闭环控制的6自由度微动工作台的设计

    微动工作台是产生微小线位移和角位移的精密运动部件,在微电子工业、超精密加工、生物工程等许多领域的应用越来越广,尤其是多自由度微动台的应用更受重视.对微动工作台的主要要求是高的位移精度、灵敏度和分辨率,对多自由度微动工作台,还要求各运动方向间不产生相互耦合.国内外有关报道中,微动台的驱动常采用压电陶瓷,而微位移机构则多采用柔性铰链机构,但柔性铰链制造安装复杂,要求较高,且在多自由度工作台的应用又受到一定的限制.本文介绍以平行板簧导轨为基础的6自由度微动工作台,具有较高的运动精度,结构简单,各方向的运动不耦合.

    1　闭环控制6自由度微动工作台的结构和工作原理

    微动工作台的基体是由一整块钢板经线切割加工而成的框式结构,内外框之间及微动台与内框之间均以两组板簧导轨联接,如图1所示.微动工作台由上下两层组成,上层是微动工作台的框体,所有的弹性板簧导轨都布置在这一层,它是一个外框套内框的框式结构件,各框之间直接采用板簧式弹性导轨联接,无螺钉等中间联接件,使得系统具有较高的刚度、抗干扰能力和动态响应速度,无原理误差.在X与Y方向各对称地布置一对压电陶瓷微位移器2和13,使微动工作台8在X与Y方向产生平动,并可绕Z轴转动.4个Z向微位移器3用螺钉1与底座5及外框10联接.

    当X向的两个微位移器2产生等值同向位移时,微动台8只在X向产生平动.同样,当Y向的两个微位移器13产生等值同向位移时,微动台8只在Y向产生平动.

    为保证微动台准确地绕过微动台中心O点的Z轴作转动,X向的两个微位移器一端固定在内框上,另一端固定在微动台的Y轴上,从而使X向微位移器的动力作用在Y轴上,并对称于X轴,这样,当X向的两个微位移器产生等值反向的位移时,微动台即绕过O点的Z轴转动.

    当Z向的4个微位移器产生的等值同向位移时,微动台8只在Z方向产生平动;而对边的两对Z向微位移器产生等值反向的位移时,微动工作台绕通过其中心O的X轴或Y轴作转动.

    位移传感器7、6、4可分别测出微动台在X、Y、Z3个方向的线位移,经计算可以得出微动台绕X、Y、Z轴转动的角位移.

    微动台绕X、Y、Z轴的转角θ_X=2Δ_zx/c,θ_y=2Δz_y/b,θ_z=2Δx/a.Δx为X方向的两个微位移器的位移差,Δ_zx、Δ_zy分别为绕X、Y轴转动的两对Z向微位移器的位移差.

    将传感器测得的位移量与工作台所要求的位移量进行比较,并将比较结果输入控制电路,使相应的微位移器产生附加位移,以使工作台产生预期的位移.

    闭环系统的框图如图2所示.现以微动工作台沿X方向的位移为例说明.当微动台沿X方向作平动时,X方向的两个位移传感器7的读数应相等,且都应等于指令位移,若不等于指令位移,则经比较器后,由控制系统向相应的微位移器发出补充位移信号,使两个微位移器产生完全相等的指令位移,从而避免了微动台在X方向移动时产生绕Z轴的附加转动.同样,当微动台沿Y方向作平动时,Y方向的两个位移传感器6的读数也应相等,并等于指令位移.