基于混合闭环控制器的三维超微定位平台的研究

    随着科学技术的发展,超微定位技术己成为精密工程领域的关键技术之一,并广泛应用在微型机械制造、超精密加工、显微镜技术、生物工程、生命与医疗科学、集成电路制造、微型零件的操作和装配等领域中^[1]。目前要达到纳米尺度的重复定位精度,一般都采用无摩擦、无间隙的柔性工作台和压电陶瓷驱动装置,并结合传感器闭环或其他控制方式来实现。压电陶瓷微位移器具有位移分辨率高,频响带宽大,响应速度快,没有磨损及不需润滑等优点,是一种理想的纳米微位移元件。但由于压电陶瓷微位移器本身所固有的迟滞、非线性、蠕变特性,使得微位移机构定位的重复性和精度降低,瞬态响应速度变慢,给超微定位造成一定的困难。在实际应用中,纳米尺度精度的获得往往取决于几个关键技术的解决,如机械结构设计的合理性、柔性铰链的加工对称性、压电陶瓷迟滞非线性模型的建立以及微定位平台的定位速度、定位精度的研究。本文对由WTYD1008045型压电陶瓷微位移器组成的柔性定位平台动态性能和稳态精度进行了研究。

    1　三维超微定位平台

    为了实现纳米级的定位精度,必须采用合适的导向机构。机械导向机构要求具有更高的运动分辨率和定位精度的要求。基于柔性铰链的机构具有无机械摩擦、无反向间隙、超高分辨率、易于加工等特点,它与压电陶瓷器件相结合将能实现纳米级定位。为此,给出一种以双柔性平行4杆结构和柔性8杆对称联动结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位机构^[2]。

    1.1　柔性铰链导向机构

    柔性铰链是一种圆弧切口结构,利用其受力弯曲产生的有限角位移,可达到精密定位的目的。

    为满足超微定位的要求,在定位机构中采用具有良好导向性能的双柔性平行4杆结构,见图1(a)。双柔性平行4杆结构呈对称性,不仅能有效地消除单平行4杆机构中存在的交叉耦合位移,而且能在一定程度上减低外界干扰。柔性8杆对称联动结构的基本结构见图1(b)。该结构的对称性使输出杆不会产生沿运动方向的垂直方向上的耦合运动,从而也具有良好的导向能力。另外,该结构的间接驱动方式能有效地避免工作台面变形的产生。

    1.2　三维超微定位工作台

    图2为工作台的基本结构,它是在整块金属材料上通过线切割机切割制成。x、y向均采用双柔性平行4杆结构为导向机构,z向采用柔性8杆对称联动结构为导向机构。在加工过程中注意以中心为基点向四周对称切割,保证严格的中心对称,以减小加工误差对导向定位精度的影响。