一種新的大行程垂直納米運動工作臺設(shè)計與控制研究

張 帆, 黃強(qiáng)先, 程榮俊, 張連生,李紅莉, 李瑞君

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 測量理論與精密儀器安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009)

1 引 言

近年來,國內(nèi)外對精密工作臺的研究大多數(shù)集中在水平方向上,即使存在三維運動平臺,其垂直方向的運動研究也較少[1～6]。而隨著白光干涉掃描、激光定位校準(zhǔn)等技術(shù)的不斷發(fā)展,在微電子制造領(lǐng)域越來越需要工作臺以垂直運動的形式進(jìn)行穩(wěn)定運動,同時也對工作臺的Z向運動行程及垂直方向上的驅(qū)動與控制提出要求[7～14]。

Takahashi M等開發(fā)了一種音圈直線電機(jī)驅(qū)動的非接觸式真空缸平衡機(jī)制運動工作臺,真空缸重力補(bǔ)償器在非接觸條件下提供有效的支撐功能,可以10 mm/s的速度實現(xiàn)50 mm大范圍的垂直運動[15]。然而該運動工作臺低速運行較困難且只能Z向獨立運動,應(yīng)用范圍較窄。另音圈電機(jī)存在推力密度低、線圈易磨損等缺點。Zhu等提出了一種由壓電致動器驅(qū)動的垂直(Z軸)納米定位工作臺,能夠在214 μm的垂直范圍內(nèi)移動,分辨力可達(dá)8 nm[16]。Lyu Z等介紹了一種具有毫米行程和緊湊外形的柔性垂直微定位工作臺(VMS)的設(shè)計和開發(fā),可實現(xiàn)100 mm×100 mm×5.58 mm的工作行程,分辨力為0.71 μm[17]。

上述可實現(xiàn)Z向運動行程較小,針對大行程及帶負(fù)載的豎直運動工作臺,東華大學(xué)董婉嬌等設(shè)計垂直方向30 mm的納米級精度的豎直液體靜壓滑臺,通過高壓氣體配重氣缸來抵消滑臺以及負(fù)載重力[18]。但進(jìn)給量載荷及溫度的變化會造成運動工作臺穩(wěn)定性較差,另液壓系統(tǒng)難免會出現(xiàn)漏油而影響工作環(huán)境的情況。合肥工業(yè)大學(xué)的范光照等提出了一種高精度三維運動工作臺,其最大位移范圍為 20 mm×20 mm×10 mm,采用超聲波直線電機(jī)驅(qū)動運動工作臺[19]。但超聲波直線電機(jī)在交流控制模式中,致動循環(huán)中的致動力不是連續(xù)的。當(dāng)驅(qū)動部件與滑塊分離時,滑塊僅通過慣性運行。由于在整個操作過程中致動力是不連續(xù)的,因此滑塊控制的操作變得非常困難,尤其是在垂直控制中。

如何實現(xiàn)重力載荷最小化是大行程垂直運動控制中最重要的問題之一,應(yīng)盡量減輕電機(jī)負(fù)載。同時對Z向電機(jī)的良好控制也是實現(xiàn)垂直方向大行程穩(wěn)定運動的前提。所研制的大行程三維運動工作臺采用空氣靜態(tài)導(dǎo)軌懸浮,X、Y向由滾珠絲杠副與交流伺服電機(jī)聯(lián)結(jié)驅(qū)動;Z向所設(shè)計的平衡系統(tǒng)既可降低電機(jī)的驅(qū)動負(fù)載,又能消除X運動臺結(jié)構(gòu)不對稱引起的扭轉(zhuǎn)力矩以保證三維氣浮臺穩(wěn)定運行。Z軸采用N331壓電直線電機(jī)獨立驅(qū)動,利用納米步進(jìn)模式與模擬模式的復(fù)合控制可實現(xiàn)大行程垂直方向上高精度快速精密驅(qū)動。

2 大行程垂直運動工作臺結(jié)構(gòu)

精密三維氣浮運動工作臺設(shè)計方案采用分體式設(shè)計,三維行程可達(dá)100 mm×100 mm×100 mm。圖1 為大行程三維氣浮工作臺示意圖,其中包括大行程三維氣浮臺、三維正交靶鏡、三軸激光干涉儀等模塊。X向與Y向驅(qū)動系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)組合精密滾珠絲杠傳動,Z向采用PI公司的N331壓電直線電機(jī)驅(qū)動。運動位移由放置于X、Y、Z三個方向上的高精度激光干涉測量系統(tǒng)實時檢測。

圖1 大行程三維氣浮臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of a large stroke three-dimensional air-floating motion stage

垂直運動工作臺(如圖2)設(shè)計一條中空的花崗巖滑塊,豎直安裝在X向橫梁結(jié)構(gòu)一側(cè),可以提供Z向的支撐和導(dǎo)向功能。Z向氣浮滑塊利用安裝在主軸底部的高精度壓電電機(jī)直接驅(qū)動。該壓電電機(jī)開環(huán)驅(qū)動分辨力高達(dá)0.02 nm,且能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向最大105 mm的直線往復(fù)運動。并設(shè)計雙向柔性鉸鏈以減小因零件加工精度和安裝問題產(chǎn)生的電機(jī)推桿橫向負(fù)載。導(dǎo)軌上下兩端同時安裝限位機(jī)構(gòu)和光電開關(guān)。

圖2 Z向運動臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Z-direction motion stage structure

為了消除圖2所示不對稱結(jié)構(gòu)引起的X向橫梁承受的扭轉(zhuǎn)力矩以及減小Z向電機(jī)的驅(qū)動負(fù)載,設(shè)計了如圖3所示的Z向配重平衡系統(tǒng),保證大行程三維氣浮運動工作臺在垂直方向穩(wěn)定運行。

圖3 Z向重錘配重平衡系統(tǒng)Fig.3 Z-balance weight system

如圖3所示,兩組配重塊對稱放置在X向橫梁兩側(cè),配重塊上留有孔位可以追加配重以適應(yīng)Z向工作臺不同負(fù)載樣品。兩側(cè)裝有特氟龍材料制成的導(dǎo)向支架,以限制Z臺運動時配重塊各個方向上的擺動。特氟龍材料具有極低的摩擦系數(shù),大大降低了運行過程中的摩擦。鋼絲繩一端連接在Z向主軸底部的彎鉤上,一端穿過滑輪與配重鉛塊相連。整個配重系統(tǒng)可以均勻產(chǎn)生與Z向運動臺運動部件重量相同的豎直方向的平衡力,以避免Z臺重量大于壓電電機(jī)推力而導(dǎo)致電機(jī)無法驅(qū)動運動臺的現(xiàn)象,同時也能平衡X向橫梁承受的扭轉(zhuǎn)力矩,保證運動臺的運動平穩(wěn)。

3 Z軸大行程驅(qū)動系統(tǒng)及控制策略

3.1 全步進(jìn)模式

Z向運動需滿足工作行程100 mm。電機(jī)驅(qū)動運動臺豎直向上運動,即對Z向電機(jī)承受的負(fù)載能力和是否自鎖具有一定的要求。Z向驅(qū)動電機(jī)采用PI公司的N331壓電步進(jìn)電機(jī),該電機(jī)有達(dá)到105 mm的行程,負(fù)載力可達(dá)50 N,有具有全步進(jìn)、納米步進(jìn)、模擬三種運動模式。具體技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 N331電機(jī)參數(shù)Tab.1 N331 Specifications

實際應(yīng)用過程中,運動行程大時采用步進(jìn)模式;而實現(xiàn)納米級精密驅(qū)動需工作在模擬模式下。圖4為壓電電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 N331壓電直線電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of the N331 piezoelectric linear motor

如圖4所示,壓電驅(qū)動模塊的壓電驅(qū)動器被成對控制,d11,d12,d21,d22為施加到壓電驅(qū)動器上的電壓信號。剪切方向的運動用于推動陶瓷桿,夾緊方向提供較大的保持力。將用于剪切方向的兩個電壓信號記為D1,D2;用于夾緊的兩個電壓信號記為C1,C2。在全步進(jìn)運動模式中,壓電直線電機(jī)剪切和夾緊電壓隨時間的變化情況如圖5所示。

圖5 全步進(jìn)控制模式剪切和夾緊電壓隨時間的變化情況Fig.5 The change of the shear and clamping voltage over time in the full-step control mode

圖5中,第一組壓電陶瓷(Pair1)伸長用于夾緊陶瓷推桿,即電壓C1一直增大至最大電壓Umax,電壓C2不斷減小致壓電陶瓷往后收縮。此時無剪切運動,陶瓷推桿不發(fā)生位移,此過程對應(yīng)圖6中Part1。接著電壓D1不斷增大執(zhí)行剪切運動推動陶瓷桿,電壓D2減小往反方向彎曲,為下一次的交替運動做好準(zhǔn)備,此過程對應(yīng)圖6中Part2。由圖5可看出,第一組壓電陶瓷運動完畢后,電壓C1不斷減小至Umin,C2增大至Umax,即在圖6中Part2的基礎(chǔ)上,第一組壓電陶瓷縮回,第二組伸長用于夾緊,而剪切電壓D1,D2未發(fā)生變化,即此過程對應(yīng)圖6中的Part3,未發(fā)生位移變化。最后電壓D2不斷增大,即執(zhí)行正向剪切運動,此時推動陶瓷桿向前運動。電壓D1不斷減小,為下一個循環(huán)交替運動做準(zhǔn)備?？砂l(fā)現(xiàn)全步進(jìn)控制模式下,運動不是均勻的,在夾緊階段位移會產(chǎn)生中斷。綜上,通過Pair1和Pair2壓電體的有序運動,陶瓷桿被向前或向后驅(qū)動。此外,此種控制模式下,壓電體分為兩組,與陶瓷棒交替接觸以提供最大的保持力。全步進(jìn)運動的示意圖如圖6所示。

圖6 全步進(jìn)控制模式示意圖Fig.6 Schematic of the full-step control mode

3.2 納米步進(jìn)模式

在上述壓電電機(jī)的全步進(jìn)控制模式中,用于剪切運動與用于夾緊的電壓并不是同時變化,即存在一個交替過程。而在納米步進(jìn)過程中,用于剪切和夾緊部件的電壓同時變化。納米步進(jìn)循環(huán)的某些階段,兩個壓電致動器對都與陶瓷桿接觸,所有剪切部件沿相同方向移動。在這種控制模式下會存在重疊運動,陶瓷推桿穩(wěn)定運動,此處示意圖不再贅述。

這種控制模式位移連續(xù),無中斷現(xiàn)象,勻速穩(wěn)定運行,而且振動較全步進(jìn)控制模式較小。一般來說,全步進(jìn)模式與納米步進(jìn)模式在本系統(tǒng)中均為大行程步進(jìn)運動,考慮到納米步進(jìn)模式勻速穩(wěn)定運動,而且Z向運動臺設(shè)計配重平衡系統(tǒng),減小了Z向電機(jī)的驅(qū)動負(fù)載,豎直方向無須特別大的保持力,即本系統(tǒng)大行程運動采用納米步進(jìn)模式。

3.3 模擬運動模式

模擬模式下的運動僅通過剪切驅(qū)動部件來實現(xiàn)。壓電驅(qū)動模塊的所有壓電執(zhí)行器均與陶瓷推桿接觸。行程范圍受剪切位移的限制,本系統(tǒng)中采用的壓電直線電機(jī)模擬模式行程為20 μm。

模擬運動模式下,陶瓷棒實現(xiàn)微行程驅(qū)動。由于N331壓電電機(jī)具有良好的驅(qū)動優(yōu)勢,在本控制系統(tǒng)中,Z向運動臺實現(xiàn)100 mm大行程的同時又需要高精度運動,為構(gòu)建用于大行程單驅(qū)動系統(tǒng)的首選。

3.4 Z向運動臺復(fù)合控制策略

控制策略與電機(jī)特性有很大關(guān)系,驅(qū)動系統(tǒng)的控制算法需要根據(jù)實際情況和系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)計。因此,Z向運動臺控制算法的合理設(shè)計應(yīng)結(jié)合N331電機(jī)特性,簡化控制策略,易于實現(xiàn),而電機(jī)運動也不應(yīng)對電機(jī)本身造成損害。

在該系統(tǒng)Z向大行程運動中,傳統(tǒng)的PID控制對N331電機(jī)的影響較大。因為PID控制實質(zhì)為使用實際值與期望值之間的誤差、誤差的積分、誤差的微分三者的組合來控制系統(tǒng)的輸出量。這會造成N331電機(jī)頻繁制動和快速啟動,陶瓷棒極容易會被刮傷。在實際控制過程中,N331壓電電機(jī)豎直方向有3種控制模式。2種是在大行程中可快速驅(qū)動陶瓷桿的步進(jìn)模式,此處選擇更適合穩(wěn)定驅(qū)動且位移連續(xù)的步進(jìn)控制模式;另1種是模擬模式,此種控制模式陶瓷桿運動速度緩慢,可實現(xiàn)準(zhǔn)確驅(qū)動。

所研制的垂直納米運動工作臺可結(jié)合接觸式測頭實現(xiàn)測量應(yīng)用。如在實際測量過程中,被測物體的實際位置是未知的,因此需要一個位置反饋系統(tǒng)來感知測頭是否接觸到被測物體。測頭系統(tǒng)可提供觸發(fā)信息的反饋,但其觸發(fā)不能以過快速度撞擊。為了精確采集測頭信號,需要采用雙觸發(fā)策略,即采用步進(jìn)模式與模擬模式相結(jié)合的復(fù)合控制方式。圖7為Z向大行程運動控制流程框圖。

圖7 Z向大行程運動控制流程框圖Fig.7 Z-direction large stroke motion control flowchart

圖7所示,由于被測物體的實際位置未知,在第一次觸發(fā)時,N331電機(jī)在開環(huán)中以納米步進(jìn)模式運動,并且N331壓電電機(jī)的速度較快且保持恒定。一旦測頭的觸發(fā)信號第一次出現(xiàn),電機(jī)立即后退一定距離。此時切換電機(jī)控制模式進(jìn)入模擬控制模式,然后N331緩慢移動。當(dāng)測頭信號達(dá)到設(shè)定閾值時,電機(jī)將保持在該點,上位機(jī)記錄此時位移值。

4 垂直運動工作臺實驗測試及分析

4.1 實驗設(shè)備與環(huán)境

圖8為大行程三維氣浮宏動臺實物圖,其中包括Y向雙導(dǎo)軌運動臺、X向運動臺、具有平衡系統(tǒng)的Z向運動臺結(jié)構(gòu)、三軸激光干涉儀、三維正交靶鏡。三軸測量系統(tǒng)采用激光干涉儀作為位移傳感器,其利用激光具有高時間相干性的特點,以激光波長為測量基準(zhǔn)的精密測量儀器,具有非接觸、高精度、溯源性好等優(yōu)點,線性分辨力可達(dá)0.3 nm。采用獨立計量框架,其中包括底部的大理石臺面和上邊的殷鋼框架。整個實驗裝置處于特定恒溫恒濕實驗室,溫度控制(20.0±0.5)℃,相對濕度(50±5)%RH。

圖8 大行程三維氣浮臺實物圖Fig.8 Physical diagram of a large stroke three-dimensional air-floating motion stage

4.2 實驗測試

工作臺在納米步進(jìn)模式下,運動曲線非常直,最大工作行程可達(dá)100 mm。不同于全步進(jìn)工作模式,在運動過程中會出現(xiàn)停滯。納米步進(jìn)模式運動的優(yōu)點是平穩(wěn)快速驅(qū)動,提高了在實際應(yīng)用中的工作效率。圖9中,電機(jī)瞬時速度未存在較大波動。即在納米步進(jìn)模式下,N331電機(jī)的速度是連續(xù)且恒定的,在運動過程中不會發(fā)生速度的突變。這個過程是連續(xù)、穩(wěn)定且高效的,這也是在兩種步進(jìn)模式中選擇納米步進(jìn)控制模式的原因。

圖9 納米步進(jìn)運動瞬時速度Fig.9 Velocity of the nanostepping control mode

在模擬模式下,電機(jī)的所有壓電體都作用在陶瓷推桿上。在壓電驅(qū)動模塊作用下,電機(jī)可以實現(xiàn)超精確的運動,但運動距離較短。模擬模式下電機(jī)的最大運動距離為20 μm,電機(jī)可重復(fù)模擬運動不斷往前逐步逼近。對比可知,在模擬模式下,電機(jī)的運動速度比納米步進(jìn)模式更慢,但更穩(wěn)定,速度的波動要小得多。因此,對于納米精密控制的運動,電機(jī)必須工作在模擬模式下。該驅(qū)動控制系統(tǒng)可在模擬模式下實現(xiàn)納米定位精度。但激光反饋干涉儀的零漂移是不可避免的。因此,盡管激光數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定,但本質(zhì)上,電機(jī)不斷調(diào)整其位置,以消除激光干涉儀的波動。因此,垂直工作臺的穩(wěn)定性是反映其性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)。

圖10為工作臺在全行程11個位置處不同點的定位波動,每個位置間隔10 mm,全行程100 mm,重復(fù)實驗10次。由圖10可知模擬模式下垂直工作臺的定位波動在±9 nm內(nèi)。

圖10 固定點的定位波動Fig.10 The positioning fluctuation of fix points

如在實際應(yīng)用過程中,通常需要切換控制模式。在運動開始時,距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn),采用快速運動的納米步進(jìn)控制模式。納米步進(jìn)快速驅(qū)動一次觸發(fā)后,控制模式自動轉(zhuǎn)換為模擬模式進(jìn)行精密驅(qū)動。實際的模式轉(zhuǎn)換過程如圖11所示。

圖11 納米步進(jìn)模式與模擬模式復(fù)合控制過程Fig.11 The compound control process of nanostepping mode and analog mode

由圖11可知實際轉(zhuǎn)換過程可明顯看出電機(jī)位移變化。在納米步進(jìn)控制模式轉(zhuǎn)換為模擬控制模式的過程中,它需要后退一定距離才能進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。這種后退是非常積極的,例如實際應(yīng)用中為模式轉(zhuǎn)換保留空間,防止轉(zhuǎn)換中的隨機(jī)波動,保護(hù)測頭系統(tǒng)以避免被測物體的撞擊。為了實現(xiàn)大行程的快速驅(qū)動及高精度觸發(fā),需要兩種模式的組合。

5 小 結(jié)

本文重點介紹了三維工作臺中垂直運動工作臺的設(shè)計與控制。Z向所設(shè)計的平衡系統(tǒng)既降低電機(jī)的驅(qū)動負(fù)載,又能消除X運動臺結(jié)構(gòu)不對稱引起的扭轉(zhuǎn)力矩以保證垂直方向大行程穩(wěn)定運行。利用N331壓電直線電機(jī)獨立驅(qū)動,采用步進(jìn)方式實現(xiàn)大行程驅(qū)動,模擬方式實現(xiàn)微位移驅(qū)動。所提出的驅(qū)動與控制策略,可以實現(xiàn)長距離高精度快速精密驅(qū)動。該三維氣浮運動中垂直運動工作臺可達(dá) 100 mm,可實現(xiàn)納米步進(jìn)模式與模擬模式的復(fù)合控制。在全行程100 mm的范圍內(nèi)定位波動可以限制在±9 nm內(nèi)。該系統(tǒng)具有大量程,系統(tǒng)架構(gòu)簡單、高穩(wěn)定性等優(yōu)點,對于當(dāng)前微納機(jī)械加工、微電子制造等均有較大的實用價值。下一步工作是繼續(xù)優(yōu)化控制算法,組合接觸式測頭完成高精度觸發(fā)測量。