一種新的大行程垂直納米運動工作臺設計與控制研究

張 帆, 黃強先, 程榮俊, 張連生,李紅莉, 李瑞君

(合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院 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,國內外對精密工作臺的研究大多數集中在水平方向上,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、激光定位校準等技術的不斷發展,在微電子制造領域越來越需要工作臺以垂直運動的形式進行穩定運動,同時也對工作臺的Z向運動行程及垂直方向上的驅動與控制提出要求[7～14]。

Takahashi M等開發了一種音圈直線電機驅動的非接觸式真空缸平衡機制運動工作臺,真空缸重力補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,應用范圍較窄。另音圈電機存在推力密度低、線圈易磨損等缺點。Zhu等提出了一種由壓電致動器驅動的垂直(Z軸)納米定位工作臺,能夠在214 μm的垂直范圍內移動,分辨力可達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)的設計和開發,可實現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Z向運動行程較小,針對大行程及帶負載的豎直運動工作臺,東華大學董婉嬌等設計垂直方向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載重力[18]。但進給量載荷及溫度的變化會造成運動工作臺穩定性較差,另液壓系統難免會出現漏油而影響工作環境的情況。合肥工業大學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驅動運動工作臺[19]。但超聲波直線電機在交流控制模式中,致動循環中的致動力不是連續的。當驅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,應盡量減輕電機負載。同時對Z向電機的良好控制也是實現垂直方向大行程穩定運動的前提。所研制的大行程三維運動工作臺采用空氣靜態導軌懸浮,X、Y向由滾珠絲杠副與交流伺服電機聯結驅動;Z向所設計的平衡系統既可降低電機的驅動負載,又能消除X運動臺結構不對稱引起的扭轉力矩以保證三維氣浮臺穩定運行。Z軸采用N331壓電直線電機獨立驅動,利用納米步進模式與模擬模式的復合控制可實現大行程垂直方向上高精度快速精密驅動。

2 大行程垂直運動工作臺結構

精密三維氣浮運動工作臺設計方案采用分體式設計,三維行程可達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向驅動系統由交流伺服電機組合精密滾珠絲杠傳動,Z向采用PI公司的N331壓電直線電機驅動。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)設計一條中空的花崗巖滑塊,豎直安裝在X向橫梁結構一側,可以提供Z向的支撐和導向功能。Z向氣浮滑塊利用安裝在主軸底部的高精度壓電電機直接驅動。該壓電電機開環驅動分辨力高達0.02 nm,且能夠實現豎直方向最大105 mm的直線往復運動。并設計雙向柔性鉸鏈以減小因零件加工精度和安裝問題產生的電機推桿橫向負載。導軌上下兩端同時安裝限位機構和光電開關。

圖2 Z向運動臺結構Fig.2 Z-direction motion stage structure

為了消除圖2所示不對稱結構引起的X向橫梁承受的扭轉力矩以及減小Z向電機的驅動負載,設計了如圖3所示的Z向配重平衡系統,保證大行程三維氣浮運動工作臺在垂直方向穩定運行。

圖3 Z向重錘配重平衡系統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,配重塊上留有孔位可以追加配重以適應Z向工作臺不同負載樣品。兩側裝有特氟龍材料制成的導向支架,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,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。整個配重系統可以均勻產生與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推力而導致電機無法驅動運動臺的現象,同時也能平衡X向橫梁承受的扭轉力矩,保證運動臺的運動平穩。

3 Z軸大行程驅動系統及控制策略

3.1 全步進模式

Z向運動需滿足工作行程100 mm。電機驅動運動臺豎直向上運動,即對Z向電機承受的負載能力和是否自鎖具有一定的要求。Z向驅動電機采用PI公司的N331壓電步進電機,該電機有達到105 mm的行程,負載力可達50 N,有具有全步進、納米步進、模擬三種運動模式。具體技術規格見表1。

表1 N331電機參數Tab.1 N331 Specifications

實際應用過程中,運動行程大時采用步進模式;而實現納米級精密驅動需工作在模擬模式下。圖4為壓電電機的內部結構。

圖4 N331壓電直線電機內部結構Fig.4 Internal structure of the N331 piezoelectric linear motor

如圖4所示,壓電驅動模塊的壓電驅動器被成對控制,d11,d12,d21,d22為施加到壓電驅動器上的電壓信號。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。在全步進運動模式中,壓電直線電機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,陶瓷推桿不發生位移,此過程對應圖6中Part1。接著電壓D1不斷增大執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備,此過程對應圖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未發生變化,即此過程對應圖6中的Part3,未發生位移變化。最后電壓D2不斷增大,即執行正向剪切運動,此時推動陶瓷桿向前運動。電壓D1不斷減小,為下一個循環交替運動做準備?？砂l現全步進控制模式下,運動不是均勻的,在夾緊階段位移會產生中斷。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。全步進運動的示意圖如圖6所示。

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

3.2 納米步進模式

在上述壓電電機的全步進控制模式中,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。而在納米步進過程中,用于剪切和夾緊部件的電壓同時變化。納米步進循環的某些階段,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,陶瓷推桿穩定運動,此處示意圖不再贅述。

這種控制模式位移連續,無中斷現象,勻速穩定運行,而且振動較全步進控制模式較小。一般來說,全步進模式與納米步進模式在本系統中均為大行程步進運動,考慮到納米步進模式勻速穩定運動,而且Z向運動臺設計配重平衡系統,減小了Z向電機的驅動負載,豎直方向無須特別大的保持力,即本系統大行程運動采用納米步進模式。

3.3 模擬運動模式

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

模擬運動模式下,陶瓷棒實現微行程驅動。由于N331壓電電機具有良好的驅動優勢,在本控制系統中,Z向運動臺實現100 mm大行程的同時又需要高精度運動,為構建用于大行程單驅動系統的首選。

3.4 Z向運動臺復合控制策略

控制策略與電機特性有很大關系,驅動系統的控制算法需要根據實際情況和系統要求進行設計。因此,Z向運動臺控制算法的合理設計應結合N331電機特性,簡化控制策略,易于實現,而電機運動也不應對電機本身造成損害。

在該系統Z向大行程運動中,傳統的PID控制對N331電機的影響較大。因為PID控制實質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的輸出量。這會造成N331電機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壓電電機豎直方向有3種控制模式。2種是在大行程中可快速驅動陶瓷桿的步進模式,此處選擇更適合穩定驅動且位移連續的步進控制模式;另1種是模擬模式,此種控制模式陶瓷桿運動速度緩慢,可實現準確驅動。

所研制的垂直納米運動工作臺可結合接觸式測頭實現測量應用。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來感知測頭是否接觸到被測物體。測頭系統可提供觸發信息的反饋,但其觸發不能以過快速度撞擊。為了精確采集測頭信號,需要采用雙觸發策略,即采用步進模式與模擬模式相結合的復合控制方式。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,在第一次觸發時,N331電機在開環中以納米步進模式運動,并且N331壓電電機的速度較快且保持恒定。一旦測頭的觸發信號第一次出現,電機立即后退一定距離。此時切換電機控制模式進入模擬控制模式,然后N331緩慢移動。當測頭信號達到設定閾值時,電機將保持在該點,上位機記錄此時位移值。

4 垂直運動工作臺實驗測試及分析

4.1 實驗設備與環境

圖8為大行程三維氣浮宏動臺實物圖,其中包括Y向雙導軌運動臺、X向運動臺、具有平衡系統的Z向運動臺結構、三軸激光干涉儀、三維正交靶鏡。三軸測量系統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的精密測量儀器,具有非接觸、高精度、溯源性好等優點,線性分辨力可達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

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

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

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

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。

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

如在實際應用過程中,通常需要切換控制模式。在運動開始時,距離目標位置較遠,采用快速運動的納米步進控制模式。納米步進快速驅動一次觸發后,控制模式自動轉換為模擬模式進行精密驅動。實際的模式轉換過程如圖11所示。

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

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

5 小 結

本文重點介紹了三維工作臺中垂直運動工作臺的設計與控制。Z向所設計的平衡系統既降低電機的驅動負載,又能消除X運動臺結構不對稱引起的扭轉力矩以保證垂直方向大行程穩定運行。利用N331壓電直線電機獨立驅動,采用步進方式實現大行程驅動,模擬方式實現微位移驅動。所提出的驅動與控制策略,可以實現長距離高精度快速精密驅動。該三維氣浮運動中垂直運動工作臺可達 100 mm,可實現納米步進模式與模擬模式的復合控制。在全行程100 mm的范圍內定位波動可以限制在±9 nm內。該系統具有大量程,系統架構簡單、高穩定性等優點,對于當前微納機械加工、微電子制造等均有較大的實用價值。下一步工作是繼續優化控制算法,組合接觸式測頭完成高精度觸發測量。