具有抑振功能的超精密微动平台

实验中, 在位移输出的工作台 (如图 1所示 ) 上安 装一带偏心重块的步进电机, 偏心重块作回转运动产 生的离心力驱使平台振动, 以此来模拟实际使用中仪 器设备自身执行机构所产生的干扰信号。调整步进电 机的转速、偏心块的质量, 可获得不同频率和幅值的振 动信号。
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机械设计
第 27卷第 7期
图 8 所示为步进电机产生的干扰信号频率为 2 H z、幅值为 0. 8 Lm 时的位移控制曲线, f 为干扰信号 的频率, A 为幅值。通过 P ID参数和采样频率的参数优 化后, 可以获得良好的响应时间和抑振效果。干扰信号 幅值 A 为 0. 8 Lm 下不同频率的抑振效果如表 3所示。
关键词: 定位; 抑振; 超精密; 微动平台 中图分类号: TD302 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2354( 2010) 07- 0040- 03
随着科学技术的不断发展, 各类精密、超精密仪 器仪表如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子 束和 X 射线及其检测设备等, 被广泛地应用于科学研 究和现实生活中。与此同时, 相配套的各类精密、超精 密微动平台也应运而生 [ 1- 2] , 主要分为两大类, 一类主 要用于隔离外界对设备的干扰信号, 属于被动隔振范 畴; 另一类主要用作驱动器, 使超精密仪器设备实现微 小量的位移, 属于精密定位范畴。目前, 高精度、高分 辨率的精密微动平台在近代尖端科学研究领域内占有 极其重要的地位。
3 给定位移量定位下的抑振研究
系统抑振功能的研究建立在理想的定位功能基础 上。通过高分辨率的位移传感器, 对精密设备本身产生 的位移信号进行拾取, 经过 A /D 转换器采集后传送给 PC机, 与程序设定的精确位移量进行比较, 并利用 P ID 控制算法计算出增量, 再由 D /A 转换器、功率放大器、 压电陶瓷驱动器把增量信号施加到工作平台, 从而大 幅度地减小系统内部扰动对系统产生的影响, 使安装 与微动平台上的精密设备处于相对理想的环境。系统 纯抑振的情况即为设定的定位位移量为 0, 属于一种 特例, 由于篇幅关系不再讨论。
0. 5 0. 19 2. 2
1 0. 21 4. 1
2 0. 24 6. 2
3 0. 32 8. 3
4 0. 40 10. 5
在较大幅值的干扰信号作用下, 系统仍具有较理 想的抑振效果。图 9中的干扰信号频率为 5 H z, 幅值有 较大幅度的增加, 达 5 Lm。分析位移控制曲线得出, 系 统响应时间为 0. 44 s, 抑振效果为 12. 9% 。
rea lm ean ing.
能有效地抑制系统内部产生的位移干扰, 不同频率、小 幅值和大幅值的干扰信号均有理想的抑振效果, 响应 时间均小于 0. 5 s, 抑振效果在 13% 以内。
参考文献
图 8 f = 2 H z, A = 0. 8 Lm 时的位移曲线 表 3 不同频 率干扰信号下的抑振效果
干扰 信号频率 /H z 响应时间 / s 抑振效果 /%
func tion, but a lso can effective ly suppress v ibrating interference oc-
curred in the equ ipm ent itse lf by apply ing the ant-i position pr inc iple
但是以上两类精密微动平台均未对仪器仪表本身 执行机构的动作所产生的扰动加以抑制。文中研究的 重点在于完成高精度定位 [ 3] 的同时, 能有效地抑制高 精度仪器仪表由于本身执行机构的 动作所产生的 振 动, 达到更理想的精密定位控制效果。
图 2给出了平台的主要尺寸。
图 2 微动平台主要尺寸
图 3 和表 1为平台中柔性铰链的主要参数及尺 寸。微动平台采用压电陶瓷驱动器, 用柔性铰链作为 导轨形式, 采用 P ID 闭环控制方法。系统输出位移的 分辨率为 ? 10 nm, 可以实现纳米级的定位和抑振。
表 2 不同定位位移量的响应时间
定位位移量 /Lm 响应时间 / s
1. 22 3. 22 5. 22 8. 22 0. 11 0. 23 0. 35 0. 47
图 5 微动平台的简化模型
驱动电源对 D /A输出的电压成正比的放大, 放大 倍数为一定值, 其线性相当好, 因此, 其传递函数可以 认为是一个常数, 设为 A。
U ltra-prec ision m icro-disp lacem ent work tab le w ith vib ra-
tion suppression function
HUANG Jin-yon g1, DENG Jin- lian1, W E I Yan-d ing2
( 1. D epartm ent ofM echanical Eng ineer ing, Zhe jiang Institute
图 9 f = 5 H z, A = 5. 0 Lm 时的位移曲线
4 结论
实验所研究的精密微动平台可实现精密定位, 精 度在 ? 10 nm 以内, 且具有理想的动态响应特性。同时
[ 1] 薛实福, 李庆祥. 精密仪器设计 [M ] . 北 京: 清华大学 出 版社, 1991.
[ 2] Jae W R yu, D ae-G ab Gweon, K ee S. M oon optima l design of a flexure hinge based XYHwa fer stage[ J]. Prec ision Eng ineer ing, 1997, 21( 1): 18- 28.
Ab stract: A im ing a t the increasing num be r of ultra-precision
instruments, the wo rktab le w ith work env ironm ent is comm on ly pro-
v ided, this can on ly reduce vibra ting in terference from outside, but
摘要: 针对目前日益增多的超精密仪器仪表, 一般 给其提 供良好 工作环 境的工 作平台 只能消 除外 界对其 的振 动干 扰, 对于仪 器仪表自身各种执行机构动作所产生的干扰却无能为力。文中研究的微动平台不仅具有良好 的定位功能, 同 时运用反定位原理, 采用闭环 P ID 控制算法, 可 以有效抑制设备自身产 生的振动 干扰, 从 而更全面 地获得 精密设备 所需 要的良好工作环境, 实现真正意义上的超精密。
it is im possib le to e lim inate the interference caused by the action o f
var ious ac tuators w ith the instrum ents them se lves. T he m icro-d is-
placem ent wo rktab le in th is paper no t only has a good positional
* 收稿日期: 2009- 03- 05; 修订日期: 2009- 12- 25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50005020) ; 863 青年基金资助项目 ( 863 - 2- 2- 11- 3 ) 作者简介: 黄金永 ( 1978) ) , 男, 浙江诸暨人, 讲师, 硕士研究生, 研究方向: 机电一体化、精密定位。
1 微位移系统的模型建立
图 1所示为二维微动平台示意图 [ 3] 。
图 1 微动平台示意图
铰链厚度 t /mm 1
图 3 柔性铰链机构简图 表 1 柔性铰链主要参数尺寸
铰 链半径 平台厚度 连杆宽度
R /mm 1. 5
b /mm 15
h /mm 10
连杆长度 l /mm 20
系统选用的 WTDS- IA型压电陶瓷驱动器呈电容
and adopting and c lo sed- loop P ID contro l a lgo rithm, much m ore
com prehensively obta in ing the good w ork env ironm ent requ ired by
the prec ision equ ipm ent, m aking them to be u ltra-prec ision in the
2010年 7月
黄金永, 等: 具有抑振功能的超精密 微动平台
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性, 其模型可简化为如图 4所示 [ 4 ] 。C 为微位移执行器
的等效电容; R 为驱动电源的等效充放电电阻。因此,
V i 到 Vo 的传递函数为:
G1 ( s)
=
Km T s+
1
( 1)
式中: T ) ) ) 时间常数, T = RC;
图 7 定位量为 5. 22 Lm 的定位曲线
另外, 在带前馈环节的控制中, 系统也显示出良好 的动态响 应特性, 不同 的定位位 移量 的响应 时间如 表 2所示。理想的定位精度为抑振控制提供了良好的 平台。但前馈环节使系统产生了较大的超调量, 因此在 不允许出现较大超调量的情况下, 应尽量避免使用前 馈环节。Biblioteka 图 4 压 电驱动器的简化模型
微动平台可简化为如图 5所示的弹簧、质量、阻尼
的二阶系统, 其传递函数为:
G2 ( s)
=
kX2n s2 + 2NXn s + X2n
( 2)
式中: k) ) ) 放大系数, k = K t /(K t + K );
N) ) ) 阻尼比;
Xn) ) ) 系统无阻尼自然角频率, Xn = (K + K t ) /m。
对于电感式位移传感器, 其位移与输出电压的关 系与选择的档位有关, 当档位确定后, 其比例系数也就 确定。因此, 同样可设传感器环节的传递函数为 B。图 6 示出了微位移系统的模型方块图。图中 W ( s) 为控制 系统的传递函数 [ 5] 。