負載對超精密平臺性能影響的研究*

林海波 楊國哲

(①臺州職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，浙江臺州318000;②沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧沈陽110023)

高精度和高分辨率的精密微位移系統(tǒng)，在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領(lǐng)域占有極其重要的地位，它是直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測量水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，它的各項技術(shù)指標是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志［1］。微型機械、微型機器人領(lǐng)域是未來技術(shù)發(fā)展的一個非常重要的方向，在航空航天、國防、醫(yī)療以及廣泛的民用工業(yè)領(lǐng)域都有著廣闊的應用前景。微細電火花加工是利用工件和工具電極之間的脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化和氣化，從而達到蝕除加工的目的。

電火花加工放電脈沖的能量密度高，可以加工復雜形狀的工件，加工中電極與工件材料不接觸，一般沒有宏觀的切削力作用，因此在微小尺度工件的加工中有著不可替代的優(yōu)越性。

平臺包括加工單元子系統(tǒng)、運動子系統(tǒng)、運動測量反饋子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、監(jiān)視子系統(tǒng)、加工區(qū)狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、減震子系統(tǒng)、工件臺及供液子系統(tǒng)、環(huán)境保障子系統(tǒng)。

1 整體設計

整個系統(tǒng)如圖1所示?；坑苫◢弾r組成，花崗巖基座下加隔振元件。由于花崗巖具有絕緣性好、無離散電容和電感產(chǎn)生的優(yōu)點而適用于微細電火花加工。平臺橫梁采用一個整體石材加工所成，保證了橫梁本身的高加工精度，尤其是橫梁底面、右側(cè)面、正面不僅保證了很高的形狀精度，而且保證了很高的定位精度。這對于后期運動平臺的裝調(diào)起到了不可替代的作用。平臺均以兩組交叉滾子軌道支撐，XYZ精密平臺中，X軸直線平臺在水平面內(nèi)垂直疊放于Y軸上，Z軸平臺固定于龍門型立柱上，并設計了Z軸配重結(jié)構(gòu)。X/Y向平臺有150 mm的行程，Z向平臺有100mm的行程。各單軸均采用以色列Nanomotion公司的低速電動機作為驅(qū)動元件，因為該電動機有20 nm的分辨率和理論上無限的行程。位置反饋元件為Rainshaw敞開式增量光柵，分辨率可達10 nm，精度為0.1 μm，可以直接實現(xiàn)大行程的精密運動。

為保證超精密工作臺的機械精度、測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定，整個平臺工作在高等級的潔凈間內(nèi)，且采用主動式隔振臺作為減低外界對平臺運動影響的手段，進一步降低環(huán)境震動的影響，并且取得良好的效果。

2 負載對平臺性能影響實驗

電動機是依靠振動、摩擦來驅(qū)動的，包含很多非線性因素，很難確定一個清晰的理論模型，所以轉(zhuǎn)速-驅(qū)動頻率之間也沒有確定的理論公式，尚無成熟的通用數(shù)學模型建立。數(shù)字PID控制器在優(yōu)化電動機速度控制和平臺定位控制之后，通過平臺的單軸運動和多軸控制協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)測試，對平臺的整體運動性能進行評價和深入研究。

通過實驗來檢測平臺的步進特性，實驗裝置見圖2。為了測試平臺的最小步進能力，通過測試程序令各軸電動機按設定值步進。從5μm開始，逐步減少步進量，直至找到能夠平穩(wěn)運行的最低速度。圖3是放大的階躍曲線，其最小步進階躍為100 nm的實驗，實驗條件為空載情況下，臺階為100 nm。從圖中可以看出，實現(xiàn)100 nm的階躍還是比較平穩(wěn)的。在最小步進實驗中，系統(tǒng)各種控制器參數(shù)比較穩(wěn)定，說明使用雙向補償結(jié)合PID的控制算法，改善了定位控制輸出特性，對定位系統(tǒng)的控制魯棒性較好。

選用的精密陶瓷電動機的負載能力有限，在微細電火花加工系統(tǒng)中，選用的平臺基座和電火花加工頭比較小，并且輕。圖4、圖5、圖6是平臺在空載和具有負載時的不同平臺運動特性比較。

圖6為軸加載2.5 kg時，速度為20 mm/s時的曲線。從圖中可以看出，負載對平臺的穩(wěn)定有比較大的影響，在負載變化的時候最好能夠調(diào)整PID參數(shù)，這樣能夠減小負載對平臺平穩(wěn)性的影響。

實驗表明(曲線1為空載，曲線2為負載)，平臺具有極好的平穩(wěn)運動特性，沒有出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，且具有超精密、超低速、高速和一定的負載能力。圖7、圖8可以看出平臺在空載和負載時，在前進、后退、轉(zhuǎn)向時都有一定的影響。在前行以及后退時兩曲線呈平行狀態(tài)。由于負載慣性及摩擦等因素的原因，前行時空載響應時間比負載時短。轉(zhuǎn)向、負載時花費的時間要比空載時長。在后退時，負載狀態(tài)下比空載狀態(tài)下更早回到原始位置，因為在空載狀態(tài)下前行時位移更大。

在小位移控制中，由于執(zhí)行機構(gòu)的非線性難于分析，死區(qū)寬度不被預知，所以必須采用合理的控制算法補償死區(qū)。在實驗中發(fā)現(xiàn)，靜摩擦力是死區(qū)范圍大小的主要因素。平臺載荷變化和接觸面磨損引起摩擦系數(shù)變化等均會影響電動機的死區(qū)范圍。從電動機的驅(qū)動特性曲線中可知，在死區(qū)和飽和區(qū)中間范圍，電動機輸入與輸出有良好的線性關(guān)系。為了進一步提高平臺的定位精度，采用雙向的靜差補償方法。通過判斷電動機的運動方向，設定不同的靜差補償值，使電動機在啟動和換向時，直接越過死區(qū)，保證電動機工作時處于線性區(qū)域。加入靜差補償后，提高了平臺閉環(huán)系統(tǒng)的運動精度，充分體現(xiàn)了超聲波電動機驅(qū)動的響應時間快、平穩(wěn)、超低速和超高分辨率的優(yōu)點。

3 結(jié)語

設計了一種可用于多種微加工方法、低速、多自由度及具有納米精度的三維運動平臺設計方案。其行程在三個方向上都在百毫米以上，三個方向上均采用精密陶瓷電動機，承擔載荷大，結(jié)構(gòu)簡單。實驗表明，平臺在空載和負載情況下，在前進、后退、轉(zhuǎn)向時對平臺性能均有一定的影響。在負載變化的時候應調(diào)整PID參數(shù)，減小負載對平臺平穩(wěn)性的影響。通過實驗顯示，平臺具有平穩(wěn)運動特性。運動平臺可以進行100 nm的步進運動，并且運動平穩(wěn)，可滿足極微細電火花加工中掃描運動中的步進要求。在水平面內(nèi)一個方向上可實現(xiàn)步進，另一個方向可以運動。同時在平臺以0.5 μm/s的速度運動時，平臺沒有出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，運動平穩(wěn)，可以滿足加工過程中對超低速運動掃描的要求。此外在運動平臺以20 mm/s的高速度運動時，平臺也有很好的運動平穩(wěn)性和速度均勻性。并且提出采用雙向的靜差補償方法和提高定位精度的方法。實驗證明，平臺具有超精密、超低速、高速和一定的負載能力特性，具有精密的定位精度，滿足微細電火花加工平臺的基本要求，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的極微細電火花加工。

1 賈寶賢，趙萬生，王振龍等.微細電火花機床及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2006(3)

2 Sun Lining，Sun Shaoyun，Qu Dongsheng，et al.Study on the Large Travel Range and High Precision Macro/Micro Dual drive Manipulator.High Technology Communication，2004(4)

3 王振龍，孟慶鑫，趙萬生等.分層去除微細電火花銑削技術(shù)的實驗研究.電加工與模具，2002(4)

4 楊國哲，韓博，林海波.超聲波電機在三維微細電火花加工中的應用.機械設計與制造，2009(8)

5 Liu Xiangyang，Yu Dingwen，Cai xuejing，et al.Study on high Precision and Super-slow Speed Feeding Table for Micro-EDM Machining.Proceeding of the First International Conference on Precision Engineering and Micro/Nano Technology in Asia，Shenzhen 2005.

6 Li Y，Guo M，Zhou Z Y，et al.Micro Electro Discharge Machine with an Inchworm Type of Micro Feed Mechanism［J］.Journal of the International Societies for Precision Engineeringand Nanotechnology，2002(26)

7 Naotake M，Hiromichi M，Nagao S.Development of an Electrical Discharge Drilling Device by Using a New Method for Direct Drive of Electrode［J］.Journal of the Japan Society of Precision Engineering，1992，58(12)