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. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033;2. 中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所， 江蘇 蘇州 215163)

0 引 言

納米級微定位技術在當今尖端工業生產和科學研究領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，可單獨工作或者配合其他設備和儀器完成系統級的高精度任務[1-2]。

壓電陶瓷具有體積小、分辨率高、頻響快以及沒有發熱問題等優點，被廣泛應用于各種精密定位場合[3]。目前，在微機電系統、微電子、精密光學和生物醫學等領域所采用的納米級微定位技術，普遍采用基于壓電陶瓷和柔性鉸鏈直接驅動的方案，并由電容式或電阻應變片式位移傳感器實現反饋[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在具體的生產應用中，尤其是在超精密加工制造領域的應用中受到嚴重研制。

本裝置采用工控機作為上位控制平臺，由壓電陶瓷致動器結合柔性鉸鏈驅動基于雙閉式氣浮導軌的承載臺[8-9]，承載臺的位移由雙頻激光干涉儀實時檢測并反饋給工控機形成閉環控制[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系統定位精度大大提高。

1 機械結構

大載荷納米微動臺機械結構如圖1所示。微動驅動機構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軌和承載工作臺組成。柔性鉸鏈框又包含內框與外框，詳細結構如圖2所示，內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，當內外框之間的壓電陶瓷產生位移時，氣浮承載臺也就與固定基座發生同步運動。氣浮承載臺的位移情況由雙頻激光干涉儀實時監測，并且設計了光路密封機構來對激光干涉儀光路進行密封。

圖1 納米微動臺系統結構圖

圖2 微動驅動機構結構圖

2 閉環控制系統

該大載荷納米微動臺采取了基于雙頻激光干涉儀的閉環控制方案，具體的控制原理如圖3所示。由上位工控機設定目標位移值，發出相應指令到壓電陶瓷驅動控制系統，由該驅動控制系統解釋指令后形成高壓信號驅動壓電陶瓷致動器，壓電陶瓷致動器內部還集成了SGS位移傳感器，并利用壓電陶瓷伺服控制器內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行前饋與半閉環反饋控制。然后利用激光干涉儀監測微動臺的位移，上位工控機根據所采集到的位移數據進行全閉環反饋控制，微量調節壓電陶瓷的輸出位移，實現納米微動臺的超精密定位。

圖3 閉環控制系統工作原理

2.1 控制系統硬件設計

工控機采用的是研華IPC610H型，壓電陶瓷驅動控制系統選用的是德國PI公司的產品，包括接口顯示器E-517.i3，具有3通道的24位A/D、D/A和數字顯示功能，能夠通過RS232或者是USB接口與上位機通信，接受上位機的命令并自動解釋和執行；電源放大驅動器E-508.00是一種高精度電壓放大器，增益100±1，標準輸出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，能夠實現基于壓電陶瓷內部SGS式位移傳感器的閉環反饋控制，其內部還集成了一些PI公司自主研發的壓電陶瓷非線性消除算法，控制精度也可達0.1%。壓電陶瓷致動器選用的是P-225.1S型，閉環行程15 μm，開環分辨率0.15 nm，推力達12.5 kN。上述模塊化的組成單元全都可配置在控制系統機箱E-500.00中。

激光干涉儀是用來做大閉環控制的高精度位移傳感器，是整個系統精度實現的必要條件。激光干涉儀是一種以波長作為標準對被測長度進行度量的儀器，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公認的長度測量技術標準，具有米級量程、亞納米級分辨率及納米級精度的特點。在該納米微動臺的后續研究中，考慮采用粗-精兩級定位的方式來擴大行程，擴展該納米微動臺的應用范圍和領域，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，波長穩定性±0.002×10-6(1 h)，測量板卡采用PCI接口，具有20 MHz數據更新率，1 024倍數字細分功能，測量分辨率達0.15 nm。除了干涉儀自身的誤差之外，還有環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境條件。

2.2 控制系統軟件設計

利用壓電陶瓷控制系統和雙頻激光干涉儀的DLL，在VS2010軟件平臺上開發了上位監控界面，該界面分為壓電陶瓷監控區、激光干涉儀顯示區和微動臺閉環監控區，具體如圖4所示。壓電陶瓷監控區具有壓電陶瓷單體半閉環運動的操控功能，并顯示壓電陶瓷單體的絕對伸長量信息。激光干涉儀顯示區對微動臺的絕對位置進行跟蹤。微動臺閉環監控區設計了兩種運動模式，即相對位移運動和絕對位移運動。

圖4 上位監控界面

后臺的定位控制算法采用串級控制，副回路采用前饋、反饋相結合的控制算法。前饋補償用來校正壓電陶瓷執行器的遲滯非線性，并結合反饋控制來提高壓電陶瓷單體對目標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部；主回路利用激光干涉儀對微動臺的實時位移進行反饋，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 實驗結果與分析

實驗室采用房中房結構，外層房設有溫度、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10 t的花崗巖隔振平臺上，為該隔振平臺設計了獨立混凝土地基，并在光路密封管路上纏繞隔熱膜，降低環境因素對材料穩定性和測量準確度的影響。

使該納米微動臺工作在相對位移運動模式，以當前位置為起點，往同一方向連續相對運動5個步距，每個步距為160 nm，通過干涉儀全程監測進給運動過程，實驗曲線如圖6所示。在進給定位過程中存在超調，對穩態階段數據進行分析如表1所示。

圖5 系統閉環控制算法原理圖

圖6 連續相對步進運動曲線圖

從定位穩態數據來看，該納米微動臺在載荷100 kg情況下，定位精度在2 nm以內。但是對于納米級定位系統來說，短期定位噪聲與長期的溫度漂移通常是決定系統定位精度的制約因素，在我們目前實驗條件下，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也不相同，要求長期定位在某一固定位置時，系統定位精度也會下降。

4 結 語

本文建立了一個比較完整的大載荷納米級閉環定位微動臺系統，以壓電陶瓷結合柔性鉸鏈作為驅動部件，采用閉式氣浮導軌技術，利用雙頻激光干涉儀作為反饋測量手段，采用傳統的PID控制算法，并給出了連續多步步進160 nm的實驗曲線。該納米微動臺在100 kg載荷情況下，定位精度達2 nm，行程可達10 μm，而且該微動臺若與其他進給方式相結合，進給行程可擴大，若系統工作環境條件能得到改善，其定位精度就可得到進一步提高。

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的，以前人們認為都是不可能的事情，科學家們都研究出來了，還有什么做不出來的呢？”

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