项目所所面向的国国家重大需需求、拟解解决的关键键科学问题题、主要研研究内容和和目标、课课题设置。申请书正文文（30,000字字左右）一、 立项项依据项目所面向向的我国经经济、社会会、国家安安全和科学学技术自身身发展的重重大需求，项项目研究的的科学意义义，对解决决国家重大大需求问题题的预期贡贡献等。衍射光栅（ddiffrractiion ggratiing，通通常简称为为“光栅”）是一种种核心的光光学元件。衍衍射光栅通通过有规律律的结构，使使入射光的的振幅或相相位（或两两者同时）受受到周期性性

2、空间调制制。衍射光光栅在光学学上的最重重要应用是是作为分光光器件，常常被用于单单色仪和光光谱仪上。实实际应用的的衍射光栅栅通常是在在表面上配配置着密集集、等间距距的线、缝缝、槽或光光学性质变变化物质的的平板。按按照工作方方式分类，可可分为透射射光栅和反反射光栅两两大类。起初衍射光光栅的主要要用于实现现复色光的的空间分离离。近年来来，随着微微加工技术术和计算机机技术的不不断发展，光光栅的应用用范围也越越来越广泛泛。借助衍衍射光栅，人人们分辨出出肉眼无法法鉴别的物物质，在生生产、通讯讯、科研等等方面有着着重要应用用。如应用用于单色仪仪、光谱仪仪、分析设设备、颜色色测定仪、生生产工艺控控制、质量量控

3、制、目目标确定等等方面。随随着微加工工技术在微微光学领域域的不断发发展，出现现了依托光光栅的偏振振器、光波波导、窄带带滤波器、分分相位衍射射元件等新新的微光学学器件，其其应用范围围也开始从从光谱学领领域扩展到到计量科学学、光通信信、X射线线天体物理理学、实验验力学、装装饰、防伪伪等诸多领领域。光栅通常是是利用光栅栅刻划机在在镀有铝膜膜的玻璃毛毛坯上每mmm刻划出出不同线数数的槽来获获取的，常常用的光栅栅一般为3300g/mm、6600g/mm、11200gg/mm、11800gg/mm等等。随着刻刻划技术的的发展，对对光栅刻划划密度要求求越来越高高，具文献献资料显示示，目前世世界上可刻刻划出的

4、最最高刻线密密度的光栅栅为：100800gg/mm，并且定定位精度可可达5nmm。在刻划光光栅时，一一般要求刻刻划的偶然然误差小于于1/100光栅常数数、周期误误差小于11/1000光栅常数数，用干涉涉方法检验验波面差必必须小于11/3条纹纹。近些年来来，随着科科学技术的的不断发展展进步，特特别是一些些大型高技技术工程项项目的陆续续开展，对对衍射光栅栅的技术性性能提出了了更高的要要求。而且且，能否获获取适用的的大面积衍衍射光栅，已已经成为影影响某些大大型高技术术工程项目目成败的关关键。同时时，由于这这些大工程程项目对大大面积衍射射光栅的迫迫切需要，使使研制大面面积衍射光光栅成为国国际光栅领领域

5、的重大大课题之一一。对大面面积衍射光光栅的需求求主要体现现在以下几几个方面：1）天文文物理学方方面众所周知知，为了更更好地满足足人类探索索宇宙空间间的需要，天天文望远镜镜的口径正正在不断增增大。随着着光学加工工技术、自自适应理论论及微定位位技术和拼拼接技术的的发展，天天文望远镜镜的口径己己由原来的的直径不到到lm发展展到现在的的直径超过过10m甚甚至更大。衍衍射光栅是是天文望远远镜附属光光谱分析仪仪的核心元元件，因此此它的面积积必须相应应地随之增增大。如美美国旧金山山州立大学学(Sann Fraancissco SStatee Uniiverssity)的乔夫瑞瑞莫西(GGeofffrey M

6、arccy)和澳澳大利亚的的波尔巴特勒(Paull Buttler)等人在11998年年八月份宣宣布，他们们利用一种种新型高分分辨率Ecchellle光谱仪仪，探测到到太阳系以以外未知行行星的数目目已达到112个。这这个高分辨辨率光谱仪仪使用了由由三块的阶阶梯光栅。美国德克萨斯大学计划研制300英寸的天文望远镜，其附属光谱仪需要衍射光栅的尺寸为。表1所示为世界上其它一些大型天文望远镜附属光谱分析仪所需衍射光栅的尺寸。这些需要大大加速了国际光栅界探索研制大面积衍射光栅技术的进程。表1大型天天文望远镜镜附属光谱谱仪的衍射射光栅尺寸寸望远镜名称称及国家KECKU.S.AASUBARRUJAPANNE

7、SOEUROPPEVLTCHILEEHETU.S.AALAMOSSTCHINAA主镜口径（mm）1088894光谱仪器直直镜焦比F/13.7F/10F/15F/10F/8F/5光栅面积（）我过研制制“大天区面面积多目标标天文望远远镜”(LAMMOST)，配置了了多台低、中中、高分辨辨率的光谱谱仪同时观观测40000个目标标，需要664块大面面积衍射光光栅。2)同步步辐射光束束线工程的的需要同步辐射射是当电子子或离子在在磁场中加加速到接近近光速时，沿沿轨道切线线方向产生生的一种电电磁辐射，其其光谱是连连续的，且且可延伸到到很宽的波波长范围。同同步辐射光光源被认为为是性能最最好的软XX射线源之之一

8、，它广广泛地应用用于短波长长、准连续续、高剂量量的实验中中。同步加加速器辐射射光源的问问世，给高高分辨率光光谱分析带带来了巨大大的变化。因因其光路多多为掠入射射，因此要要求较大面面积的衍射射光栅，并并且衍射光光栅的损耗耗特别大，衍衍射光栅需需要定期更更换。3)激光光核聚变项项目的需要要当今国际际上，能否否充分利用用被誉为取取之不尽的的新型能源源核能源，己己经成为一一个国家综综合实力尤尤其是高科科技实力的的体现。我我国已经正正式签署了了全面禁止止核试验的的国际公约约，向全世世界郑重承承诺不在野野外进行核核弹实验，但但对于一个个有核的国国家，对于于核技术的的研究、掌掌握和控制制是非常重重要的。世界

9、上几几个发达国国家己经将将核技术的的研究实验验转入室内内进行，如如美国的LLLNL(Lawrrencee Livvermoore NNatioonal Labooratoory)国国家实验室室，在激光光核聚变项项目上，使使用了大面面积衍射光光栅来对激激光脉冲进进行时间和和空间上压压缩，利用用压缩后获获得的高能能激光束轰轰击靶心来来产生核聚聚变，他们们所用衍射射光栅的面面积己经达达到之大，取取得了满意意的效果。能能否获取大大面积的衍衍射光栅已已经成为这这些项目成成败的关键键之一。由此可见见，能否制制造大面积积、高刻划划密度的衍射光栅栅，对于一一个国家的的科学技术术的发展起起着至关重重要的作用用，

10、也是一一个国家高高科技实力力的体现。若想获得得大面积衍衍射光栅，最最容易想到到的方法就就是利用光光栅刻划机机来刻制，自自哈里森(Harrrisonn)和斯楚楚克(Sttrokee)将干涉涉光电技术术成功地用用于控制衍衍射光栅的的刻划过程程后，由于于近代高精精度机械加加工设备的的出现及加加工技术的的发展，使使得研制高高精度、大大行程衍射射光栅刻划划机成为可可能。目前前，我国长长春光机所所研制的22号光栅刻刻划机，能能够刻划的衍衍射光栅的的最大面积积为，最高刻线线密度为:20000g/mmm,这是我国采采用光栅刻刻划机能够够刻划的最最大面积。美国理查查森光栅实实验室(RRichaardsoon G

11、rratinng Laaboraatoryy)所研制制的MITT-B型光光栅刻划机机可以刻制制出衍射光光栅的最大大面积为，这这是目前世世界上利用用刻划机所所能刻制出出的最大面面积的刻划划光栅。而日日本的日立立公司也拥拥有光栅刻刻划机，并并有最高的的刻划技术术，其可刻刻划的最高高密度超过过100000g/mmm，而定定位精度可可达5nmm。由此可可见，我国国的光栅刻刻划技术与与美国、日日本等发达达国家相比比还有很大大差距。为为了满足空空天地等大大型项目对对大面积高高精度衍射射光栅的需需要，必须须加大对刻刻划大面积积光栅、高高刻线密度度的光栅刻刻划机的研研究力度。于此同时时，由于光光栅刻划机机要求

12、在几几百毫米的的范围内刻刻划超过几几千槽每毫毫米的刻槽槽，且定位位精度在110nm以以内。所以光栅栅刻划机在在刻槽间隙隙方向的定定位技术属属于大行程程纳米级的的超精密定定位技术。因此，对刻划大面积、高刻划密度的光栅刻划机的研究，另一方面也可以促进大行程纳米级定位技术的研究，从而推动微电子制造、光电测量仪器、各种超精密加工等领域的发展，也从另一方面提升我国的综合实力。二、 国内内外研究现现状和发展展趋势国际最新研研究进展和和发展趋势势，国内研研究现状和和水平，相相关研究领领域取得突突破的可能能性等。光栅刻划机机被称为“精密机械械之王”，世界上上除了美国国、日本、法法国、德国国、英国、瑞瑞士和俄罗

13、罗斯等国家家拥有光栅栅刻划机之之外，中国国是唯一一一个拥有光光栅刻划机机的发展中中国家。其其中，美国国 Riccharddson 光栅实验验室和日本本 Hittachii 公司所所研制的光光栅刻划机机处于世界界的领先水水平。美国的光栅栅刻划机研研究现状目前，美国国 Riccharddson 光栅实验验室共有 3 台光光栅刻划机机全日运行行，每年都都会生产出出大量的高高质量光栅栅。这 33 台光栅栅刻划机分分别是：MMicheelsonn 刻划机机、Mannn 刻划划机和MIIT-B刻刻划机。 Micheelsonn刻划机1947年年，Bauusch & Loomb从美美国芝加哥哥大学获得得他们

14、的第第一台光栅栅刻划机。这这台光栅刻刻划机最初初是由 MMicheelsonn于 19910 年年代设计，后后来被 GGale改改造。在经经过进一步步的改良之之后，这台台光栅刻划划机的性能能得到了极极大的提升升。并连续续生产了大大量的高质质量的最大大刻划面积积达 的光栅栅。Micchelsson 刻刻划机最初初设计的时时候采用了了一个适当当的机械修修正凸轮来来导出丝杆杆的误差，并并通过一套套干涉仪系系统进行绘绘制。在 19900 年，这这套系统被被一套基于于激光干涉涉仪的数字字计算机伺伺服控制系系统所取代代。Micchelsson 刻刻划机能够够刻划的光光栅的刻划划密度范围围非常大，最最低的刻

15、划划密度为：，最高的的刻划密度度可达。Mann 刻划机Mann刻刻划机最初初是由美国国马萨诸塞塞州的Maann公司司的Davvid WW.建造的的。从19953年开开始，这台台光栅刻划划机就开始始生产光栅栅了。Baauschh & LLomb采采用Harrrisoon光栅实实验室的 MIT99光栅刻划划机的技术术为 Maann 刻刻划机装备备了一套干干涉伺服控控制系统。MMann 刻划机可可以刻划最最大面积为为 的光光栅，几乎乎无法检测测到鬼线，而而且分辨率率接近理论论值。即使丝杆的的加工精度度达到可以以达到的最最高的精度度，螺纹和和轴承仍然然会有残留留误差。在在生产高质质量的光栅栅的时候，必

16、必须对这些些误差进行行补偿，所所以 Maann 刻划机采采用了一套套自动干涉涉仪伺服系系统。在对对每条刻槽槽进行刻划划的时候，该该系统不断断地对光栅栅工作台进进行调整，使使其保持在在正确的位位置。事实实上，这个个伺服系统统相当于一一根完美的的丝杆。MIT-BB刻划机MIT-BB 刻划机机是由美国国 Harrrisoon 光栅栅实验室建建造，并于于 19668 年搬搬到美国的的罗契斯特特市，在刻刻划平面光光栅时，MMIT-BB 刻划机机可获得 Harrrisonn 光栅实实验室中所所有刻划机机的最高精精度。最大大刻划面积积达 ，刻刻划密度的的范围是：。MITT-B 刻刻划机采用用两个频率率稳定的

17、激激光干涉仪仪进行刻划划控制，不不但可以对对工作台分分度方向的的位置进行行正确控制制，同时还还可以矫正正工作台摆摆角误差。这这台刻划机机所刻划的的光栅分辨辨率接近理理论值，几几乎消除了了罗兰鬼线线，同时杂杂散光也非非常弱。除除此之外，这这台光栅刻刻划机还能能刻划出非非常好的中中阶梯光栅栅。MITT-B刻划划机实物如如图所示。MIT-BB刻划机实实物日本的光栅栅刻划机研研究现状1992年年，日本HHitacchi公司司成功研制制了一台可可以刻划大大面积、高高刻划密度度的光栅刻刻划机，该该光栅刻划划机采用一一个闭环控控制系统对对实现工作作台微位移移驱动和实实现工作台台大行程运运动的丝杠杠螺母机构构

18、进行混合合驱动，实实现连续运运动 -间间歇刻划的的刻划方式式。最大刻刻划面积为为：，最高高刻划密度度为：。图为 Hiitachhi 公司司 19992 年研研制刻划机机的布局图图，图 为该刻划划机的实拍拍照片。因因为在刻划划光栅时需需要对温度度进行严格格的控制，所所以，刻划划机的主要要部分被安安放在一个个温度被稳稳定控制在在 范围围内的房间间内。刻划划机下面的的地板是由由 4 个个空气波纹纹管支撑，从从而隔离外外部的震动动。一些会会产生热量量或者震动动的设备：计算机、控控制系统和和主直流电电机等都被被放在了房房间的外面面。日本Hittachii公司19992 年年刻划机原原理布局图图在设计工作

19、作台时，HHitacchi 公公司的研究究人采用了了一种比较较新的设计计概念，将将工作台分分为上层台台和下层台台，如图 ？ 所示示。下层台台和传统的的工作台相相似，通过过丝杆螺母母机构驱动动在导轨上上移动，从从而实现分分度方向上上大行程的的移动。上上层台则是是通过四个个弹簧片支支撑，安装装在下层台台的上方，上上层台可以以在分度方方向无摩擦擦地移动，光光栅毛坯安安装在上层层台上，这这样的设计计可以提高高光栅毛坯坯在分度方方向的动态态特性，在在几十纳米米范围内准准确快速地地定位，并并且不会因因为不稳定定因素。在在上层台和和下层台之之间安装一一个压电陶陶瓷，驱动动上层台相相对于下层层台在分度度方向微

20、位位移移动。在在刻划的过过程中，下下层台以恒恒定速度进进行分度，在在落刀刻划划时，压电电陶瓷驱动动上层台以以大小相等等方向相反反的速度移移动，从而而保持刻划划时，光栅栅毛坯相对对于刀桥静静止，如图图？ 所示示。图？是HHitacchi公司司19922年刻划机机的控制系系统框图，该该控制系统统由一个计计算机中编编程实现的的顺序控制制系统、两两个反馈控控制环和作作为驱动器器的一个压压电陶瓷机机一个伺服服电机组成成。日本Hittachii公司19992 年年刻划机主主要部分实实物日本Hittachii公司19992 年年刻划机工工作台设计计原理图日本Hittachii公司19992 年年刻划机工工作

21、台位移移原理图？是HHitacchi公司司19922年刻划机机的控制系系统框图，该该控制系统统由一个计计算机中编编程实现的的顺序控制制系统、两两个反馈控控制环和作作为驱动器器的一个压压电陶瓷机机一个伺服服电机组成成。日本Hittachii公司19992 年年刻划机控控制系统框框图国内的光栅栅刻划机研研究现状目前，国内内只有长春春光机所一一家研究机机构仍在进进行衍射光光栅刻划机机的研究。长长春光机所所目前共有有自行研制的的 5 台台机械式和和光电控制制式光栅刻刻划机在正正常运转。长春光机所所2号光栅栅刻划机图？ 是是长春光机机所 2 号光栅刻刻划机，它它建造于 19655 年。当当时的最大大刻划

22、面积积为：，在在 19992 年进进行扩程改改造后，其其刻划面积积达到。该该机曾为南南京天文仪仪器研究所所刻制过; 的天文文光栅。为为 LAMMOST 望远镜刻刻制过 ; 的实验验用透射光光栅。在 19999 年，长长春光机所所对 2 号光栅刻刻划机进行行了光电控控制改造。由由于对光栅栅刻划精度度和刻划质质量要求的的提高，长长光所于 20099 年开始始再次对 2 号光光栅刻划机机进行了改改造，图？即为为经过改造造后，2号号光栅刻划划机的实物物图。长春光机所所2号光栅栅刻划机实实物2 号光栅栅刻划机采采用罗兰型型的刻划方方式，改造造后，工作作台采用双双层台的结结构，分为为外工作台台和内工作作台

23、，内工工作台通过过四个弹簧簧钢片悬挂挂在外工作作台的内部部。外工作作台安装在在两个平行行滑动导轨轨上，通过过一个丝杆杆螺母副带带动外工作作台和内工工作台在分分度方向实实现大行程程的运动。在在外工作台台和内工作作台之间安安装了一个个压电陶瓷瓷驱动装置置，通过压压电陶瓷的的伸缩驱动动内工作台台相对于外外工作台实实现微位移移。长春光机所所大光栅刻刻划机（在在研）长春光机所所正在研制制一台要达达到国际领领先水平的的大型高精精度衍射光光栅刻划机机及其运动动系统，这这台刻划机机的研制目目标是：刻刻划面积为为；最高刻刻划密度达达 ；周期期误差需要要小于 ；连续无故故障运行时时间不小于于 30 昼夜；光光栅衍

24、射波波前误差小小于（范围，）。如如图？为大光栅栅刻划机的的整体结构构三维设计计立体图。长春光机所所大光栅刻刻划机整体体结构三维维设计立体体图这台光栅刻刻划机总体体设计方式式采用罗兰兰方式，即即工作台承承载待刻光光栅做单方方向分度运运动，光栅栅刻刀做往往复运动，运运动方向与与分度方向向垂直。每每运行一个个周期刻划划一条栅线线。刻划机机由动力系系统、分度度系统、刻刻划系统、控控制系统以以及监视系系统等 55 个部分分组成。其其中分度系系统、刻划划系统和控控制系统是是刻划机最最为关键的的部分。这这台刻划机机也是将工工作台分为为内外两层层台结构，内内台通过四四个弹簧钢钢片悬挂在在外台内部部，待刻光光栅

25、毛坯则则放置于内内台上，并并在内外台台之间安装装两个压电电陶瓷驱动动器（分别别置于内台台两侧），实实现内台相相对于外台台的微位移移驱动。采采用两路双双频激光干干涉仪进行行测量定位位，通过两两个压电陶陶瓷驱动器器对内台进进行精确定定位并对摆摆角进行校校正。三、 拟解解决的关键键科学问题题和主要研研究内容详细阐述围围绕国家重重大需求所所要解决的的关键科学学问题的内内涵。主要要研究内容容要围绕关关键科学问问题，系统统、有机地地形成一个个整体来详详细阐述，重重点要突出出，避免分分散或拼盘盘现象。光栅制造技技术是当今今最为精密密的技术之之一，光栅栅刻划机则则被称为“精密机械械之王”。光栅刻划划机作为一一

26、项精密工工程，涉及及到微电子子制造、光光电测量仪仪器、各种种超精密加加工等领域域，拥有高高精度光栅栅刻划机既既体现了一一个国家科科学技术的的发展程度度，又是科科学研究和和经济建设设不可缺少少的手段。精密定位技术更是光栅刻划机中的关键技术之一，定位系统在各种光栅刻划机中都到关键性的作用。精密定位是一个交叉性的综合研究领域，需要精密机械、控制、计算机、微电子技术和光学工程等多学科的支撑，如果考虑到定位系统之外周围环境对它的影响，如振动、温度、湿度、气流等，则涉及到更多的数学、物理、化学、光学、力学等方面的知识。由于精密定位技术应用领域的广泛性、对高科技发展影响的重要性，因而一直是各个发达国家的科研

27、机构、高等院校和大型企业研究的重点。精密定位技技术在不同同领域的应应用中有不不同的类型型，以下根根据运动行行程和运动动方式来对对精密定位位技术进行行分类。从工作行程程来说，精精密定位的的应用分为为两个领域域。一个是是微行程领领域，定位位行程从几微米到几十微米米，相应的的定位机构构称为微动动台、微位位移器及微微进给机构构等；另一一个是几毫毫米至几百百毫米的领领域，称为为大行程精精密定位，是是应用更为为广泛的精精密定位方方式，如在在精密测量量领域，为为了加大扫扫描隧道显显微镜(SSTM)的的测量范围围，要求其其工作台与与测头一起起实现大范范围的超精精密定位；在集成电电路的各种种制造设备备中，根据据

28、晶圆的直直径，要求求工作台能能在几十毫毫米内进行行两维或多多维的纳米米级精度定定位。精密定位的的概念在不不同时期有有着不同的的理解和数数量界定，但但并没有一一致或权威威的规定。一一般都是将将精密定位位细分为精精密级和超超精密级。当当前，亚微微米定位精精度是精密密定位的最最低限度，而而纳米级的的定位精度度则代表着着精密定位位技术的最最高水平。而作为“精密机械之王”的光栅刻划机，要求的自由度更多、定位行程更大、定位精度更高。其研制难度不仅在于要实现大行程，还要保证在行程内的刻线周期误差。定位的范围从几微米、几十微米扩大到几毫米、几十毫米甚至几百毫米，并不是一个简单的数值放大问题，还要在总体方案中综

29、合考虑及其各个关键部件的精度分配、加工精度、装调精度、检测方式、运行部件的精度传递、摩擦、变形、热膨胀、电子学控制精度以及环境等对光栅刻划所带来的影响，工作台的机械结构、位置反馈检测方法和定位控制策略等整个系统的软硬件都要发生很大变化。因此在刻划机的设计和研制中，要充分考虑以下和大行程纳米定位技术有关的研究内容：（1） 工作台的结结构和驱动动：众所周知，要要实现超精精密定位，首首先要有能能实现纳米米量级驱动动分辨率的的微位移机机构。实现现微位移的的机械传动动机构、导导轨支承形形式和驱动动方法具有有多样性，从从机械结构构上来说大大行程纳米米定位有多多种可选的的方案，综综合目前世世界上的主主要纳米

30、级级超精密定位位机构，工工作台可分分为两种类类型：一种种是单层工工作台，采采用一次定定位或步进进定位的形形式；另一一种是采用用叠加式(双层)工工作台，采采用双驱动动或混合驱驱动的方法法，将定位位分为两个个过程：即即粗定位和和精定位，或或宏定位和和微定位。实实际上，微微定位的过过程就是误误差补偿或或精度补偿偿的过程。单层工作台台的大行程程定位系统统多采用的的是静压驱驱动技术的的气浮导轨轨定位工作作台，尽管这种种定位方式式存在系统统复杂、附附属设备多多等缺点，但但仍有很多多学者致力力于对其进进行研究，并并取得了一一定的研究究成果，获获得了许多多成功的应应用；宏微微两级定位位是目前研研究和应用用得更

31、为广广泛的大行行程纳米定定位方法，这这得益于微微位移技术术和计算机机控制技术术的迅速发发展，特别别是压电陶陶瓷和柔性性铰链两者者的结合，极极大地推动动了纳米定定位技术的的实用化。而近年来，以压电陶瓷为驱动器、结合各种新型柔性铰链结构的微动工作台一直是超精密定位研究的热点之一；（2） 大行程纳米米传感器：在工作台定定位时的位位移检测方方面，尽管管目前用于于纳米位移移测量的方方法很多，如如各种扫描描显微镜类类仪器(扫扫描隧道显显微镜STTM、原子子力显微镜镜AFM、扫扫描电子显显微镜SEEM、扫描描电容显微微镜SCMM等)，电电容、电感感测微仪，XX射线干涉涉仪以及激激光干涉仪仪和精密光光栅尺等，

32、但但受到测量量范围和测测量速度的的限制，只只有最后两两种装置在在大行程纳纳米定位系系统中得到到了广泛的的应用。由由于分辨率率的限制，光栅尺多用于微米和亚微米级的位移测量。而双频激光干涉仪具有非常高的分辨率、高精度、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势，以其良好的性能，在很多场合，特别是大长度和大位移的精密测量中得到广泛的应用。（3） 定位控制方方法：对微米级的的运动定位位，普通的的PID控控制一般能能够满足精精度要求，但但对亚微米米至纳米级级的定位精精度，系统统模型的不不准确，系系统中饱和和、死区、迟迟滞等非线线性因素以以及振动、温温度、湿度度、气流等等干扰对定定位

33、误差的的影响异常常突出，系系统的不确确定性和时时变性加剧剧，传统的的PID控控制往往难难以胜任。以工作台固有特性、动态特性和驱动方式为基础，设计一种新的有效的控制算法，实现工作台快速、稳定、大行程的纳米级精密定位；同时，综合运用宏观和微观力学的分析方法，针对超精密定位工作台的刚性、柔性和非线性特性展开分析，并综合利用解析与仿真的虚实混合的仿真建模分析方法，建立一个新型的考虑微观效应的纳米级超精密定位工作台的建模和仿真方法；并在此基础上对工作台进行深入的机构分析和运动分析，并分析机械系统中各项参数对工作台定位精度的影响，以进一步辅助调整和设计机械结构；（4） 摩擦模型摩擦是一种种非常复杂杂的现象

34、，具具有非线性性特性，摩摩擦表面在在不同的表表面质量、负负载和润滑滑条件下具具有不同的的特性和摩摩擦模型。精精密定位系系统中摩擦擦的存在会会产生低速速爬行和极极限环振荡荡，同时造造成稳态误误差和跟踪踪误差，此此外它还使使定位控制制策略复杂杂化。目前前，传统的的摩擦模型型基本上只只能使定位位精度达到到微米级，对对亚微米级级定位精度度已难以胜胜任，因此此众多学者者正致力于于研究各种种新的摩擦擦模型，以以便于在控控制时实施施预测补偿偿；（5） 误差补偿：定位系统中中的各个环环节都存在在误差，通通过分析各各项误差及及其来源，而而后提高关关键零部件件的制造、安安装精度以以及对误差差实施补偿偿是提高定定位

35、精度的的两种常用用方法。目目前，误差差补偿方法法已从系统统误差补偿偿向随机误误差补偿、单单项误差补补偿向全误误差补偿、静静态误差补补偿向动态态误差补偿偿的方向发发展，在补补偿的方法法上软件补补偿十分有有效，发展展势头强劲劲，逐渐成成为主要的的补偿方法法；（6） 振动控制：影响定位精精度的振动动可以分为为两个方面面，一个是是环境振动动造成定位位系统中部部件的振动动，另一个个是定位系系统内部的的振动。解解决前一个问题题常用的方方法是隔振振，如地基基隔振和支支承定位系系统的气浮浮平台隔振振等，近些些年来随着着隔振技术术的发展，还还出现了对对隔振平台台实施主动动隔振技术术的方法。对对定位系统统内部振动

36、动的研究，已已经从将振振动当作故故障源进行行研究，发发展到将它它与定位控控制合起来来，研究怎怎样提高系系统的控制制精度。四、 总体体目标、五五年预期目目标总体目标和和五年预期期目标应从从对解决国国家重大需需求的预期期贡献，在在理论、方方法等方面面预期取得得的进展、突突破及其科科学价值，优优秀人才培培养等方面面分别论述述。五年预预期目标要要求有具体体的考核指指标和人才才培养计划划。五、 总体体研究方案案结合主要研研究内容阐阐述学术思思路、技术术途径及其其创新性，与与国内外同同类研究相相比的特色色和取得重重大突破的的可行性分分析等。 一 机械机构一、 超精密衍射射光栅刻划划机工作方方式及系统统组成

37、光栅刻划机机根据工作作方式的不不同一般有有如下四种种工作方式式：1）罗兰型型：光栅刻刻刀在刻划划方向上往往复运动，工工作台垂直直于刻划方方向作单方方向运动，通通过两个方方向的运动动合成，实实现光栅刻刻划。这种种形式符合合运动学的的观点，较较重的工作作台缓慢移移动，较轻轻的刻划系系统快速往往返运动，刻刻划过程比比较平稳。其其缺点是容容易引起光光栅的扇形形误差。罗罗兰型的具具体示意图图见图2.1。 图2.1 罗罗兰型示意意图2）斯特朗朗型：工作作台往复运运动，光栅栅刻刀在垂垂直于工作作台运动方方向上做单单方向进给给运动，通通过两个方方向的运动动合成，实实现光栅刻刻划。这种种运动方式式能自动消消除扇

38、形误误差，但较较重的工作作台快速往往返运动，较较轻的刀桥桥缓慢移动动，运动不不平稳。具具体示意图图见图2.2所示。 图2.2 斯特朗朗型示意图图3）斯托洛洛克型：工工作台不动动，由刀桥桥进行单方方向进给和和刻刀往复复运动实现现刻划，具具体见图22.3所示示。这种刻刻划机的设设计及制造造很复杂。图2.3 斯托洛洛克型示意意图4）反斯托托洛克型：即刀桥静静止，工作作台进行单单方向进给给和在刻划划方向往复复运动实现现光栅刻划划。这种方方式由于缺缺点较多，很很少采用。 图图2.4 反斯托托洛克型运运动示意图图国际上比较较著名的光光栅刻划机机的工作方方式都采用用罗兰方式式，这种运运行方式的的优点是运行行

39、精度易于于保证，结结构相对简简单。表2.1 国国内外典型型光栅机的的对比国别装备名称工作方式特点刻划面积及及刻线密度度美国MIT-BB罗兰式连续刻划方方式，有双双层工作台台及摆角校校正功能2504425mmm25880gg/mm美国MIT-CC罗兰式连续刻划方方式，有双双层工作台台及摆角校校正功能4506635mmm2（名义值值）紫外-近红红外中阶梯梯日本Hitacchi罗兰式激光干涉仪仪测量定位位，双层工工作台，采采用“连续运动动、间歇刻刻划”。2003300mmm26000gg/mm中国CIOMPP-4罗兰式单层工作台台，光栅干干涉仪测量量定位，有有减重措施施1501150 mmm2240

40、0gg/mm中国CG-5000罗兰式可实现间歇歇式和连续续式刻划，双双层工作台台，双频激激光干涉仪仪测量定位位，有摆角角校正功能能，有卸荷荷措施。4005500 mmm26000gg/mm中阶梯光栅栅该方式又可可细分为间间歇式刻划划、连续式式刻划和连连续运动间间歇刻划。其其中间歇式式刻划机是是较早期的的机器形式式，最早刻刻划机工作作台的分度度精度完全全依靠机械械系统的加加工精度和和装调精度度来保证，属属于纯机械械式刻划机机。这种机机器的运行行精度已经经不能满足足现代光谱谱仪器对光光栅制作的的技术要求求。后来又出现现了采用简简易光电开开环控制的的间歇式光光栅刻划机机，运行精精度有所提提高。在上上

41、世纪700年代，连连续式光栅栅刻划机逐逐步成为光光栅机的主主流产品，并并通过这些些刻划机制制做出许多多高质量的的平面光栅栅和凹面光光栅。以上上刻划机的的工作台都都是单层台台结构。对对于中小型型光栅刻划划机，这种种形式的工工作台是可可以胜任的的。但对于于大型光栅栅刻划机，由由大质量工工作台带来来的微观非非线性误差差成为制约约工作台定定位精度的的主要因素素，不利于于精度的进进一步提高高。另外工工作台的大大行程所带带来的测量量误差也对对定位精度度产生一定定的不利影影响。到上世纪990年代日日本HITTACHII公司开发发出的使用双层层工作台进进行精密定定位，刻划方式式为连续运运动、间歇刻划划的光栅刻

42、刻划机，实实现了运行行精度为55nm、 刻线密度度100000线/mmm光栅的的制作精度度要求，从从定位精度度上讲，这这台刻划机机代表了当当今世界的的顶级水平平。二、 光栅刻划机机关键结构构部件光栅机的整整机结构三三维立体示示意图本项目中光光栅刻划机机的总体运运行方式采采用罗兰方方式，即工工作台承载载待刻光栅栅做单方向分度度运动，光光栅刻刀做做往复运动动，运动方方向与分度度方向垂直直。每运行一一个周期刻刻划一条栅栅线。基于于这种工作作方式，刻刻划机主要要工作单元元按典型的的T型结构构配置于基基座上工作作台表面。该该布置方式式可简化系系统结构，有有利于提高高系统工作作的稳定性性，提高导导轨的制造

43、造精度和运运动精度。此此外检测ZZ、X向运运动位置的的双频激光光测量系统统可以装在在固定不动动的床身上上，仅将测测量位置用用的反射镜镜装在Z、XX方向的移移动部件上上。这样不不仅使测量量系统安装装简单很多多，而且可可以大大提提高测量精精度。刻划划机的结构构主要由分分度系统和和刻划系统统组成。刻刻划机的整整体结构布布局如图所所示。分度度系统主要要包括直线线电机、气气浮导轨副副、工作台台、压电驱驱动柔性铰铰链机构。工工作台由直直线电机拉拉动在Y方方向沿导轨轨做单向运运动。刻划划系统主要要包括刀架架摩擦驱动动机构、刀刀架气浮导导轨副、刻刻刀微位移移机构。由刀架摩擦擦驱动机构构带动刀架架在x方向向沿刀

44、架气气浮导轨做做往复等速速运动，刻刻刀微位移移机构的作作用是实现现光栅刻刀刀的抬落和和刀刃的切切换。设计、制造造这台高精精度衍射光栅刻刻划机，在在技术上遵遵循的基本本原则是：从原理出出发，充分分考虑“阿贝原则则”、“运动学设设计原理”、 “弹性平衡衡原则”及“热平衡原原则”等各种有有利于提高高精度的机机械设计原原理，参考考现有光栅栅刻划机的的制造基础础及关键部部件，如精精密工作台台的现代发发展成果，融入原始创新设计思想，设计建造一台国际领先水平的衍射光栅刻划机。1.分度系系统分度系统主主要功能是是实现工作作台的超精精密定位。工工作台的定定位精度直直接影响光光栅光谱质质量、杂散散光和鬼线线强度，

45、是是光栅刻划划机机构设设计中最为为关键的部部分。目前大行程程超精密工工作台设计计的方案主主要有两种种设计思路路：1)单单级进给方方式，采用用直线电机机非接触进进给或利用用静摩擦驱驱动进给等等；2)两两级进给方方式，即将将定位分为为两个过程程：粗定位位和精定位位，或宏定位位和微定位位，以达到高高的定位精精度和分辨辨率。实际际上，微定定位的过程程就是误差差补偿或精精度补偿的的过程。两级进给的的方案与单单级进给相相比，优点点是可以结结合目前成成熟的大行行程工作台台技术与压压电陶瓷驱驱动器的优优点，降低低技术难度度和研制风风险，但是是不可避免免地使工作作台的结构构复杂化并并增加了控控制系统的的控制难度

46、度。本项目采用用一级工作作台两级进进给的工作作方式。优优点是单级级工作台结结构简单，理理论建模及及控制系统统设计方便便；两级进进给驱动可可以充分利利用压电陶陶瓷的高精精度定位功功能。分度度系统由直直线电机粗粗定位机构构、工作台台气浮导轨轨和压电陶陶瓷微位移移精定位机机构组成，刻刻划机的基基本分度动动作即工作作台的粗定定位，由直直线电机完完成。（1） 直线电机粗粗定位机构构：传统的光栅栅刻划机粗粗定位机构构由蜗轮蜗蜗杆副和丝丝杠螺母副副组成。传统刻划机机粗定位机机构蜗轮蜗杆副副位移分度度系统传动动链的前端端，因为周周期误差会会影响光栅栅刻线的周周期误差，所所以减小周周期误差是是蜗轮蜗杆杆副的关键

47、键。机构定定位精度对对蜗轮蜗杆杆的机械加加工精度有有所依赖。而而丝杠螺母母副是传统统大刻划机机的“心脏”，是直接接产生周期期误差的最最为关键的的部件。该该种传动的的特点是具具有较长的的运动范围围，可以满满足大行程程的需求；降速比大大，在转角角很大的情情况下，可可得到很小小的直线位位移量；可可获得较高高的定位精精度，空回回误差可以以消除或控控制得很小；具具有增力作作用，主动动件上转矩矩很小时，从从动件能产产生很大的的轴向力。缺点是丝杠的安装误差、丝杆本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差、螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响，位移分辨率较低，其运动刚度决定于设计参数。该类装置的自动控制进给过

48、程比较复杂，响应速度低，难以用于特别精密的微进给驱动。与传统进给给驱动相比比，直线电电机驱动具具有以下优优点：省略略了中间转转换机构，减减少了机械械磨损，系系统运行时时可以保持持高增益，实实现精确的的进给前馈馈，对给定定的加工路路径可以用用高速进行行准确跟踪踪，从而保保证了机床床的高精度度和使用寿寿命。运行行时，直线线电机不像像旋转电机机那样会受受到离心力力作用，因因此其直线线速度不受受限制。直直线驱动的的惯性主要要存在于滑滑台，因此此加工时可可以有很高高的加速度度。直线电电机靠电磁磁推力驱动动，故系统统噪声很小小，改善了了工况环境境。直线电机可可以认为是是旋转电机机在结构方方面的一种种变形，它它可以看作作是一台旋旋转电机沿沿其径向剖剖开，然后后拉平演变变而成。如如图所示：直线电