負載對超精密平臺性能影響的研究*

林海波 楊國哲

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

高精度和高分辨率的精密微位移系統，在近代尖端工業生產和科學研究領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模集成電路生產水平的關鍵環節。同時，它的各項技術指標是各國高技術發展水平的重要標志［1］。微型機械、微型機器人領域是未來技術發展的一個非常重要的方向，在航空航天、國防、醫療以及廣泛的民用工業領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越性。

平臺包括加工單元子系統、運動子系統、運動測量反饋子系統、控制子系統、監視子系統、加工區狀態監測子系統、減震子系統、工件臺及供液子系統、環境保障子系統。

1 整體設計

整個系統如圖1所示。基座全部由花崗巖組成，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生的優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軸配重結構。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、測量精度和系統穩定，整個平臺工作在高等級的潔凈間內，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，所以轉速-驅動頻率之間也沒有確定的理論公式，尚無成熟的通用數學模型建立。數字PID控制器在優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調運動的系統測試，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100 nm的階躍還是比較平穩的。在最小步進實驗中，系統各種控制器參數比較穩定，說明使用雙向補償結合PID的控制算法，改善了定位控制輸出特性，對定位系統的控制魯棒性較好。

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，負載對平臺的穩定有比較大的影響，在負載變化的時候最好能夠調整PID參數，這樣能夠減小負載對平臺平穩性的影響。

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運動特性，沒有出現爬行現象，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。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。轉向、負載時花費的時間要比空載時長。在后退時，負載狀態下比空載狀態下更早回到原始位置，因為在空載狀態下前行時位移更大。

在小位移控制中，由于執行機構的非線性難于分析，死區寬度不被預知，所以必須采用合理的控制算法補償死區。在實驗中發現，靜摩擦力是死區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變化等均會影響電動機的死區范圍。從電動機的驅動特性曲線中可知，在死區和飽和區中間范圍，電動機輸入與輸出有良好的線性關系。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，保證電動機工作時處于線性區域。加入靜差補償后，提高了平臺閉環系統的運動精度，充分體現了超聲波電動機驅動的響應時間快、平穩、超低速和超高分辨率的優點。

3 結語

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，結構簡單。實驗表明，平臺在空載和負載情況下，在前進、后退、轉向時對平臺性能均有一定的影響。在負載變化的時候應調整PID參數，減小負載對平臺平穩性的影響。通過實驗顯示，平臺具有平穩運動特性。運動平臺可以進行100 nm的步進運動，并且運動平穩，可滿足極微細電火花加工中掃描運動中的步進要求。在水平面內一個方向上可實現步進，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，平臺沒有出現爬行現象，運動平穩，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，能夠實現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鍵技術研究［J］.哈爾濱工業大學學報，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)