压电型宏微双驱动精密定位系统点位协调控制

　　引言

　　随着国内外对宏微双驱动系统研究的深入,其在超精密加工中运用越来越广泛,因此研究大行程宏微双驱动系统十分重要[1~2]。宏微双驱动微操作系统在很多方面的性能要优于传统的采用单一驱动方式的微操作系统,是实现高精度定位的一种有效手段[3~6]。但微动进给平台最大行程只有几十微米,在实际加工中受限。因此需要在超精密加工中解决大行程且具有宏微可协调进给的系统。把宏驱动和微驱动结合起来,宏动台实现以地面为参考物的大范围移动和定位,微动台附着在这个大行程机构上,以宏动台为参考物实现微小位移,进而补偿大行程造成的位移精度误差[7]。由于宏微双驱动系统被用于不同的目的[8~9],因此采取了不同的控制算法[10]。本文利用高精度伺服电动机驱动的宏动台和由压电驱动器与弹性铰构成的微动台串联建立宏微双驱动精密定位系统;用两个高精密光栅来分别完成宏动台和微动台的位置反馈;位置反馈和宏微双驱动系统构成闭环控制;由运动控制卡来完成宏微协调闭环控制,进而把计算机+运动控制卡结构的控制系统应用于宏微双驱动。

　　1　宏微机构系统建模分析

　　1·1　宏微机构系统总体结构

　　宏微机构系统模型如图1所示。系统的宏动部分由高精度伺服电动机和丝杠机构组成,这种形式的传动结构紧凑,刚度较大。宏动台由图中宏动台导轨导向。微动台安装在宏动台上,由弹性铰链和压电型驱动器构成。压电驱动器输出位移,由微动台导轨进行导向。

　　1·2　微动台机构设计

　　微动台由弹性铰链和压电驱动器构成。具体结构如图2所示。

　　微动台由4个对称布置的弹性铰链连接到宏动台上。每个弹性铰链由2个直圆弹性铰构成。当压电驱动器输出力F作用于微动台,弹性铰会发生变形,进而微动台会向y轴方向移动。因为弹性铰链对称布置,所以在图2中微动台沿y轴方向刚度较弱,而其他几个方向抗外载荷的能力都比较强。

　　1·3　压电微驱动器

　　精密进给系统采用宏微两层工作台、两级进给的方法。宏动台采用伺服电动机加滚珠丝杠的形式,而微动台的进给由微驱动器完成。由于压电陶瓷具有分辨率高、位移响应快、结构紧凑、刚度高等优点,所以把压电型驱动器作为微动台的位移输入。压电陶瓷驱动器是根据逆压电效应制成的,即在经过极化处理的陶瓷体上施加一个与极化方向相同或者相反的电场,而引起陶瓷片伸长或缩短的形变。为了在较低的工作电压下获得较大的位移变形量,通常采用多层的压电陶瓷片堆叠结构,多个压电陶瓷片构成机械上串联、电路上并联的叠型结构。压电陶瓷驱动器具有输出力大、响应速度快、控制精度高等优点,但同时压电材料固有的迟滞、蠕变、非线性等特点又给压电陶瓷驱动器的控制带来了困难。研究压电陶瓷驱动器的特性,对提高压电微动台的性能非常重要。