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基于宏微驱动的纳米定位系统的分析.pdf

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哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - I - 摘 要 纳米级定位技术目前已成为前沿科学领域的关键技术 之一, 能达到大行程 、高速度、高精度的定位系统 是定位技术的发展方向。 宏微双级驱动的定位方法 可以避免单 驱动所带来的技术难题 , 满足 超精密定位系统的 发展需要 。 首先搭建 了大行程的宏 微双级驱动的单轴定位平台。 采用 直线电机驱动气浮平台 , 0.1μm 分辨率的光栅尺完成位置闭环反馈实现 初级粗定位 ; 采用 压电陶瓷驱动微动平台 ,电容传感器完成高精密闭环反馈实现次级精定位 ; 采用 激光传感器作为位置测量装置 , 为整个位置环 误差 校准提供 保证 。 其次 对定位平台进行动 态 建模 , 对工作台参数变 化对宏微平台的相互作用关系进行仿真, 分析了宏微双级平台的定位方法和 不同的驱动阶段宏微平台的动态特性。 然后 研究 双级平台的控制 性能 。调节 PID 和 前馈控制 参数 , 对宏动系统进行性能测试 实验,使其具有很好的快速响应和误差跟踪能力; 探讨压电陶瓷开环和闭环控制下电压 位移特性,寻找良好的工作区间 ; 分析宏微 控制切换 和阀值的设定问题。 最后 设计实验的软 件系统 , 对 双频 激光干涉仪进行误差修正 ,及 对宏动台 和宏微双级平台定位精度进行实验测试 , 得到了定位平台的重复定位精度为174.7340nm。 关键词 运动平台; 宏微驱动 ; 纳米定 位 ; 位移 测量 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - II - Abstract At present, nano-positioning technology has become one of the key technologies in frontier science field. And the long stroke, high speed, and high accuracy represents the direction in positioning technology. However, a macro/micro-driven positioning with two stages can avoid the technical problems with single stage driven. They can achieve ultra-precision perance requirements. Firstly, in this paper a macro/micro-driven single axis positioning stage is established. The flotation stage is driven by line motor, and the grating with 0.1μm resolution to achieve closed loop position feedback. The micro stage is driven by PZT for precise compensation, and capacitive sensors to achieve closed loop feedback. The nano-laser sensor as positioning measurement device provides a guarantee for error’s calibration in the entire position loop. Secondly, dynamic model for positioning stage is established, the coupling impacts between the macro and micro stage with the change of parameters are simulated, and the macro/micro dynamic characteristics in different positioning process are analysised. Then, the control system of dual stage platc is studied. By adjusting the PID parameters of the macro system to conduct perance test experiments. To have a good ability to respond quickly and error tracking. By experimental s to investigate the voltage-displacement characteristic of PZT’s open and close control, to find a good working range. For the entire system, study dynamic threshold , analyse switching problem and threshold setting problem. Finally, the experimental hardware and software systems are designed and the errores are correctioned. Then do the experiments on the positioning accuracy of the macro stage and dual stage. By the experimental to uate the Macro/Micro positioning system’s perance and the correctness of this research work. Keywords motion stage, macro/micro drive, nanometer positioning, displacement measurement 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. II 第 1 章 绪 论 .............................................................................................................. 1 1.1 课题来源 ............................................................................................................... 1 1.2 课题背景及研究意义 ........................................................................................... 1 1.3 纳米定位平台国内外研究现状 ........................................................................... 2 1.3.1 结构和驱动方面 ............................................................................................ 2 1.3.2 位移 测量方面 ................................................................................................ 4 1.3.3 控制方法方面 ................................................................................................ 6 1.4 主要研究内容 ....................................................................................................... 7 第 2 章 宏微双级平台的构建 ...................................................................................... 9 2.1 引言 ....................................................................................................................... 9 2.2 总体设计 ............................................................................................................... 9 2.3 宏动平台的构建 ................................................................................................. 10 2.3.1 直线电机选型 ...............................................................................................11 2.3.2 反馈测量装置 .............................................................................................. 12 2.3.3 宏动台集成 .................................................................................................. 13 2.4 微动平台的构建 ................................................................................................. 14 2.4.1 压电平台特点 .............................................................................................. 14 2.4.2 压电平台装置 .............................................................................................. 15 2.5 双级运动平台 的集成 ......................................................................................... 16 2.6 本章小结 ............................................................................................................. 17 第 3 章 双级平台动态模型和特性分析 .................................................................... 18 3.1 引言 ..................................................................................................................... 18 3.2 宏微平台的动力学模型 ..................................................................................... 18 3.3 工作台参数对耦合关系的影响 ......................................................................... 20 3.3.1 宏动台质量和刚度对耦合作用的影响 ...................................................... 20 3.3.2 微动台质量和刚度对耦合作用的影响 ...................................................... 21 3.4 双级平台的动态特性分析 ................................................................................. 22 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - IV - 3.4.1 宏微双级系统的定位方法 .......................................................................... 22 3.4.2 不同驱动阶段宏微平台的动态特性 .......................................................... 23 3.5 本章小结 ............................................................................................................. 25 第 4 章 双级平台的控制和切换 ................................................................................ 26 4.1 引言 ..................................................................................................................... 26 4.2 宏动系统的控制 ................................................................................................. 26 4.2.1 控制环路 ...................................................................................................... 26 4.2.2 系统 PID 参数调整 ...................................................................................... 28 4.3 微动系统的控制 ................................................................................................. 29 4.3.1 开环控制下的电压 位移特性 .................................................................. 30 4.3.2 闭环控制下的电压 位移特性 .................................................................. 33 4.4 宏微切换控制 ..................................................................................................... 34 4.4.1 阀值控制方法 .............................................................................................. 34 4.4.2 切换阀值设置 .............................................................................................. 35 4.5 本章小结 ............................................................................................................. 36 第 5 章 宏微平台定位精度实验 ................................................................................ 37 5.1 引言 ..................................................................................................................... 37 5.2 实验系统的设计 ................................................................................................. 37 5.2.1 实验系统硬件结构 ...................................................................................... 37 5.2.2 实验系统软件设计 ...................................................................................... 38 5.3 双频激光干涉仪的误差修正 ............................................................................. 40 5.4 定位精度实验 ..................................................................................................... 42 5.4.1 定位精度的测量标准 .................................................................................. 42 5.4.2 宏动台的定位精度实验 .............................................................................. 43 5.4.3 宏微双级平台的定位精度实验 .................................................................. 44 5.5 本章小结 ............................................................................................................. 45 结 论 ............................................................................................................................ 46 参考文献 ........................................................................................................................ 47 哈尔滨工业大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 ............................................ 51 致 谢 ............................................................................................................................ 52 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源 本课题来源于深圳市科技计划项目 “ 基于激光干涉 技术 的纳米平台的研制”的一个子课题 。 1.2 课题背景及 研究意义 随着 IC 制造中芯片光刻与封装、生物医学工程中的细胞跟踪与穿刺、高速扫描检测与微机械装配与安装等领域的迅速发展 [?],对定位系统的行程、速度、加速度和精度提出了极高的要求,这样迫切需要纳米级定位技术。 纳米 定位技术已成为当前 前沿科学如光电子、显微科学、精密加工、生命科学等的关键技术之一 [2],因此近年来纳米定位技术成为是 科学 领域的研究热点之一。 精密定位不同于精密测量,它涉及到多学科的交叉和支撑,不仅要熟练掌握机电一体化、运动控制 的知识 ,还要考虑到 机械 振动、 物理 光学 、通信 等方面的知识。能达到大行程 、 高速度、高精度的定位系统代表着定位技术方面的最高水平 [3-5],而往往这些要求要受到各方面的限制 。 一方面定位精度和运动速度的提高是相互矛盾的。运动速度大,机构的惯性力大,机构容易产生变形和振动,在纳米级定位中不可取;同时在控制系统中,反馈系统的传感器的分辨率也限制着系统的运动频率与定位精度。另一方面 定位系统的大行程和定位精度是相互矛盾的,目前大行程精密工作台以直线电机、压电马达为驱动设备,但是定位精密一般限制在微米级;一些以压电陶瓷为代表的能够达到纳米级精度的平台行程一般在几十微米级左右。所以如何解决这些矛盾,克服这些技术难题,已成为目前研究急需解决的问题。 为了提高定位系统的综合性能,在 1984 年美国麻省理工学院 A.Sharon 提出了宏 /微结合的定位方法 [6]。宏 /微定位系统采用 宏动系统完成系统大范围、高速度的粗定位,采用微 动系统 完成 小范围 、 纳米级 的精定位。宏微双重定位系统能够有效地提高系统 终端 定位 精度,减小 振动幅值 [7],并且能保证系统具有 较高 响应速度,具有大范围、高精度、低成本、大频响的优点。 这种定位系统的构建在微 细操作、精密加工、 航空航天 、生物制造等领域 德运用越来越广 。 由于 我国超精密加工技术的水平与国外发达国家还有 差距,缩短我国与发达哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 2 - 国家在精密工程领域的差距,提高科学技术水平,可以解决我国超精密机床长期依赖进口,受国外制约的难题,对发展经济、提高综合国力有着巨大的作用 [8]。为此,本课题研究的目的是设计一种大行程、高速度、高精度的驱动平台,研究其 动态性能和定位控制,为我国纳米级定位水平的发展 提供支持和动力。 1.3 纳米定位平台 国内外 研究现状 1.3.1 结构和驱动 方面 目 前在纳米级定位系统的研究中, 从 工作台 的 结构 和形式 上看,可分为单 层驱动 式 的和 双 层 驱动 式 两种 ,前者采用直接定位的方法,后者采用宏、微 双级 定位的方法。 它们在结构 组建、 行程 速度、 反馈控制 等方面各有自己的特点 。目前后者的应用越来越普遍 , 对其国内外的研究现状进行探讨 。 日本 THK 公司 研制的 AX 型单驱式 精密 XY 移动台 [9]如图 1-1 所示 。它 采用精密滚珠丝杠作为进给单元, 经精密研磨的 LM 滚动导轨 SR 型 为导向 部件 , 通过单轴移动单元的组合(而非使用传统专用座架的 XY 移动单元的组合),可自由选择行程 50200mm,最大反复定位精度为 0.8μm。 图 1-1 THK AX 型精密运动平台 韩国 汉城 大学研究 的宏微两级定位纳米工作台 [10]如图 1-2 所示 , 平台由 滚珠丝杠螺母机构 构成的宏动台和 PZT 驱动 构成的微动台 机构 叠合而成 。 微动台安装在基于电机驱动的宏动工作台上 ,宏动工作台的位置反馈用编码器,微动工作台的位置反馈用激光干涉仪, 能够实现很高的定位精度 ,最高可达到 30nm。 。 驱动电机 滚动导轨 精密滚珠丝杠 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 3 - 激 光 干 涉 仪气 浮 平 台动 镜主 动 台微 动 台分 光 镜激 光 头图 1-2 汉城大学宏微定位系统 美国 加州 大学研制的宏 /微结合的定位系统装置 [11]如图 1-3 所示 。 它 采用的是直接 直线 驱动的形式, 减少了由于传动机构带来的摩擦,间隙以及机械弹性 变形的问题。 宏动部分采用超声波马达 驱动形式 ,精密定位系统采用的是压电陶瓷定位系统,宏 /微部分分别由两个 精密 光栅 尺 实现位置反馈, 微动台的光栅尺 分辨率小于 10nm。 图 1-3 加州 大学宏微平台系统 在国内对于宏 /微双重驱动定位系统的研究起步比较晚, 图 1-4 所示为 中科院长春光机所研制的一种超精密定位工作台 ,采用伺服电机作为宏动平台的 驱动 ,由滚珠丝杠和滚珠导轨传动 , 微动部分则用 压电陶瓷 驱动和柔性铰链组成的机构传动 ,该机构 的缺点是滚珠丝杆传动存在反向间隙 , 精度不高 。 柔 性 铰 链 压 电 陶 瓷伺 服 电 机传 动 齿 轮滚 珠 丝 杠粗 动 台微 动 台工 作 台 基 准图 1-4 压电驱动超精密定位工作台 简图 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 4 - 图 1-5 是 2007 年 哈尔滨工业大学机器人研究所孙立宁 教授 等人 的研究成果 ,由音圈电机 进行 宏驱动、压电陶瓷 进行 微驱动, 采用 双光栅位移测量 、硬件阀值切换 的闭环控制 ,同时设计了 XY 方向解耦机构 ,实现了大行程、高速度、高加速度和高精度的运动定位 要求 [12,13]。 图 1-5 宏 /微驱动高 速高精度 XY 定位平台 总的来说 ,宏微驱动定位平台的研究越来越多,而单层平台的研究逐渐较少 , 主要因为双层工作台解决了 工作台惯性与定位精度,速度的矛盾 。 压电陶瓷平台的质量小、惯性小、 响应快速 、 平稳 [14]。 宏微双级定位系统方案的优越性已经得到国内外大多机构的认可和实践 证明 ,本课题的研究 平台 也是基于宏微双级的驱动和结构形式, 因为 宏微双级驱动既有 宏动台运动 行程 大、 高速度的 特 点 ,又有压电 微动台 的分辨率高 、响应快 的特点 。 1.3.2 位移测量 方面 纳米级系统中需要检测 运动 系统 状态 实时地反馈位置信号,反馈信号 可以 用来作为驱动控制 和 误差补偿 ,其检测精度直接决定了位置控制精度。目前常用的高精度的纳米级的 测量仪器有以下几种 [15-17]光栅尺位移传感器、激光检测系统、电容 /电 位移传感器等 。 表 1-1 纳米级的测量仪器比较 测量方法 分辨率 测量范围 光栅尺 10nm 1 米 激光干涉仪 0.1nm10nm 1 米 X 射线干涉仪 5pm 几纳米 几微米 F-P 干涉仪 1pm 几纳米 几微米 电感 /电容传感器 1pm1nm 几纳米 几微米 原子力显微镜 ( AFM) 扫描隧道显微镜 ( STM) 1nm 几纳米 几微米 哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 5 - ( 1) 光栅尺 是通过记录静尺和动尺相互移动所产生的莫尔斯干涉条纹数来测量位移。测量精度主要取决于光栅栅线的刻制精度 和信号细分倍数 ,受 外界环境因素 影响很小。德国、英国、日本、西班牙的一些公司都可以提供光栅尺测量产品,其中以德国 HEIDENHAIN 公司和英国 RENISHAW 公司最为著名,其技术、品种、产量都处于绝对领先地位 ,如图 1-6 和 图 1-7 所示 。 图 1-6 德国 HEIDENHAIN 公司光栅尺 图 1-7 英国 RENISHAW 公司光栅尺 和细分盒 以 RENISHAW 公司 提供 光栅尺为例,其高速直线光 栅 按栅距可 分为 20μm 和 40μm 两大系列。测量系统 主要 由光栅刻尺,读数头,细分模块组成, 光栅位移信号连接不同 细分模块 可以得到不同的位移分辨率 , 当然其整 体 性能还受其他环境因素的限制, 其产品的性能如表 1-2 所示。其中, RGH 系列高速直线光栅尺 在配置不同 细分 指标 的情况下 当 测量 分辨力为 5μm 时最 大允许 速度 是10m/s; 当分辨力为 0.5μm 时 最大允许 速度 是 3m/s; 当分辨力为 0.05μm 时最 大允许 速度仅能达到 0.3m/s。 表 1-2 RENISHAW 公司 光栅尺的主要性能指标 系列 型号 信号周期 ( μm) 测量步距 ( μm) 最大允许速度 m/s 输出信号类型 RG2 RGE02 20 5 10.0 TTL RGE10 20 0.5 3.0 1VPP RGE00 20 0.05 0.3 TTL RG4 RGH41D 40 5.0 12.0 TTL RGH41G 40 2.0 7.5 TTL 可以看出光栅尺在细分的情况下,可以达到纳米级精度,但是速度已经被限制的很小 , 造成这样的主要原因来源于运动频率与处理卡可接受的频率之间的关系。由于它几乎不受 诸如光强、气压、振动等其它 环 境因素的影响, 信号稳定 和并且 使用方便 ,因此 成为 精密 位置测量 装置的 理想传感器 [18]。 ( 2) 激光干涉仪 以激光 在真空中的 波长 作为长度基准 , 可以达到纳米级的哈尔滨工业大学 工 程 硕士学位论文 - 6 - 测量 分辨率。 它 相对于光栅尺的优点 是分 辨率高、测量范围大和测量精度高 , 主要 是 因为它不用进行很高的 信号细分,就能达到很高的分辨率 。 但在实际 位移 测量中,激光束在空气中 传播 时, 由于受温度、大气压强、振动、空气湿度等因素的影响,其波长和相位很容易发生变化 ,从而降低测量精度 。 目前的激光测量系统已经非常完善,包括非常稳定的激光源和环境补偿系统。 例如 RENISHAW 公 司的 新型 XL-80 系列 在硬件上实现突破 分辨率可以 达到0.1nm, 测量范围可 达 80m, 测量速度高达 4m/s, 动态数据采集率达 50KHz, 并且具有微小智能型传感器作为补偿单元。 这主要得益于 日益成熟 的光学设计 系统 和高速 发展 的 A/D 转换器件。 激光干涉仪 的发展 在超精密的测量和校准方面扮演 着极重要的角色 [19]。 ( 3) 电容 /电感传感器 基本原理是 将被测的非电学量转化为电学量,然后通过测量 电信号变化实现位移的间接测量 。 优点是分辨力高 、 灵敏度高 、 动态响应快 、 稳定性好 、 分辨率可 小于 1nm、 简单易用 和 成本比较低 ; 缺点是量 程比较小 ,常用在缓慢变化和微小位移的测量 , 因此 它 在精密 和超精密 小位移测量中受到青睐 [20]。 图 1-8 是日本 SIGMA 公司针对精密压电平台专门研制的微小位移传感器 ( F/D) ,它 利用了分布电感和静电原理 , 属于电容电感传感器的一种 。 从头部发射能量电磁波 ,和金属等导电物质 (对向板) 相互作用 , 这种相互作用随和对向板的距离而变化,表现为电磁波频率的变化。利用一个检测电路检测出这种频率变化,然后转换为数字信号输出 ,如图 1-9 原理图 。 该传感器 在振动频率变化比较大的 500μm 以内的时候,选定一个任意的取样时间,可能得到 1nm 以下的位移分辨率 。 电磁波传感头数字信号金属图 1-8 SIGMA 公司位移传感器 图 1-9 F/D 位移传感器的基本原理 1.3.3 控制方法 方面 在高速高精密的宏微驱动控制中,已经有很多学者对各种控制方法做出了相
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