陳 琦, 鐘 君
(1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033;2. 中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州 215163)
納米級微定位技術(shù)在當(dāng)今尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域占有極其重要的地位,高分辨率、高可靠性且納米級高精度的微動平臺,可單獨(dú)工作或者配合其他設(shè)備和儀器完成系統(tǒng)級的高精度任務(wù)[1-2]。
壓電陶瓷具有體積小、分辨率高、頻響快以及沒有發(fā)熱問題等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種精密定位場合[3]。目前,在微機(jī)電系統(tǒng)、微電子、精密光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域所采用的納米級微定位技術(shù),普遍采用基于壓電陶瓷和柔性鉸鏈直接驅(qū)動的方案,并由電容式或電阻應(yīng)變片式位移傳感器實(shí)現(xiàn)反饋[4-7]。該種方案雖然定位精度較高且定位噪聲小,但是也存在行程小、載荷能力差等問題,這些問題使得納米級定位技術(shù)在具體的生產(chǎn)應(yīng)用中,尤其是在超精密加工制造領(lǐng)域的應(yīng)用中受到嚴(yán)重研制。
本裝置采用工控機(jī)作為上位控制平臺,由壓電陶瓷致動器結(jié)合柔性鉸鏈驅(qū)動基于雙閉式氣浮導(dǎo)軌的承載臺[8-9],承載臺的位移由雙頻激光干涉儀實(shí)時檢測并反饋給工控機(jī)形成閉環(huán)控制[10-11]。在保證了承載能力和承載剛度情況下,使得在大行程范圍內(nèi)系統(tǒng)定位精度大大提高。
大載荷納米微動臺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。微動驅(qū)動機(jī)構(gòu)具體由壓電陶瓷致動器和柔性鉸鏈框組成;氣浮承載臺由兩根閉式氣浮導(dǎo)軌和承載工作臺組成。柔性鉸鏈框又包含內(nèi)框與外框,詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示,內(nèi)框采用鋼球接觸方式與固定在基座上的GCr15SiMn伸長桿連接,外框與承載工作臺固接,當(dāng)內(nèi)外框之間的壓電陶瓷產(chǎn)生位移時,氣浮承載臺也就與固定基座發(fā)生同步運(yùn)動。氣浮承載臺的位移情況由雙頻激光干涉儀實(shí)時監(jiān)測,并且設(shè)計了光路密封機(jī)構(gòu)來對激光干涉儀光路進(jìn)行密封。
圖1 納米微動臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2 微動驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
該大載荷納米微動臺采取了基于雙頻激光干涉儀的閉環(huán)控制方案,具體的控制原理如圖3所示。由上位工控機(jī)設(shè)定目標(biāo)位移值,發(fā)出相應(yīng)指令到壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng),由該驅(qū)動控制系統(tǒng)解釋指令后形成高壓信號驅(qū)動壓電陶瓷致動器,壓電陶瓷致動器內(nèi)部還集成了SGS位移傳感器,并利用壓電陶瓷伺服控制器內(nèi)部集成的非線性消除算法,在局部對壓電陶瓷單體的位移進(jìn)行前饋與半閉環(huán)反饋控制。然后利用激光干涉儀監(jiān)測微動臺的位移,上位工控機(jī)根據(jù)所采集到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行全閉環(huán)反饋控制,微量調(diào)節(jié)壓電陶瓷的輸出位移,實(shí)現(xiàn)納米微動臺的超精密定位。
圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理
工控機(jī)采用的是研華IPC610H型,壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng)選用的是德國PI公司的產(chǎn)品,包括接口顯示器E-517.i3,具有3通道的24位A/D、D/A和數(shù)字顯示功能,能夠通過RS232或者是USB接口與上位機(jī)通信,接受上位機(jī)的命令并自動解釋和執(zhí)行;電源放大驅(qū)動器E-508.00是一種高精度電壓放大器,增益100±1,標(biāo)準(zhǔn)輸出3~1 100 V高電壓,電壓噪聲均方根值為5 mV,峰峰值為50 mV;E-509.i3是兼有SGS式位移傳感信號處理功能的3通道伺服控制器,能夠?qū)崿F(xiàn)基于壓電陶瓷內(nèi)部SGS式位移傳感器的閉環(huán)反饋控制,其內(nèi)部還集成了一些PI公司自主研發(fā)的壓電陶瓷非線性消除算法,控制精度也可達(dá)0.1%。壓電陶瓷致動器選用的是P-225.1S型,閉環(huán)行程15 μm,開環(huán)分辨率0.15 nm,推力達(dá)12.5 kN。上述模塊化的組成單元全都可配置在控制系統(tǒng)機(jī)箱E-500.00中。
激光干涉儀是用來做大閉環(huán)控制的高精度位移傳感器,是整個系統(tǒng)精度實(shí)現(xiàn)的必要條件。激光干涉儀是一種以波長作為標(biāo)準(zhǔn)對被測長度進(jìn)行度量的儀器,雖然價格較其他測量工具明顯偏高,但其仍是目前全世界范圍內(nèi)公認(rèn)的長度測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有米級量程、亞納米級分辨率及納米級精度的特點(diǎn)。在該納米微動臺的后續(xù)研究中,考慮采用粗-精兩級定位的方式來擴(kuò)大行程,擴(kuò)展該納米微動臺的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域,因此本方案最終選用雙頻激光干涉儀作為測量手段,激光器波長為632.8 nm,波長穩(wěn)定性±0.002×10-6(1 h),測量板卡采用PCI接口,具有20 MHz數(shù)據(jù)更新率,1 024倍數(shù)字細(xì)分功能,測量分辨率達(dá)0.15 nm。除了干涉儀自身的誤差之外,還有環(huán)境誤差和安裝誤差也是最終影響測量精度的重要因素[12-13],需全面考慮激光干涉儀的使用環(huán)境條件。
利用壓電陶瓷控制系統(tǒng)和雙頻激光干涉儀的DLL,在VS2010軟件平臺上開發(fā)了上位監(jiān)控界面,該界面分為壓電陶瓷監(jiān)控區(qū)、激光干涉儀顯示區(qū)和微動臺閉環(huán)監(jiān)控區(qū),具體如圖4所示。壓電陶瓷監(jiān)控區(qū)具有壓電陶瓷單體半閉環(huán)運(yùn)動的操控功能,并顯示壓電陶瓷單體的絕對伸長量信息。激光干涉儀顯示區(qū)對微動臺的絕對位置進(jìn)行跟蹤。微動臺閉環(huán)監(jiān)控區(qū)設(shè)計了兩種運(yùn)動模式,即相對位移運(yùn)動和絕對位移運(yùn)動。
圖4 上位監(jiān)控界面
后臺的定位控制算法采用串級控制,副回路采用前饋、反饋相結(jié)合的控制算法。前饋補(bǔ)償用來校正壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯非線性,并結(jié)合反饋控制來提高壓電陶瓷單體對目標(biāo)位移信號的跟蹤能力。該部分算法集成在壓電陶瓷伺服控制器內(nèi)部;主回路利用激光干涉儀對微動臺的實(shí)時位移進(jìn)行反饋,采用PI控制算法[14-15]來完成納米級或亞納米級微量的調(diào)整,有效保證納米微動臺最終的微位移精度,其算法原理如圖5所示。
實(shí)驗(yàn)室采用房中房結(jié)構(gòu),外層房設(shè)有溫度、濕度控制裝置,溫度控制在(20±0.1)℃,濕度在(40±1)%,并且將壓電陶瓷控制器、工控機(jī)等熱源也都從核心工作間隔離開。整個裝置放置在一個重達(dá)10 t的花崗巖隔振平臺上,為該隔振平臺設(shè)計了獨(dú)立混凝土地基,并在光路密封管路上纏繞隔熱膜,降低環(huán)境因素對材料穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度的影響。
使該納米微動臺工作在相對位移運(yùn)動模式,以當(dāng)前位置為起點(diǎn),往同一方向連續(xù)相對運(yùn)動5個步距,每個步距為160 nm,通過干涉儀全程監(jiān)測進(jìn)給運(yùn)動過程,實(shí)驗(yàn)曲線如圖6所示。在進(jìn)給定位過程中存在超調(diào),對穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表1所示。
圖5 系統(tǒng)閉環(huán)控制算法原理圖
圖6 連續(xù)相對步進(jìn)運(yùn)動曲線圖
從定位穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)來看,該納米微動臺在載荷100 kg情況下,定位精度在2 nm以內(nèi)。但是對于納米級定位系統(tǒng)來說,短期定位噪聲與長期的溫度漂移通常是決定系統(tǒng)定位精度的制約因素,在我們目前實(shí)驗(yàn)條件下,短期定位噪聲階段性波動較大,雖然有溫控,但是精度不高,且存在溫度梯度,各種材料的熱膨脹系數(shù)也不相同,要求長期定位在某一固定位置時,系統(tǒng)定位精度也會下降。
本文建立了一個比較完整的大載荷納米級閉環(huán)定位微動臺系統(tǒng),以壓電陶瓷結(jié)合柔性鉸鏈作為驅(qū)動部件,采用閉式氣浮導(dǎo)軌技術(shù),利用雙頻激光干涉儀作為反饋測量手段,采用傳統(tǒng)的PID控制算法,并給出了連續(xù)多步步進(jìn)160 nm的實(shí)驗(yàn)曲線。該納米微動臺在100 kg載荷情況下,定位精度達(dá)2 nm,行程可達(dá)10 μm,而且該微動臺若與其他進(jìn)給方式相結(jié)合,進(jìn)給行程可擴(kuò)大,若系統(tǒng)工作環(huán)境條件能得到改善,其定位精度就可得到進(jìn)一步提高。
[1] 王碧波, 岳金福, 周澤兵,等.基于二維精密電容微位移傳感器的二維納米定位系統(tǒng)[J].納米技術(shù)與精密工程,2005, 3(2):137-141.
WANG Bi-bo,YUE Jin-fu,ZHOU Ze-bing,etal. Two-Dimensional Nano-Positioning System Combined with Two-Dimensional Capacitive Displacement Sensor[J].Nanotechnology and Precision Engineering, 2005,3(2):137-141.
[2] 王建林,胡小唐.納米定位技術(shù)研究現(xiàn)狀[ J].機(jī)械設(shè)計與研究, 2000,16(1):43-44.
WANG Jian-lin,HU Xiao-tang.The Current Research of Nanopositioning Technology[J].Machine Design & Research,2000,16(1):43-44.
[3] 劉 泊,郭建英,孫永全.壓電陶瓷微位移驅(qū)動器建模與仿真[J].光學(xué)精密工程,2013,21(6):1503-1509.
LIU Bo,GUO Jian-ying,SUN Yong-quan.Modeling and control for PZT micro-displacement Actuator[J].Optics and Precision Engineering,2013,21(6):1503-1509.
[4] 韓同鵬,李國平,沈 杰.基于壓電陶瓷微位移執(zhí)行器的精密定位技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(2):51-53.
HAN Tong-peng,LI Guo-ping,SHEN Jie.Study on accurate positioning technology of piezoelectric ceramics micro-displacement actuator[J].Transducer and Microsystem Technologies,2010,29(2):51-53.
[5] 曲東升,孫立寧,王建國,等.基于壓電驅(qū)動的納米級精密定位系統(tǒng)的研究[J].壓電與聲光,2002, 24(6):506-509.
QU Dong-sheng,SUN Li-ning,WANG Jian-guo,etal.Study on Precision Nano-positioning System Based on Piezo actuator[J].Piezoelectrics & Acoustooptics, 2002,24(6):506-509.
[6] 李 明,薛晨陽,翟成瑞.壓電陶瓷微位移器特性測試實(shí)驗(yàn)研究[J].納米科技,2009, 6(3):61-64.
Li Ming,XUE Chen-yang,ZHAI Cheng-rui.Laboratory Study of Characteristic Testing for Piezoelectric Ceramic Micropositioning[J].Nanoscience & Nanotechnology, 2009,6(3):61-64.
[7] 張洪剛, 吳敬國, 鄭義忠. 電容傳感器及其納米量級定位技術(shù)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2001(10):3-5.
ZHANG Hong-gang,WU Jing-guo,ZHENG Yi-zhong.Nanometer Accurate Position Technology[J]. Instrument Technique and Sensor, 2001(10):3-5.
[8] 齊乃明,陶家生,關(guān)英姿,等.氣浮導(dǎo)軌誤差均化作用的探討[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1997, 29(1):61-63.
QI Nai-ming,TAO Jia-sheng,GUAN Ying-zi,etal.Research on Aerostatic Slideway Error Balance[J].Journal of Harbin Institute of Technology,1997,29(1):61-63.
[9] 王俊峰,鮑 莉.基于靜壓氣浮導(dǎo)軌的測量儀工作臺的研制[J].機(jī)床與液壓,2010,38(18):33-34,52.
WANG Jun-feng,BAO Li.Design of Measure Instrument Workbench Based on Static-Pressure Air-bearing Slider[J].Machine Tool & Hydraulics,2010,38(18):33-34,52.
[10] 所 睿,范志軍,李 巖,等.雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].激光與紅外,2004, 34(4):251-253.
SUO Rui,FAN Zhi-jun,LI Yan,etal.Dual-frequency Laser Interferometer Present State and Development[J].Laser & Infrared,2004,34(4):251-253.
[11] 于海利.基于雙頻激光干涉測量的大行程納米定位技術(shù)及其應(yīng)用研究[D],長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,2011.
[12] 徐 建.雙頻激光干涉儀系統(tǒng)線性測量誤差主要來源及減小誤差的方法分析[J].計量與測試技術(shù),2013, 40(8):39-40.
XU Jian.Method for Analysis Dual Frequency Laser Interference Mainly Instrument Syetem of Linear Measurement Error Sources and Error Reduction[J]. Metrology & Measurement Technique, 2013,40(8):39-40.
[13] 汪 潔.發(fā)揮雙頻激光干涉儀功能開出高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24(10):79-80.
WANG Jie.The High-Quality Experimental Teaching with Dual-frequency Laser Interfrometer[J].Research and Exploration in Laboratory,2005,24(10):79-80.
[14] 巖君芳.具有納米分辨力二維超精密定位平臺的研制[D].杭州:中國計量學(xué)院,2012.
[15] 顧 曄,吳祿慎.基于壓電陶瓷驅(qū)動器的模糊PID控制設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2013(11):260-262.
GU Ye,WU Lu-shen.Fuzzy PID Control based on Piezoelectric Ceramic Actuator Design[J].Equipment Manufacturing Technology,2013(11):260-262.
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的,以前人們認(rèn)為都是不可能的事情,科學(xué)家們都研究出來了,還有什么做不出來的呢?”
顏寧鼓勵兩個年輕人堅持下去,并且一直和他們一起討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果、討論新的實(shí)驗(yàn)方案,經(jīng)過坎坷之后最終取得了滿意的研究結(jié)果。黨尚宇深有體會地說:“如果你沮喪的話,顏老師會給特別多的鼓勵,她對科研很有激情,這種激情會感染我們所有的人?!?/p>
在科研中顏寧是一位循循善誘的良師,在生活上和個人職業(yè)規(guī)劃上,顏寧也是一位對學(xué)生關(guān)心備至的導(dǎo)師:一位非常優(yōu)秀的女生失戀之后一蹶不振,顏寧就特別留意這位女生的狀態(tài),拉她吃飯跟她談心,幫助她盡快走出陰影;一個博士二年級的學(xué)生在男友出國之后幾乎要放棄學(xué)業(yè),顏寧鼓勵她聯(lián)系到了出國合作項(xiàng)目,使得她事業(yè)生活兩不誤;她希望她的學(xué)生們都可以盡量在沒有生活壓力的情況下盡情享受科研。
她說:“我會用行動讓學(xué)生們意識到,他不是所謂‘老板’的勞力,從他進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的那一刻開始,他就已經(jīng)是青年科學(xué)家了。導(dǎo)師的存在是為了在大家的科研之路上輔導(dǎo)大家,是為了讓大家得到更好的科研訓(xùn)練之后獲得更多個人更好發(fā)展的機(jī)會,我們是在成就彼此。