基于雙頻激光干涉儀大載荷納米微動臺的研制

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)

0 引 言

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。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

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

2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

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

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

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。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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。

4 結(jié) 語

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。

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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。