音圈电动机驱动的快速精密定位系统设计与控制方法研究

　　0　引言

　　在诸多精微操作领域,包括快速车削加工(FastToolServo,FTS)、微小机械零件装配、精密测试、微机电系统(MEMS)组装、光学调整等方面,大行程、快速精密定位系统具有广泛的应用前景,成为这些领域的技术支持。由于加工、装配精度要求的提高,需要定位系统能够在几十毫米行程范围内具有微米级乃至亚微米级的运动精度;为了提高工作效率,还要求定位系统加速度大、响应迅速,以便能够实现快速定位[1,2]。在传统驱动方式的定位系统中多采用串联型结构的工作台(电动机2丝杠2螺母),这种通过丝杠转换得到的直线运动,不足之处是速度与加速度有限(最高速度为1m/s,最大加速度为1g),而且具有运动惯量大、设备加工时间长等缺点。

　　为满足大行程、高精度、高加速度和结构简单等要求,本文首先以SMAC公司生产的LAL2300型直线式音圈电动机作为驱动装置,对快速定位系统进行结构设计;然后基于PID控制器的工作特点,并结合误差预测补偿方法,进行快速定位系统的控制器设计;最后通过实验对定位系统的综合性能进行测试和分析。

　　1　快速定位系统的结构设计

　　快速定位系统的结构设计包括:整体结构设计,气浮单元结构设计与工作特性分析,仿球形联轴器设计与工作特性分析。

　　1.1　整体结构设计

　　根据快速定位系统对运动精度、刚度和响应频率的要求,经过综合性能分析比较之后,最终选用图1所示的系统结构,它具有模块性好、加工成本低等优点。

　　快速定位系统采用LAL2300型直线式音圈电动机作为驱动装置,通过音圈电动机和联轴器直接进行线性驱动,而无中间转换环节,没有机械磨损,结构简单,稳定性好,工作噪声低,频响高;选用空气静压导轨作为导向装置,具有无摩擦、响应速度快等优点,同时空气膜的误差均化效应也有效改善了运动精度[3]。

　　1.2　气浮单元结构设计与工作特性分析

　　气浮单元一般采用滑套形式,如图2a所示:导轨固定在底座上,滑套包围在导轨周围,在驱动力作用下进行运动,这种形式应用广泛,技术也很成熟。但气浮滑套的质量较大,在快速精密定位系统中为保证承载力和刚度,滑套质量要求达到1.8kg,用于高加速度的精密定位运动显然是不合适的。

　　为此,本文设计了图2b所示结构的气浮滑块,静压空气通过复合节流方式(小孔节流+表面节流)作用到节流面上,滑块在导轨条中运动。节流小孔直径为0.2mm,节流槽宽度为2mm,节流槽深度为20μm;气浮滑块的质量为0.8kg。在音圈电动机输出力相同的情况下,气浮滑块的质量越小,快速定位系统的加速度提高得越快。