宏/微结合双驱动进给控制系统的建模与仿真研究

　　引言

　　随着科学技术的不断发展,在超精密加工、生物工程、微电子工程、纳米科学与技术等各个领域,对驱动进给技术提出越来越高的要求[1-3]:实现在大行程范围内的精确位移。宏/微结合双驱动技术是目前实现大行程、高精度运动控制的一种有效策略。该技术基于双驱动的思想,其基本原理是用高精度的位移传感器测出宏进给的误差,由控制系统控制微动部分产生补偿运动,从而减小系统的进给误差,提高系统的进给精度。

　　美国、日本等发达国家在20世纪80年代就开始了这方面的研究工作。日本日立制作所研制的X-Y

　　θ三自由度微动工作台,用于投影光刻机和电子束曝光机[4]。二维宏动工作台行程为250×250mm,位移分辨率为0.5μm,三自由度的微动工作台被固定在宏动工作台上,X、Y方向行程为20μm,位移分辨率为10nm,角度行程为1.4mrad,分辨率为1μrad。世界公认水平最高的大型超精密车床———美国的LODTM也采用了宏/微结合双驱动进给系统。

　　我国在这方面起步较晚,与国外差距较大。西安交通大学的刘红忠根据步进印压工艺中对大行程和纳米级定位精度的要求[5,6],研制了双伺服超精密定位系统。系统总体结构采用宏、微两级驱动,微驱动平台采用压电陶瓷驱动柔性铰链传动实现无运动摩擦和无间隙运动,宏动平台采用直线电机驱动。在驱动控制中分宏控制和微控制,两者的切换阈值为1μm。实现了在行程200mm范围内,8nm定位精度的点位控制。哈尔滨工业大学机器人研究所孙立宁,孙绍云[7,8]等研制了单自由度大行程、高精度宏/微结合定位系统。宏动由直线电机来实现大行程的运动,微动由压电陶瓷来实现高分辨率的运动,采用精密的光栅尺作为全闭环位移的检测,设定阈值为10μm。最后实现了100mm范围内、10nm定位精度的点位控制。但他们研制系统的缺点是只能实现点位控制,都要设置阈值进行宏微之间的切换。要将宏/微结合双驱动进给系统应用于超精密加工等领域只实现点位控制是不能满足要求的,必须实现连续跟踪控制。

　　本文设计了宏/微结合双驱动进给系统,由交流伺服电机驱动滚珠丝杠构成宏动机构,由压电陶瓷驱动柔性铰链工作台构成微动机构。采用了双伺服环控制策略,由宏动机构跟踪输入信号构成内伺服环;微动机构将宏动机构的跟踪误差作为输入信号,实时进行补偿,构成外伺服环,实现了连续跟踪控制。利用Matlab仿真软件对控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明方案切实可行且效果良好。

　　1　宏/微结合双驱动进给系统

　　宏/微结合双驱动进给系统的结构示意图如图1所示。平台与导轨均采用了具有低热膨胀系数和高尺寸稳定性的花岗石岩以提高系统的热稳定性。采用了被动式空气弹簧作为隔振元件的减隔振系统。采用了空气静压导轨可降低传动过程中摩擦力。按功能划分,系统的基本结构主要包括以下几个部分:1)宏动机构,图中伺服电机带动滚珠丝杠驱动宏动工作台实现宏进给驱动。所采用的电机是FANUC公司生产的交流伺服电机,该电机集成了高分辨率光电码盘(1000000脉冲/转),所采用的滚珠丝杠为C0级,螺距为5mm,累积螺距误差为4μm/300mm。2)微动机构,位于宏动工作台之上,采用PI公司的压电陶瓷驱动,柔性铰链传动构成微动工作台。3)测量系统,采用RENISHAW公司的精密光栅尺测量宏动机构的位移,光栅尺的检测分辨率为5nm;采用电容测微仪测量微动机构相对于宏进给机构的位移,检测分辨率为0.1nm。光栅尺对环境适应能力强,测量精度也较高,故采用光栅尺作为宏动机构的位移反馈,这样光栅尺反馈的位移加上电容测微仪反馈的位移即为系统的位移。