一种新的大行程垂直纳米运动工作台设计与控制研究

张 帆, 黄强先, 程荣俊, 张连生,李红莉, 李瑞君

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009)

1 引 言

近年来,国内外对精密工作台的研究大多数集中在水平方向上,即使存在三维运动平台,其垂直方向的运动研究也较少[1～6]。而随着白光干涉扫描、激光定位校准等技术的不断发展,在微电子制造领域越来越需要工作台以垂直运动的形式进行稳定运动,同时也对工作台的Z向运动行程及垂直方向上的驱动与控制提出要求[7～14]。

Takahashi M等开发了一种音圈直线电机驱动的非接触式真空缸平衡机制运动工作台,真空缸重力补偿器在非接触条件下提供有效的支撑功能,可以10 mm/s的速度实现50 mm大范围的垂直运动[15]。然而该运动工作台低速运行较困难且只能Z向独立运动,应用范围较窄。另音圈电机存在推力密度低、线圈易磨损等缺点。Zhu等提出了一种由压电致动器驱动的垂直(Z轴)纳米定位工作台,能够在214 μm的垂直范围内移动,分辨力可达8 nm[16]。Lyu Z等介绍了一种具有毫米行程和紧凑外形的柔性垂直微定位工作台(VMS)的设计和开发,可实现100 mm×100 mm×5.58 mm的工作行程,分辨力为0.71 μm[17]。

上述可实现Z向运动行程较小,针对大行程及带负载的竖直运动工作台,东华大学董婉娇等设计垂直方向30 mm的纳米级精度的竖直液体静压滑台,通过高压气体配重气缸来抵消滑台以及负载重力[18]。但进给量载荷及温度的变化会造成运动工作台稳定性较差,另液压系统难免会出现漏油而影响工作环境的情况。合肥工业大学的范光照等提出了一种高精度三维运动工作台,其最大位移范围为 20 mm×20 mm×10 mm,采用超声波直线电机驱动运动工作台[19]。但超声波直线电机在交流控制模式中,致动循环中的致动力不是连续的。当驱动部件与滑块分离时,滑块仅通过惯性运行。由于在整个操作过程中致动力是不连续的,因此滑块控制的操作变得非常困难,尤其是在垂直控制中。

如何实现重力载荷最小化是大行程垂直运动控制中最重要的问题之一,应尽量减轻电机负载。同时对Z向电机的良好控制也是实现垂直方向大行程稳定运动的前提。所研制的大行程三维运动工作台采用空气静态导轨悬浮,X、Y向由滚珠丝杠副与交流伺服电机联结驱动;Z向所设计的平衡系统既可降低电机的驱动负载,又能消除X运动台结构不对称引起的扭转力矩以保证三维气浮台稳定运行。Z轴采用N331压电直线电机独立驱动,利用纳米步进模式与模拟模式的复合控制可实现大行程垂直方向上高精度快速精密驱动。

2 大行程垂直运动工作台结构

精密三维气浮运动工作台设计方案采用分体式设计,三维行程可达100 mm×100 mm×100 mm。图1 为大行程三维气浮工作台示意图,其中包括大行程三维气浮台、三维正交靶镜、三轴激光干涉仪等模块。X向与Y向驱动系统由交流伺服电机组合精密滚珠丝杠传动,Z向采用PI公司的N331压电直线电机驱动。运动位移由放置于X、Y、Z三个方向上的高精度激光干涉测量系统实时检测。

图1 大行程三维气浮台示意图Fig.1 Schematic diagram of a large stroke three-dimensional air-floating motion stage

垂直运动工作台(如图2)设计一条中空的花岗岩滑块,竖直安装在X向横梁结构一侧,可以提供Z向的支撑和导向功能。Z向气浮滑块利用安装在主轴底部的高精度压电电机直接驱动。该压电电机开环驱动分辨力高达0.02 nm,且能够实现竖直方向最大105 mm的直线往复运动。并设计双向柔性铰链以减小因零件加工精度和安装问题产生的电机推杆横向负载。导轨上下两端同时安装限位机构和光电开关。

图2 Z向运动台结构Fig.2 Z-direction motion stage structure

为了消除图2所示不对称结构引起的X向横梁承受的扭转力矩以及减小Z向电机的驱动负载,设计了如图3所示的Z向配重平衡系统,保证大行程三维气浮运动工作台在垂直方向稳定运行。

图3 Z向重锤配重平衡系统Fig.3 Z-balance weight system

如图3所示,两组配重块对称放置在X向横梁两侧,配重块上留有孔位可以追加配重以适应Z向工作台不同负载样品。两侧装有特氟龙材料制成的导向支架,以限制Z台运动时配重块各个方向上的摆动。特氟龙材料具有极低的摩擦系数,大大降低了运行过程中的摩擦。钢丝绳一端连接在Z向主轴底部的弯钩上,一端穿过滑轮与配重铅块相连。整个配重系统可以均匀产生与Z向运动台运动部件重量相同的竖直方向的平衡力,以避免Z台重量大于压电电机推力而导致电机无法驱动运动台的现象,同时也能平衡X向横梁承受的扭转力矩,保证运动台的运动平稳。

3 Z轴大行程驱动系统及控制策略

3.1 全步进模式

Z向运动需满足工作行程100 mm。电机驱动运动台竖直向上运动,即对Z向电机承受的负载能力和是否自锁具有一定的要求。Z向驱动电机采用PI公司的N331压电步进电机,该电机有达到105 mm的行程,负载力可达50 N,有具有全步进、纳米步进、模拟三种运动模式。具体技术规格见表1。

表1 N331电机参数Tab.1 N331 Specifications

实际应用过程中,运动行程大时采用步进模式;而实现纳米级精密驱动需工作在模拟模式下。图4为压电电机的内部结构。

图4 N331压电直线电机内部结构Fig.4 Internal structure of the N331 piezoelectric linear motor

如图4所示,压电驱动模块的压电驱动器被成对控制,d11,d12,d21,d22为施加到压电驱动器上的电压信号。剪切方向的运动用于推动陶瓷杆,夹紧方向提供较大的保持力。将用于剪切方向的两个电压信号记为D1,D2;用于夹紧的两个电压信号记为C1,C2。在全步进运动模式中,压电直线电机剪切和夹紧电压随时间的变化情况如图5所示。

图5 全步进控制模式剪切和夹紧电压随时间的变化情况Fig.5 The change of the shear and clamping voltage over time in the full-step control mode

图5中,第一组压电陶瓷(Pair1)伸长用于夹紧陶瓷推杆,即电压C1一直增大至最大电压Umax,电压C2不断减小致压电陶瓷往后收缩。此时无剪切运动,陶瓷推杆不发生位移,此过程对应图6中Part1。接着电压D1不断增大执行剪切运动推动陶瓷杆,电压D2减小往反方向弯曲,为下一次的交替运动做好准备,此过程对应图6中Part2。由图5可看出,第一组压电陶瓷运动完毕后,电压C1不断减小至Umin,C2增大至Umax,即在图6中Part2的基础上,第一组压电陶瓷缩回,第二组伸长用于夹紧,而剪切电压D1,D2未发生变化,即此过程对应图6中的Part3,未发生位移变化。最后电压D2不断增大,即执行正向剪切运动,此时推动陶瓷杆向前运动。电压D1不断减小,为下一个循环交替运动做准备。可发现全步进控制模式下,运动不是均匀的,在夹紧阶段位移会产生中断。综上,通过Pair1和Pair2压电体的有序运动,陶瓷杆被向前或向后驱动。此外,此种控制模式下,压电体分为两组,与陶瓷棒交替接触以提供最大的保持力。全步进运动的示意图如图6所示。

图6 全步进控制模式示意图Fig.6 Schematic of the full-step control mode

3.2 纳米步进模式

在上述压电电机的全步进控制模式中,用于剪切运动与用于夹紧的电压并不是同时变化,即存在一个交替过程。而在纳米步进过程中,用于剪切和夹紧部件的电压同时变化。纳米步进循环的某些阶段,两个压电致动器对都与陶瓷杆接触,所有剪切部件沿相同方向移动。在这种控制模式下会存在重叠运动,陶瓷推杆稳定运动,此处示意图不再赘述。

这种控制模式位移连续,无中断现象,匀速稳定运行,而且振动较全步进控制模式较小。一般来说,全步进模式与纳米步进模式在本系统中均为大行程步进运动,考虑到纳米步进模式匀速稳定运动,而且Z向运动台设计配重平衡系统,减小了Z向电机的驱动负载,竖直方向无须特别大的保持力,即本系统大行程运动采用纳米步进模式。

3.3 模拟运动模式

模拟模式下的运动仅通过剪切驱动部件来实现。压电驱动模块的所有压电执行器均与陶瓷推杆接触。行程范围受剪切位移的限制,本系统中采用的压电直线电机模拟模式行程为20 μm。

模拟运动模式下,陶瓷棒实现微行程驱动。由于N331压电电机具有良好的驱动优势,在本控制系统中,Z向运动台实现100 mm大行程的同时又需要高精度运动,为构建用于大行程单驱动系统的首选。

3.4 Z向运动台复合控制策略

控制策略与电机特性有很大关系,驱动系统的控制算法需要根据实际情况和系统要求进行设计。因此,Z向运动台控制算法的合理设计应结合N331电机特性,简化控制策略,易于实现,而电机运动也不应对电机本身造成损害。

在该系统Z向大行程运动中,传统的PID控制对N331电机的影响较大。因为PID控制实质为使用实际值与期望值之间的误差、误差的积分、误差的微分三者的组合来控制系统的输出量。这会造成N331电机频繁制动和快速启动,陶瓷棒极容易会被刮伤。在实际控制过程中,N331压电电机竖直方向有3种控制模式。2种是在大行程中可快速驱动陶瓷杆的步进模式,此处选择更适合稳定驱动且位移连续的步进控制模式;另1种是模拟模式,此种控制模式陶瓷杆运动速度缓慢,可实现准确驱动。

所研制的垂直纳米运动工作台可结合接触式测头实现测量应用。如在实际测量过程中,被测物体的实际位置是未知的,因此需要一个位置反馈系统来感知测头是否接触到被测物体。测头系统可提供触发信息的反馈,但其触发不能以过快速度撞击。为了精确采集测头信号,需要采用双触发策略,即采用步进模式与模拟模式相结合的复合控制方式。图7为Z向大行程运动控制流程框图。

图7 Z向大行程运动控制流程框图Fig.7 Z-direction large stroke motion control flowchart

图7所示,由于被测物体的实际位置未知,在第一次触发时,N331电机在开环中以纳米步进模式运动,并且N331压电电机的速度较快且保持恒定。一旦测头的触发信号第一次出现,电机立即后退一定距离。此时切换电机控制模式进入模拟控制模式,然后N331缓慢移动。当测头信号达到设定阈值时,电机将保持在该点,上位机记录此时位移值。

4 垂直运动工作台实验测试及分析

4.1 实验设备与环境

图8为大行程三维气浮宏动台实物图,其中包括Y向双导轨运动台、X向运动台、具有平衡系统的Z向运动台结构、三轴激光干涉仪、三维正交靶镜。三轴测量系统采用激光干涉仪作为位移传感器,其利用激光具有高时间相干性的特点,以激光波长为测量基准的精密测量仪器,具有非接触、高精度、溯源性好等优点,线性分辨力可达0.3 nm。采用独立计量框架,其中包括底部的大理石台面和上边的殷钢框架。整个实验装置处于特定恒温恒湿实验室,温度控制(20.0±0.5)℃,相对湿度(50±5)%RH。

图8 大行程三维气浮台实物图Fig.8 Physical diagram of a large stroke three-dimensional air-floating motion stage

4.2 实验测试

工作台在纳米步进模式下,运动曲线非常直,最大工作行程可达100 mm。不同于全步进工作模式,在运动过程中会出现停滞。纳米步进模式运动的优点是平稳快速驱动,提高了在实际应用中的工作效率。图9中,电机瞬时速度未存在较大波动。即在纳米步进模式下,N331电机的速度是连续且恒定的,在运动过程中不会发生速度的突变。这个过程是连续、稳定且高效的,这也是在两种步进模式中选择纳米步进控制模式的原因。

图9 纳米步进运动瞬时速度Fig.9 Velocity of the nanostepping control mode

在模拟模式下,电机的所有压电体都作用在陶瓷推杆上。在压电驱动模块作用下,电机可以实现超精确的运动,但运动距离较短。模拟模式下电机的最大运动距离为20 μm,电机可重复模拟运动不断往前逐步逼近。对比可知,在模拟模式下,电机的运动速度比纳米步进模式更慢,但更稳定,速度的波动要小得多。因此,对于纳米精密控制的运动,电机必须工作在模拟模式下。该驱动控制系统可在模拟模式下实现纳米定位精度。但激光反馈干涉仪的零漂移是不可避免的。因此,尽管激光数据非常稳定,但本质上,电机不断调整其位置,以消除激光干涉仪的波动。因此,垂直工作台的稳定性是反映其性能的一个关键指标。

图10为工作台在全行程11个位置处不同点的定位波动,每个位置间隔10 mm,全行程100 mm,重复实验10次。由图10可知模拟模式下垂直工作台的定位波动在±9 nm内。

图10 固定点的定位波动Fig.10 The positioning fluctuation of fix points

如在实际应用过程中,通常需要切换控制模式。在运动开始时,距离目标位置较远,采用快速运动的纳米步进控制模式。纳米步进快速驱动一次触发后,控制模式自动转换为模拟模式进行精密驱动。实际的模式转换过程如图11所示。

图11 纳米步进模式与模拟模式复合控制过程Fig.11 The compound control process of nanostepping mode and analog mode

由图11可知实际转换过程可明显看出电机位移变化。在纳米步进控制模式转换为模拟控制模式的过程中,它需要后退一定距离才能进行模式转换。这种后退是非常积极的,例如实际应用中为模式转换保留空间,防止转换中的随机波动,保护测头系统以避免被测物体的撞击。为了实现大行程的快速驱动及高精度触发,需要两种模式的组合。

5 小 结

本文重点介绍了三维工作台中垂直运动工作台的设计与控制。Z向所设计的平衡系统既降低电机的驱动负载,又能消除X运动台结构不对称引起的扭转力矩以保证垂直方向大行程稳定运行。利用N331压电直线电机独立驱动,采用步进方式实现大行程驱动,模拟方式实现微位移驱动。所提出的驱动与控制策略,可以实现长距离高精度快速精密驱动。该三维气浮运动中垂直运动工作台可达 100 mm,可实现纳米步进模式与模拟模式的复合控制。在全行程100 mm的范围内定位波动可以限制在±9 nm内。该系统具有大量程,系统架构简单、高稳定性等优点,对于当前微纳机械加工、微电子制造等均有较大的实用价值。下一步工作是继续优化控制算法,组合接触式测头完成高精度触发测量。