行走驱动式超高精度位置控制器的研究

　　1引言

　　超高精度位置拉制器广泛应用于半导体生产、测量及精密杉撇设备中。许多设备都采用压电致动器(PZTs)，因为它具有高分辨率、刚度好、响应快等特性。然而压电致动器的行程极短，为此，这种致动器往往与其它行程长的致动器结合使用。结果造成该简单机构难以实现长行程的超高精度位置控制。大家熟知的“天镬”(i，:ehwornl)位置控制器是一种高分辨率、长行程的简单机构.但是它的运动是断续的，这是由于“天蝮”方法仅用一对进给致动器，夹持和进给运动不能同时进行，而是顺序的，即当一个夹持致动器夹紧导轨时，进给致动器必须停止执行，然后夹持致动器放松导轨。这样顺序地工作。另一种仅用一个致动器采用快速变形方法实现高分辨率、长行程的机构，但是它的运动也是间断的。上述方案中的运动均为不连续的。这是许多应用，诸如精密机械工具和测量仪器中进给工作存在的主要问题。

　　本文介绍一种新型装置，它是利用压电致动器的变形，实现长行程、高稳定度，超高精度工作台进给运动，并且运动连续平滑。本文作者把这种装置使用的驱动方法命名为“行走驱动法”。它是由压电致动器重复完成一系列夹持和进给运动来驱动工作台，类似于动物的行走动作，由于工作台直接由夹持部件的夹持面支撑，故不用传统方式导向。同时本文还介绍一种实时控制进给速度的简单方法。

　　一种进给系统是基于进给机构和速度控制方法研究出来的，采用这种进给系统，激光干涉仪以及简单反馈控制器完成了超高精度位置控制实验研究。

　　2进给机理和进给机构

　　2.1进给机理

　　行走驱动法是和用PZTs的微变形来实现推动平台移动一个长行程的方法。它的工作原理和人或动物，如狗、蜘蛛和蝎晰的行走动作相似。即它们的脚的行程是有限的，但是它们　　身体可以无限长地且平沿地运动。

     　图1所示为进给机构的原理图。压电致动器的A，C和E夹持位于中间的活动部件.而B，D和F持动该活动部件移动。推动夹持致动器A和进给致动器B对应于动物的一条腿，其　　他一些致动器对应于另外一些腿，用三条具有相位差的腿重复交替地执行夹紧和进给动作.使该运动部件平滑地移动。

　　当以相同频率重复施加电压时，则该活动部件以均匀速度向左运动。在任一时刻，该机构中至少同时有两对夹持致动器夹紧并导向移动件。因此这种机构不需用任何传统导向装置。

　　2.2进给装置

　　采用上述进给机理，研制出一种精密进给装置。这种装置由一个移动件和三对固定件构成，每对固定件有一个进给致动器和一个夹持致动器。致动器是层状压电致动器并由一个用压紧螺栓对它们预加压力(如图2所示)。每对进给和夹持致动器利用夹持块在一短行程内的位移产生进给和夹持运动，这个夹持块是靠8个并行梁支撑的.该夹持块有V型夹持面可以　　水平导向移动件，夹持而一与移动件之间问隙可以先返过改变加在致动器的预压力粗略调整，然后再用精确调节致动器上的输入偏置电压进行精调。夹持部件在进给和夹持方向上的行程约2.9拜m/85V，移动件行程为105尸m。这种装置有很高的刚性，在进给方向上刚性尤其高，当移动件用三对夹持部件夹紧时，测量的静态刚度可达400N扭m.当用两对夹持部件夹紧时，可达35oN/“m。移动件山夹持面导向.并用压电致动器和并行梁的弹性变形驱动。因此进给运动没有摩擦阻力.这对精确位置控制、平滑且缓慢运动等方面是个非常显著的优点