基于直線光柵尺的高精度定位平臺的研制

陳 昊，陳 琦

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

在現代科技領域中，精密加工技術扮演著越來越重要的角色，并廣泛應用于國防工業、信息產業等諸多方面。

在精密位移測量領域，常用的反饋元件有：激光干涉儀、直線光柵尺和電容測微儀等。電容測微儀的測量精度可以達到納米級，但是其測量范圍較小；激光干涉儀也可以獲得較高的分辨率和精度，但是對環境要求較為苛刻，在測量較長距離時精度會明顯降低；直線光柵尺是利用莫爾條紋數量來計算位移的，受環境影響較小，并且量程較大[1～3]。

傳統的精密驅動方式有滾珠絲杠、靜壓絲杠、直線電機和摩擦驅動等方式。其中，摩擦驅動利用摩擦力將電機的回轉運動轉換成摩擦桿的直線運動，從而實現無間隙運動。相對于滾珠絲杠和靜壓絲杠，摩擦驅動不存在間隙和爬行現象，動靜態剛度較高，對加工要求相對較低；相對于直線電機，摩擦驅動不會產生強磁場干擾，并且結構簡單，無其他輔助設備[4,5]。

本系統以工控機作為控制平臺，以摩擦驅動的方式驅動氣浮承載臺，并采用直線光柵尺作為位移測量元件，形成閉環控制。在200mm行程范圍內，可以獲得較高的定位精度。

1 系統設計方案

1.1 機械設計

精密定位平臺由驅動部分、氣浮承載臺和位移反饋裝置等三部分構成，如圖1所示。氣浮承載臺的導軌采用密閉式結構，由2根導軌采用V型方式支撐起工作臺；驅動部分由直流力矩電機、諧波減速器和摩擦桿等部分構成，由直流力矩電機帶動摩擦桿進而驅動工作臺運動；位移反饋裝置由絕對式圓光柵和直線光柵尺兩中元件構成，絕對式圓光柵安裝在電機基座內，用于測量摩擦輪的轉動角度；直線光柵尺安裝在氣浮導軌定導軌上，讀數頭安裝在工作臺的下端，用于測量工作臺的位移[6,7]。

圖1 精密定位平臺的機械結構

1.2 硬件設計

本系統采用西門子IPC847C型工控機作為上位機，控制器選用Delta Tau公司的PMAC系統控制器。為了提高系統的傳動比，選用減速比為1：160的LHD-40-160-C-I型諧波減速器。圓光柵選取雷尼紹公司的RA32BAA115B50A型產品，分辨率可以達到0.0003”。系統中摩擦輪的直徑為10mm，可以計算得出圓光柵每個碼值對應工作臺的位移為0.7nm，可以滿足系統測量需求以及進一步開發需求。力矩電機選用Aerotech公司的S-130-39A型力矩電機，其峰值扭矩可以達到9.42Nm，滿足系統的驅動需求，為減小力矩波紋，采用線性驅動器驅動該矩電機。系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

選用雷尼紹公司的A-9766-0430型支線光柵尺作為整個系統的最終位置反饋，其測量范圍430mm，分辨率可以達到1nm，測量精度可以達到，可以滿足整個系統對位移測量的需求。將光柵尺安裝在工作臺氣浮導軌的定導軌上，讀數頭安裝在動導軌上，在工作臺運動過程中，讀數頭通過莫爾條紋的個數讀取相應的位移信息。

1.3 控制算法設計

PID控制以其結構簡單、易于實現、調整方便、不基于模型的特性，廣泛應用于各種工業控制場合。本系統采用半閉環和全閉環相結合的PID控制算法，其原理框圖如圖3所示。

圖3 系統控制算法框圖

在上位機中存儲兩組速度、加速度、PID參數數據信息，分別對應于工作臺宏動和微動兩種運動模式。上位機讀取光柵尺的位移信息，若與期望位置相差的的位移大于20um，則發送宏動模式對應的參數，若小于20um則發送微動模式對應的參數。PMAC控制器根據接收到的指令，以圓光柵為反饋控制電機運行。

1.4 系統軟件設計

在Labview環境中，完成上位機控制軟件的編寫，軟件分為工作臺位移監控區域、工作臺運動控制區域、PID參數整定區域等三個部分構成，如圖4所示。工作臺位移監控區域用于監控圓光柵和光柵尺的讀數，并實時顯示；PID參數整定區域用于設定不同組PID參數；工作臺運動控制區域用于設置工作臺運行模式并向PMAC控制器發出相應控制指令以控制工作臺運行。

2 系統測試實驗及結果

2.1 PID參數整定實驗

PMAC控制器提供了一種帶有速度前饋和加速度前饋的PID控制算法，相對于傳統的PID算法，其速度跟蹤特性更好，對外部干擾的適應能力更強。其算法如下式所示：

圖4 軟件界面

式中Kp、Ki、Kd分別為PID算法中的比例、積分、微分系數，Keff、Kaff分別為速度前饋、加速度前饋系數，Ix08、Ix09為電機內置位置比例系數和速度比例系數，FE(n)、AV(n)、CV(n)、CA(n)、IE(n)分別是跟隨誤差、實際速度、給定速度、指令加速度、跟隨積分誤差[8,9]。

在參數整定過程中，首先調整Kp、Ki、Kd參數，再調整Kvff、Kaff等參數，使系統的動態響應達到最優[10]。圖5為參數整定前的速度響應曲線，圖6為參數整定后的速度響應曲線。可以看出，經過參數整定，系統的動態響應特性得到明顯提高。

圖5 參數整定前正弦跟蹤曲線

2.2 定位平臺步進運行實驗

圖6 參數整定后正弦跟蹤曲線

實驗在萬級潔凈房中進行，實驗室的溫度在20度，相對濕度為20%，將整個精密定位系統放置于大理石隔振平臺上，令精密定位平臺向正向運動10步，并向負向連續運動10步，每一步的步距為1mm，速度為1mm/s，得到精密定位平臺的定位曲線如圖7所示，定位偏差如表1所示。

圖7 定位精度曲線

表1 定位平臺每步定位誤差

可以得出精密定位平均定位精度為132.95nm，定位精度在200nm以內，同時測得定位平臺每一步的調整時間在2s以內，可以滿足多數精密定位要求。

3 結論

本文以直線光柵尺作為測量元件，以直流力矩電機為執行原件，搭建了一個完整的閉環控制系統。以雙閉式導軌承載氣浮平臺方式，采用摩擦驅動的方式，結合帶有前饋算法的PID控制方法，可以達到亞微米級定位精度。通過實現表明，工作臺的平均定位精度可以達到132.95nm，定位精度在200nm以內，調整時間在2s以內，可以滿足多數精密定位要求。同時，在進一步研究過程中，該精密定位平臺可以和其他微驅動方式相結合，使其定位精度達到納米級，其應用范圍也會進一步拓展。

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