利用补偿提高精密定位平台的定位精度

　　1　引　言

　　无论是在生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工,还是采用扫描电子显微镜进行纳米操作,均离不开精密定位技术,精密定位技术已成为精密工程领域的关键技术之一[1-2]。精密定位平台集机械结构、驱动装置、控制系统于一体,是实现精密定位技术的具体手段[3]。随着科学技术的发展,精密工程的前沿领域对于精密定位平台的要求越来越趋于高精度、大行程、高速度。

　　随着定位精度的提高,定位平台的机械结构和控制系统的研制成本和难度迅速上升。提高精度可以通过提高各部件及整体的精度来实现,也可以通过补偿误差来实现。误差补偿法是人为地制造出一种新的误差去抵消或补偿当前的原始误差,以提高定位精度。该方法可利用较小的成本获得较高的精度,成为现代精密工程的重要技术支柱之一[4]。

　　本研究采用宏、微两级定位的控制方法来解决高精度与大行程的矛盾,利用相对较低定位精度的宏定位系统来实现大行程定位,其定位误差由高定位精度的微定位系统来补偿,以使系统得到较高的定位性能和较快响应速度,并大大缩减了系统的结构。

　　宏动工作台和微动工作台本身都采用了位置反馈控制,但相对于精密定位要求来说,其精度是不够的。进一步提高精度的方法有2种,一是选用更高精度的器件和检测系统,但成本将因此大大上升;二是采用误差补偿,尽可能减少系统误差的影响。本文采用了第2种方法。

　　2　补偿原理

　　定位工作台的误差主要由系统误差和随机误差构成。宏动工作台的系统误差主要由滚珠丝杠副的周期误差、导轨轴线与丝杠轴线的安装偏差、位置反馈光栅的周期误差等构成,微动工作台的系统误差主要包括PZT位移机构的非线性误差和电感传感器的系统误差等,整个精密定位工作台的系统误差还包括控制系统中的系统误差。定位工作台的随机误差构成较为复杂,包括机械装置加工、装配产生的随机误差,如滚珠丝杠副以及导轨的随机误差,PZT机构安装产生的随机误差,位置测量装置如光栅和电感传感器的随机误差以及控制系统产生的随机误差等,整个系统的随机误差是诸多随机误差综合产生的效果。误差补偿的基本思路是测出工作台的误差曲线,分离出其中的系统误差部分进行定值补偿[7]。反相补偿法可以有效补偿工作台的系统误差。

　　如图1(a)所示,令所测得的误差曲线为:

　　y=f(x) , (1)

　　其中,x为工作台位移值,y为测得的误差值。令Δx为位移步长,Δy为一个步长过程产生的误差量,则可得:

　　Δyi=f(xi+Δx)-f(xi) . (2)