二維微動精密工作臺

黃瑜瑜

四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065

二維微動精密工作臺

黃瑜瑜

四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065

二維微動精密工作臺是一種高精度的測量系統，用于掃描測量被測件表面的微觀形貌，在掃描測量工作中要求達到微米級的運動精度，為此建立了X-Z方向的精密運動平臺，在二維測量方向上分別達到相應的測量精度要求，并對靜壓氣浮導軌、精密滾動絲桿、滾動摩擦導軌控制等關鍵技術進行了研究。靜壓氣浮導軌采用了有限元法的設計，使其具有較高的承載能力和剛度。該裝置采用模糊PID控制技術，改善了非線性因素的影響，從而獲得較高的穩態位置精度。

.二維微動精密工作臺；靜壓氣浮導軌；模糊PID控制技術

0 引言

精密測量是現代高新科學領域最為關鍵和共性的基礎技術之一，在尖端工業生產和科學研究中占有極其重要的地位，具有廣闊的應用前景。隨著技術的發展，對精密微動平臺的運動精度要求也越來越高。對于高精度微小尺寸的二維測量，可以通過X、Z兩個方向運動的合成，實現對其平面微觀形貌的測量。本設計采用閉式矩形靜壓氣浮導軌，具有摩擦小、壽命長、速度高、精密度高、無污染等優點。采用有限元設計方法設計氣浮導軌，使運動平臺具有較高的承載能力和剛度；對傳統的PID控制技術進行改進，采用模糊PID控制技術，使運動平臺具有較高的定位精度。Z向由于運動部件的重力與運動方向相同，會影響氣浮導軌的驅動性能，所以采用加配重方法平衡氣浮導軌產生的重力。

1 總體方案設計

1.1 測量原理

X-Z二維精密微動工作臺主要是把旋轉運動變為直線運動，以傳遞運動為主，要求結構緊湊，有較高的傳動精度。因為切削力不大，同時出于對傳動剛度的考慮，所以確定對X方向采用步進電機裝置配合精密滾動絲桿和滾動摩擦導軌設計，使得X方向具有定位精度較高等特點； Z方向使用 “無摩擦運動”的氣浮導軌外加光柵尺、配重實現位移，可實現微小位移的運動，且具有定位精度高、摩擦小和運動平穩等優點。X-Z二維精密工作臺是高精度運動平臺的發展方向，它們的移動相互獨立，互不影響。

1.2 測量方法的設計

圖1

圖2

圖1、圖2為二維精密微動工作臺的機械結構。測量開始時，被測工件置于工作臺上并將其固定。步進電機通過聯軸器帶動精密滾動絲桿轉動，滾動摩擦導軌與精密滾動絲桿相連接，將旋轉運動轉換成直線運動，與滾動摩擦導軌固連的工作臺隨之做直線運動，實現了X方向的移動。Z軸方向由于自身的重力與運動方向相同，故通過加配重來減輕自身的重量。由于氣浮導軌開始運動后，是由氣浮導軌中間隙間的氣膜產生運動，其摩擦力很小，對氣浮導軌的上下運動幾乎沒有影響。測頭在物體表面上探測其形貌而上下移動，從而帶動氣浮導軌運動，其上的光柵傳感器連接數顯表，由數顯表將其運動數值反映給操作者。

重物配重雖然運動平穩，但是會增加摩擦力，易產生爬行現象。因此，選用氣動配重，可以驅使電機負載為零，提高運動的定位精度和速度的平穩性，從而提高了平臺的運動精度。

2 平臺氣浮導軌設計

2.1 靜壓氣浮導軌

氣浮導軌也稱為空氣靜壓導軌，是由導軌和滑塊組成的滑動副，導軌間有一層很薄的氣膜作為工作介質，利用外部的壓縮氣體充分干燥并過濾后通過一些開在導軌表面上的節流器導入空氣使導軌和滑塊間充滿壓縮空氣，并借助形成的壓力氣膜來支承負載并實現平穩工作，氣浮導軌具有運動精度高、摩擦阻力小、磨損率近乎為零、噪聲低、振動小、運動平穩無爬行現象、高剛度等優點，可以使定位工作臺及滑板獲得較高的運動精度。而且氣體導軌的使用壽命長，維護也比較容易。因此，在精密測量儀器中的應用越來越廣泛。

2.2 氣浮導軌的有限元設計

有限元設計法是首先將其劃分為有規律的若干矩形網格，利用雷諾方程來求解。假設間隙氣體的流動是等溫的，則可用雷諾化簡方程表示：

由于周圍都是空氣環境，所以其邊界條件是：

其中，Pa為環境的氣體壓力。在（2）的條件下求解（1）式，便可求出氣體的壓力場分布。再根據下圖3所示步驟便可求出氣浮導軌的輸入輸出氣體量。左圖3中P0為節流孔出口壓力；Ps為供氣壓力；W為承載能力；m為氣膜厚度；Win為流入的氣體量；Wout為流出的氣體量；ε為精度閾值。

3 控制方式

微動小量程工作臺，定位精度要求很高，需要很強的抗干擾能力，傳統的PID控制技術很難達到滿意的效果，由于存在旋轉運動與直線運動的轉換，會引入非線性誤差，為了更好的消除非線性誤差，可以采用模糊PID控制。它具有很強的魯棒性，可以消除非線性誤差。

如圖4所示是一個基于離散論域的模糊PID。

圖4 控制器的系統結構圖

其中 ，k1、k2、k3、k4、k5為尺度變換的比例因子；m1、m2和m3為查表所得的值；Kp為比例系數；Ki為積分作用系數；Kd為微分作用系數。

建立控制規則：定義系統偏差絕對值|e(x)|、偏差變化率絕對值 |△ e(k)|。

1）當|e(x)|較大時，即為加快系統的響應速度，應取較大的Kp和較小的Kd，并且去掉積分作用；

2）當|e(x)|和|△e(k)|為中等大小時，應取較小的Ki值，Kp和Kd值大小適中，以保證系統的響應速度；

3）當|e(x)|較小時，應增大Kp和Ki值，使系統具有良好的穩態性能，同時應適當的選取Kd值，其原則是：當|△e(k)|較小時，Kd值可取大些，通常取為中等大小；當|△e(k)|較大時，Kd應取小些。

4 結論

1）新型X-Z二維精密微動工作臺采用氣動配重，運動精度增加；2）氣浮導軌采用有限元設計法，不必考慮擴散效應，承載能力可根據大氣壓的增大而增大，而且簡便、可靠、易行；3）與傳統的PID控制技術相比，采用模糊PID控制技術提高了測量精度；4）設計的X-Z二維精密微動工作臺具有微米級的定位精度，適合于作為高精度的小尺寸測量儀的運動平臺。

[1]孫麟治，李鳴鳴，程維明.精密定位技術研究[J].光學精密工程，2005，11(13)：69-75.

[2]劉向陽，郁鼎文，馮平法.豎直運動平臺氣動配重的研究[J].機械科學與技術，2006，25(3)：352-354.

[3]陶家生.閉式雙排節流孔矩形氣浮導軌的計算方法[J].光學精密工程，1997，2(1)：55-61.

[4]馬明建，辛世界，王輝林，等.靜壓式平面空氣軸承壓力場得有限元分析[J].農業機械學報，1994，12(4):91-97.

[5]呂春蘭，王立國，孟亞男，姜德龍.基于模糊自整定PID參數控制器的設計[J].吉林化工學院學報，2002，19(2)：33-34.

[6]桑武斌.二維超精工件臺及其控制系統的研究[D].杭州：浙江大學研究生院，2008：46-52.

[7]徐灝.機械設計手冊(3)[M].北京：機械工業出版社，2003.

[8]浦昭邦，王寶光.測控儀器設計[M].北京：機械工業出版社，2010.

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