二維微動精密工作臺

黃瑜瑜

四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065

二維微動精密工作臺

黃瑜瑜

四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065

二維微動精密工作臺是一種高精度的測量系統(tǒng)，用于掃描測量被測件表面的微觀形貌，在掃描測量工作中要求達到微米級的運動精度，為此建立了X-Z方向的精密運動平臺，在二維測量方向上分別達到相應(yīng)的測量精度要求，并對靜壓氣浮導(dǎo)軌、精密滾動絲桿、滾動摩擦導(dǎo)軌控制等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。靜壓氣浮導(dǎo)軌采用了有限元法的設(shè)計，使其具有較高的承載能力和剛度。該裝置采用模糊PID控制技術(shù)，改善了非線性因素的影響，從而獲得較高的穩(wěn)態(tài)位置精度。

.二維微動精密工作臺；靜壓氣浮導(dǎo)軌；模糊PID控制技術(shù)

0 引言

精密測量是現(xiàn)代高新科學(xué)領(lǐng)域最為關(guān)鍵和共性的基礎(chǔ)技術(shù)之一，在尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中占有極其重要的地位，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的發(fā)展，對精密微動平臺的運動精度要求也越來越高。對于高精度微小尺寸的二維測量，可以通過X、Z兩個方向運動的合成，實現(xiàn)對其平面微觀形貌的測量。本設(shè)計采用閉式矩形靜壓氣浮導(dǎo)軌，具有摩擦小、壽命長、速度高、精密度高、無污染等優(yōu)點。采用有限元設(shè)計方法設(shè)計氣浮導(dǎo)軌，使運動平臺具有較高的承載能力和剛度；對傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)進行改進，采用模糊PID控制技術(shù)，使運動平臺具有較高的定位精度。Z向由于運動部件的重力與運動方向相同，會影響氣浮導(dǎo)軌的驅(qū)動性能，所以采用加配重方法平衡氣浮導(dǎo)軌產(chǎn)生的重力。

1 總體方案設(shè)計

1.1 測量原理

X-Z二維精密微動工作臺主要是把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，以傳遞運動為主，要求結(jié)構(gòu)緊湊，有較高的傳動精度。因為切削力不大，同時出于對傳動剛度的考慮，所以確定對X方向采用步進電機裝置配合精密滾動絲桿和滾動摩擦導(dǎo)軌設(shè)計，使得X方向具有定位精度較高等特點； Z方向使用 “無摩擦運動”的氣浮導(dǎo)軌外加光柵尺、配重實現(xiàn)位移，可實現(xiàn)微小位移的運動，且具有定位精度高、摩擦小和運動平穩(wěn)等優(yōu)點。X-Z二維精密工作臺是高精度運動平臺的發(fā)展方向，它們的移動相互獨立，互不影響。

1.2 測量方法的設(shè)計

圖1

圖2

圖1、圖2為二維精密微動工作臺的機械結(jié)構(gòu)。測量開始時，被測工件置于工作臺上并將其固定。步進電機通過聯(lián)軸器帶動精密滾動絲桿轉(zhuǎn)動，滾動摩擦導(dǎo)軌與精密滾動絲桿相連接，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，與滾動摩擦導(dǎo)軌固連的工作臺隨之做直線運動，實現(xiàn)了X方向的移動。Z軸方向由于自身的重力與運動方向相同，故通過加配重來減輕自身的重量。由于氣浮導(dǎo)軌開始運動后，是由氣浮導(dǎo)軌中間隙間的氣膜產(chǎn)生運動，其摩擦力很小，對氣浮導(dǎo)軌的上下運動幾乎沒有影響。測頭在物體表面上探測其形貌而上下移動，從而帶動氣浮導(dǎo)軌運動，其上的光柵傳感器連接數(shù)顯表，由數(shù)顯表將其運動數(shù)值反映給操作者。

重物配重雖然運動平穩(wěn)，但是會增加摩擦力，易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。因此，選用氣動配重，可以驅(qū)使電機負載為零，提高運動的定位精度和速度的平穩(wěn)性，從而提高了平臺的運動精度。

2 平臺氣浮導(dǎo)軌設(shè)計

2.1 靜壓氣浮導(dǎo)軌

氣浮導(dǎo)軌也稱為空氣靜壓導(dǎo)軌，是由導(dǎo)軌和滑塊組成的滑動副，導(dǎo)軌間有一層很薄的氣膜作為工作介質(zhì)，利用外部的壓縮氣體充分干燥并過濾后通過一些開在導(dǎo)軌表面上的節(jié)流器導(dǎo)入空氣使導(dǎo)軌和滑塊間充滿壓縮空氣，并借助形成的壓力氣膜來支承負載并實現(xiàn)平穩(wěn)工作，氣浮導(dǎo)軌具有運動精度高、摩擦阻力小、磨損率近乎為零、噪聲低、振動小、運動平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象、高剛度等優(yōu)點，可以使定位工作臺及滑板獲得較高的運動精度。而且氣體導(dǎo)軌的使用壽命長，維護也比較容易。因此，在精密測量儀器中的應(yīng)用越來越廣泛。

2.2 氣浮導(dǎo)軌的有限元設(shè)計

有限元設(shè)計法是首先將其劃分為有規(guī)律的若干矩形網(wǎng)格，利用雷諾方程來求解。假設(shè)間隙氣體的流動是等溫的，則可用雷諾化簡方程表示：

由于周圍都是空氣環(huán)境，所以其邊界條件是：

其中，Pa為環(huán)境的氣體壓力。在（2）的條件下求解（1）式，便可求出氣體的壓力場分布。再根據(jù)下圖3所示步驟便可求出氣浮導(dǎo)軌的輸入輸出氣體量。左圖3中P0為節(jié)流孔出口壓力；Ps為供氣壓力；W為承載能力；m為氣膜厚度；Win為流入的氣體量；Wout為流出的氣體量；ε為精度閾值。

3 控制方式

微動小量程工作臺，定位精度要求很高，需要很強的抗干擾能力，傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)很難達到滿意的效果，由于存在旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的轉(zhuǎn)換，會引入非線性誤差，為了更好的消除非線性誤差，可以采用模糊PID控制。它具有很強的魯棒性，可以消除非線性誤差。

如圖4所示是一個基于離散論域的模糊PID。

圖4 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中 ，k1、k2、k3、k4、k5為尺度變換的比例因子；m1、m2和m3為查表所得的值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分作用系數(shù)；Kd為微分作用系數(shù)。

建立控制規(guī)則：定義系統(tǒng)偏差絕對值|e(x)|、偏差變化率絕對值 |△ e(k)|。

1）當(dāng)|e(x)|較大時，即為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，并且去掉積分作用；

2）當(dāng)|e(x)|和|△e(k)|為中等大小時，應(yīng)取較小的Ki值，Kp和Kd值大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；

3）當(dāng)|e(x)|較小時，應(yīng)增大Kp和Ki值，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，同時應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x取Kd值，其原則是：當(dāng)|△e(k)|較小時，Kd值可取大些，通常取為中等大小；當(dāng)|△e(k)|較大時，Kd應(yīng)取小些。

4 結(jié)論

1）新型X-Z二維精密微動工作臺采用氣動配重，運動精度增加；2）氣浮導(dǎo)軌采用有限元設(shè)計法，不必考慮擴散效應(yīng)，承載能力可根據(jù)大氣壓的增大而增大，而且簡便、可靠、易行；3）與傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)相比，采用模糊PID控制技術(shù)提高了測量精度；4）設(shè)計的X-Z二維精密微動工作臺具有微米級的定位精度，適合于作為高精度的小尺寸測量儀的運動平臺。

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.1674-6708（2011）52-0078-02