三维一体化超微定位系统的研制

第18卷第1期

1999年2月电　子　显　微　学　报Journal of Chinese Electron Microscopy Society Vol -18,No .11999-02文章编号:1000-6281(1999)01-0141-144

三维一体化超微定位系统的研制

胡小唐　禹国强　刘安伟　杨　勇

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)

摘　要:本文设计并研制了以柔性铰链为弹性导轨、压电陶瓷为驱动器的三维一体化超微定位机构,

并以激光干涉仪微位移检测装置和微机控制系统构成了数字闭环控制的三维一体化超微定位系统。

关键词:柔性铰链;压电陶瓷;激光干涉仪;三维一体化超微定位台

分类号:T H 744.3;T M 282.7;T H 703.65 文献标识码:A

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.59675082);微米/纳米技术国际预研—微机理研究专项青年基金资助项目(No .96002)

科学技术的发展在诸多领域迫切需要超微定位技术,尤其是在纳米科学和技术领域,纳米加工、测量与三维超微定位技术更是密不可分。目前国内外研制的超微定位机构还只是一维、二维及拼接式三维超微定位机构,还没有在整块材料上直接加工出三维运动机构的三维一体化超微定位机构。虽然拼接式结构和一体化结构相比加工简单,但安装复杂,安装精度要求高,安装时三运动方向上存在的垂直度误差将产生交叉耦合误差。其存在抗干扰能力差、对外界温度、振动较敏感、运动方向上的刚度易变化、长期稳定性差等缺陷,并且由于粘接、紧固件的连接,在纳米级尺寸必然存在爬行、蠕动等致命弱点。而三维一体化超微定位机构以其一体化和整体性结构的独特优势,可以避免拼接式结构的这些缺陷和弱点。因此发展三维一体化的超微定位机构有很大的使用价值和广泛的应用前景。

超微定位系统的构成

超微定位系统由微定位机构(微定位工作台)、微位移检测装置和控制系统构成,如图1。

　图1　超微定位系统构成　F ig .1　Block diag ram o f ultr a -m icro po sitio ning sy st em

1.微定位机构

微定位机构是指行程一般小于

毫米级,灵敏度和精度优于亚纳米、

纳米级的机构,通常由微位移器和导

轨两部分组成。根据导轨形式和位移

驱动方式可分成以下五类:

(1)柔性铰链为弹性导轨—压

电、电致伸缩位移器构成的微定位机

构;(2)滚动导轨—机械式或压电、电致伸缩位移器构成的微定位机构;

(3)弹性导轨—机械式或电磁及压电、电致伸缩位移器构成的微定位机构;

(4)气浮导轨—伺服电机或直线电机驱动器构成的微定位机构;

(5)滑动导轨—机械式位移器构成的微定位机构;

导轨形式的选择对微定位机构的定位精度和位移分辨率有重要的影响,在不考虑微位移器的误差的前提下,微位移定位机构的定位误差范围的大小为:

$=3F S +F d K (1)

其中,F S 为系统摩擦表面的静摩擦力,F d 为系统摩擦表面的动摩擦力,K 为传动系统的刚度。

由式(1)可知,微位移定位系统的定位精度取决于系统摩擦力的绝对值和系统的刚度,减小摩擦力的绝对值和提高系统的刚度是提高定位精度的重要措施。柔性铰链是一种新型的弹性导轨形式,具有无机械摩擦、无间隙、无热源、加工简单及运动灵敏性高等优点,是理想的导轨形式。

机械式微位移驱动器存在较大的机械间隙及机械摩擦,电热式、电磁式微位移驱动器具有发热现象,可导致相邻零件产生热变形,微位移精度难以达到纳米量级。压电、电致伸缩微位移驱动器结构紧凑、体积小、位移分辨率高、不产生噪音和发热、易于控制、刚度大,是较理想的微位移驱动器件。

因此,本文研制的三维一体化超微定位工作台采用柔性铰链为弹性导轨,压电陶瓷微位移器为驱动器。

2.微位移检测装置及控制系统

微位移检测装置应具有高分辨率、高精度和一定的测量范围。激光干涉仪以其测量范围大、高位移分辨率和精度、非接触等优点被广泛使用。微位移定位机构的伺服控制系统普遍采用计算机控制系统,除控制定位精度外还配有速度、加速度控制,并对系统误差进行监测和修正,使微位移定位机构达到高的动态和静态精度。

三维一体化超微定位工作台

1.结构设计

图2为三维一体化工作台的机械结构简图。该工作台是用线切割机床在整块金属材料上切割而成,两组柔性平行弹性导轨分别组成X 向、Y 向的运动机构。工作台内有由柔性铰链连接的柔性八杆对称联动结构作为Z 向的运动机械。Z 向运动对X 、Y 向没有影响,只使工作台沿Z 向运动;Y 向运动体的运动可带动X 向运动体和工作台实现Y 向运动;X 向运动体的运动可带动工作台实现X 向运动,对Y 向运动体没有影响。因此,工作台在X 、Y 、Z 向压电陶瓷驱动器的驱动下,可完成三维扫描运动。

该机构是复合柔性四杆机构,它消除了四杆机构在运动方向的垂直方向上的寄生运动,对载重物重量变化及Z 向的作用力不敏感。多个柔性铰链起到平均效应作用,

从而使加工引起的误

图2　三维一体化定位台机械结构原理示意图Fig.2　3D monolit hic ultr a-micr opo sitio ning mechanism

142 电　子　显　微　学　报第18卷

差得到一定程度的抵消。平行四杆机构保证了良好的导向性,

机构在运动方向上三个转角误差很　图3　超微定位工作台简化模型　F ig.3　K inetic m odel o f ultr a-micro po sitio ning mechanism 小。双平行复合四杆机构使得这三个误差因素影响进一步

降低。在加工过程中应保证整个机构严格的中心对称,使

加工误差因素向四周扩散,以减少累计误差效应,并且使

机构受环境变化引起的误差尽可能小。

2.动力学模型

超微定位工作台可简化为图3所示的等效模型,K t

为传动部件刚度,K 为弹性导轨刚度,m 为定位机构的运动质量,L 为阻尼系数。当输入位移为x (t )时,输出位移为y (t ),系统动力学方程为:

m y ¨+L y õ+(k +k t )y =k t x (t )(2)

此系统在阶跃微位移输入x (t )条件下的输出y (t )为:

y (t )=k t k +k t

x (t )1-e -N X n t 1-N 2sin X d t +arctg 1-N 2N (3)式中:X d =X n

1-N 2为系统阻尼自然角频率;X n =k +k t m 为系统无阻尼自然角频率;N =L 2m X n 为阻尼比。

系统达到稳态后,其输出位移为:y =k t k t +k x

(4)由式(4)可以看出,k 和k t 均为系统的固有参数,因此系统的稳态位移输出由输入位移的变化唯一确定,不受初始条件和其他因素的影响,故超微定位工作台可以获得稳定的高位移分辨率和运动精度。

此系统动态瞬时响应上升时间:t r =P X n 1-N

2(5)由式(3)、式(5)可知,系统的瞬态阶跃响应是以阻尼自然角频率X d 的衰减振荡,工作台微位移达到稳态的时间与系统的无阻尼自然角频率X n 成反比,即X n 的值越大,工作台的瞬态响应速度越快,因此在设计超微定位工作台时,应尽可能提高系统的固有频率。三维一体化超微定位系统

在理想条件下,压电陶瓷驱动器的应变与外电场强度成线性,但实际上,压电陶瓷驱动器存在迟滞、非线性、蠕变等特性,其应变与外电场强度曲线并不是理想的线性曲线。压电陶瓷驱动器固有的压电误差直接影响定位工作台的最终定位精度。为实时补偿压电误差,使定位工作台准确、平稳地到达预定的位置,本文建立了如图4所示的闭环控制系统。该系统由计算机、D /A 转换器、高压放大电路、压电陶瓷驱动器、三维一体化超微定位工作台、用于微位移检测的激光干涉仪和A /D 数据采集电路组成。

由计算机预先设定工作位置,其输出的数字信号经D/A 转换器、直流电压放大电路控制压电陶瓷驱动器驱动定位工作台。用于微位移检测的激光干涉仪实时检测工作台的位置,并通过A/D 转换器将位置信号送入计算机与预定位置进行比较,由计算机根据偏差输出控制信号,从而实现无偏差的精密定位。图5是用于微位移检测的激光干涉仪的原理图,干涉仪采用迈克耳逊干涉光路,光源使用143第1期胡小唐等:三维一体化超微定位系统的研制