具有纳米分辨力二维超精密定位系统的研制

    随着纳米技术的发展,超精密定位系统在精密机械、微电子、生物工程和光机电一体化等领域得到广泛应用.现有定位技术中,传统机械传动式微位移驱动器,存在机械间隙、摩擦力及爬行现象,定位精度只能达到微米量级^[1];滑动导轨或滚动导轨构成的精密定位机构,同样因为存在着一定的间隙和机械摩擦,定位精度很难达到纳米量级^[2];气浮导轨虽能达到纳米级定位精度,但成本高、体积大,使用场合受到很大限制^[3].而柔性铰链因其具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高及加工简单等优点,其与结构紧凑、位移分辨力高的压电陶瓷相结合是目前实现超精密定位的首选方案^{[4, 5]}.

    针对上述超精密定位方案存在的不足,研制了平行四连杆结构双柔性无间隙传动二维工作台,采用自行研制的双极性可伸缩压电陶瓷微位移驱动系统和纳米精度电容位移监测传感器,构成具有纳米分辨力且无初始预紧位移的二维超精密定位系统.同时提出一种参数自适应PID控制算法来实现定位系统的闭环控制,有效地改善了传统PID控制算法存在的频响低、定位精度差等问题,使得系统的定位分辨力达到纳米量级.

    1　二维超精密定位系统构成

    研制的二维超精密定位系统由二维柔性工作台、压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源、电容位移传感器和微控制器等5部分组成.当位移量给定后,微控制器根据电压~位移当量计算控制量并输出到D/A接口电路产生相应控制电压;驱动电源在控制电压的作用下输出压电陶瓷的驱动电压,压电陶瓷在驱动电压的激励下输出位移,由于工作台的蠕动、压电陶瓷电压输入和位移输出的非线性,工作台在压电陶瓷推动下的实际位移与给定值之间存在较大偏差,无法实现超精密定位.为提高系统定位精度,需采用闭环控制的方法.首先通过安装在工作台运动部分和框架上电容位移传感器的两个测头得到反映运动部分位移量的信号;电容传感器信号处理电路将该信号转换为电压信号输入A/D采集卡,微处理器根据模数转换结果通过运算求得新的输出控制量.在定位过程中,由于工作台、压电陶瓷驱动器固有的迟滞、非线性等特点,无法实现一次精确定位,上述过程被反复运行直至偏差量小于系统设定值,图1为二维微动工作台的单轴闭环控制系统示意图.

    2　二维柔性工作台的研制

    柔性工作台的基本构成单元是柔性铰链,为一种圆弧型切口结构.通常是在一块刚性较好的金属材料上用线切割方法加工出孔和缝隙,使圆弧切口形成弹性支点,并通过它把绕轴作复杂运动的有限角位移转换成柔性支承系统的直线运动,如图2所示.在力矩M_z或力F_y的作用下,铰链绕z轴的柔性变形角α_z为