世界領(lǐng)先的測量專家雷尼紹近期推出了VIONiC光柵系列 — 新一代超高精度、超小型的一體化數(shù)字增量式光柵。VIONiC系列光柵專為世界上要求最苛刻的運動控制應(yīng)用而設(shè)計，其在開發(fā)過程中將雷尼紹著名的光學(xué)濾波系統(tǒng)與全新定制的細(xì)分與監(jiān)控ASIC(專用集成電路)相結(jié)合，以增強動態(tài)信號處理能力并提高信號的穩(wěn)定性。VIONiC成為雷尼紹迄今為止最高性能的增量式光柵系統(tǒng)。
VIONiC系列的設(shè)計在縮小總體尺寸的同時保持了系統(tǒng)的高性能，它在讀數(shù)頭內(nèi)部集成了所有必需的細(xì)分電路和數(shù)字信號處理功能，因此無需再使用其他外部接口。在周期誤差、抖動、速度、分辨率和精度等方面，VIONiC均在同類產(chǎn)品中保持領(lǐng)先水平?？蛻艨梢赃x擇兩種型號的VIONiC讀數(shù)頭。標(biāo)準(zhǔn)的VIONiC讀數(shù)頭的周期誤差 <±30 nm，有效分辨率范圍介于5 μm至20 nm之間，速度可超過12 m/s。為了滿足最為嚴(yán)格的性能要求，雷尼紹還提供VIONiCplus?讀數(shù)頭，其周期誤差 <±10 nm，抖動低至 <1.6 nm RMS，分辨率范圍可從100 nm低至2.5 nm，各項性能指標(biāo)均達到行業(yè)最高水平。下圖為VIONiC和VIONiCplus光柵的細(xì)分誤差值比較。高精度光柵可最大程度降低速度紋波，這對于激光掃描等恒定速度應(yīng)用而言是十分重要的。
對運動控制精度要求最高的應(yīng)用，包括微型制造、微定位和精密光學(xué)元件制造等領(lǐng)域，必定能從VIONiC中受益最多。本文闡述了高性能光柵系統(tǒng)在這些高精度要求應(yīng)用中發(fā)揮的重要作用。
微型制造
微型制造行業(yè)制造的是尺寸為幾毫米甚至更小的小型零件。零件上微型特征的尺寸小于傳統(tǒng)機床可加工的尺寸。微型制造采用的技術(shù)源于半導(dǎo)體行業(yè)使用的掩模光刻工藝。對這些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)加以改進，可產(chǎn)生多種新的制造方法。近些年來，激光微加工日漸普遍，尤其是使用準(zhǔn)分子(脈沖)激光來生成3D微觀結(jié)構(gòu)。大多數(shù)準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)均采用了一種被稱為掩模投射的技術(shù)，其具有較高的特征分辨率、精確的深度控制能力、卓越的可重復(fù)性，且能夠覆蓋較大的工件面積。
在掩模投射中，微觀結(jié)構(gòu)特征的深度輪廓由激光脈沖持續(xù)時間、功率和光束形狀控制。射向工件的光束位置則由精密X-Y運動平臺直接控制。這些系統(tǒng)最大的一個優(yōu)點便是其靈活性，適用于多種微型加工任務(wù)。例如，同步疊加掃描 (SOS) 就是一種在激光加工過程中掩模和工件的移動可保持一致的操作模式。SOS可應(yīng)用到印刷、半導(dǎo)體以及平板顯示器 (FPD) 等行業(yè)。由于掩模投射存在縮小系數(shù)，所以在同步掃描期間，掩模必須向相反方向以相同系數(shù)更為快速地移動?？赏ㄟ^借助位置編碼器反饋進行的高精度運動控制來實現(xiàn)這一操作。位置編碼器通常用于確定工件相對于掩模的位置、速度和加速度，以便控制系統(tǒng)在整個曝光區(qū)域內(nèi)保持所需的激光脈沖數(shù)。由于誤差傳播會影響時間導(dǎo)數(shù)，因此需要高精度的光柵。隨著微機電系統(tǒng) (MEMS) 和其他微型設(shè)備變得越來越小且越加復(fù)雜，因此越來越需要精度和性能更高的光柵系統(tǒng)。
微定位
微定位平臺是一種能實現(xiàn)亞微米級位置控制的小型運動平臺。領(lǐng)先的制造商會采用兩種設(shè)計方法。其中一種是使用旋轉(zhuǎn)電機和連桿機制將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為X、Y和Z軸方向的線性運動。另一種則是使用直線電機消除傳動裝置，并簡化機構(gòu)設(shè)計。位置編碼器的首選安裝位置是將柵尺安裝到有效載荷平臺上，而不是安裝到電機上。由于光柵和被測部件之間不存在連桿機制，因此可非常精確地實現(xiàn)運動控制。這在并聯(lián)機械設(shè)計(包括六軸機器人)上尤為常見，可使用旋轉(zhuǎn)伺服電機控制曲柄或螺桿，以驅(qū)動平臺。在一個示例系統(tǒng)中，傳動比率可減慢相對于輸出的伺服輸入，大大降低所需的旋轉(zhuǎn)電機分辨率和施加的扭矩。通過采用虛擬編碼技術(shù)，逆運動學(xué)方程式可僅根據(jù)線性X-Y軸光柵數(shù)據(jù)確定電機位置。然后使用根據(jù)測量的線性平臺位移計算的促動器關(guān)節(jié)角度來控制電機。如果光柵輸出數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，受控運動的精度將受到嚴(yán)重影響，進而影響整體平臺性能。在這種情況下，必須使用高性能的光柵解決方案。微定位平臺應(yīng)用包括半導(dǎo)體光刻工藝中的位置控制以及基因測序流程等。
精密光學(xué)元件制造
使用精密數(shù)控機床對透鏡進行拋光是透鏡制造流程的最后一步。在使用數(shù)控機床拋光球面或非球面透鏡時，將使用與所需最終透鏡形狀相匹配的成型刀具。刀具孔徑(拋光表面)通常較大，為透鏡孔徑的兩倍，但其也可完成子孔徑拋光。光學(xué)元件拋光期間的材料去除率取決于刀具壓力以及刀具和工件之間的相對速度。在該過程中，要使用拋光懸架，同時拋光刀具將按照計算機控制的預(yù)定路徑在透鏡表面來回移動。
子孔徑拋光系統(tǒng)屬于非常精密的設(shè)備，可加工極復(fù)雜的形狀，而傳統(tǒng)技術(shù)則因成本過于昂貴，無法完成加工。進行子孔徑拋光時，首先讓刀具與代表性部件接觸已知的一段時間，以確定拋光速率特性。這可作為確定透鏡表面修整的基礎(chǔ)。下一步是通過模擬刀具在透鏡上移動的路徑，來確定前進方向的材料去除問題。然后解決反方向的問題，生成目標(biāo)表面所需的過程參數(shù)。該解決方案可準(zhǔn)確確定刀具在每個位置的駐留時間、刀具壓力以及相對刀具速度。數(shù)控透鏡拋光機內(nèi)部具有多條軸，其中包括X、Y和Z軸。例如，拋光機可由帶有雙向Y和X軸線性平臺的基座組成，可控制X-Y平面的工件位置。此外，拋光刀具主軸通常安裝在與機器框架垂直滑軌相連的旋轉(zhuǎn)軸上。工件也安裝在與刀具主軸正交的獨立主軸上。通常，拋光后的精密透鏡的輪廓誤差 <0.5 μm。高度精密和準(zhǔn)確的緊湊型光柵非常適用于上述大多數(shù)軸的高增益位置和速度反饋控制系統(tǒng)。刀具與工件的相互作用必然會產(chǎn)生高頻干擾。需要擴展伺服回路帶寬，以消除導(dǎo)致表面粗糙的誤差。透鏡拋光不準(zhǔn)確可導(dǎo)致工件受損，其代價高昂。無論是從成本還是從性能角度考慮，先進的光柵解決方案都是適用于本行業(yè)的理想之選。
摘要
VIONiC系列是雷尼紹首款兼具超細(xì)柵距 (<4 μm) 系統(tǒng)優(yōu)點的傳統(tǒng)光柵，VIONiC的其他優(yōu)點還包括：俯仰和間隙公差更寬松、安裝更容易、系統(tǒng)尺寸更小、工作速度更快、柵尺選項更靈活(例如柵尺長度更長、抗污性能更好且成本更低等)。微型和納米制造、精密運動控制和其他尖端行業(yè)中的客戶如今可選擇VIONiC光柵，來滿足其運動控制需求。
（轉(zhuǎn)載）
