陳琦

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

基于電容微位移傳感器的大載荷微動臺的研制

陳琦

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

在超精密光學工程等領域，為了滿足大質(zhì)量部件的超精密進給定位應用需求，設計并研制了一種大載荷的納米定位平臺。該納米微動承載臺采用雙閉式氣浮導軌，由壓電陶瓷致動器結(jié)合柔性鉸鏈提供驅(qū)動，通過電容微位移傳感器實時監(jiān)測終端承載臺位移并實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，有效地克服了壓電陶瓷致動器的非線性影響因素，并消除了系統(tǒng)由于形變或應力釋放等因素產(chǎn)生的不確定性干擾。在傳統(tǒng)純?nèi)嵝糟q鏈傳動機構上增設了雙導軌氣浮承載臺，顯著增強了系統(tǒng)的載荷能力，氣浮均化效應也提高了系統(tǒng)進給運行的直線性，雙壓電推拉式驅(qū)動方式提高了系統(tǒng)結(jié)構剛度，電容微位移傳感器取代雙頻激光干涉儀或電阻式位移傳感器的應用，降低了系統(tǒng)運行尤其是測量系統(tǒng)對環(huán)境條件苛刻的要求，也保證了平臺進給的定位精度和長期穩(wěn)定性。在載荷為100 kg情況下，定位精度達±2 nm，行程大于10μm。實驗結(jié)果表明，大載荷納米微動臺能夠滿足大質(zhì)量部件的納米級超精密定位需求。

納米定位；壓電陶瓷；氣浮導軌；電容微位移傳感器

隨著當前精密工程技術和尖端科學研究領域的高速發(fā)展，納米級微定位技術的需求也與日俱增，納米級的高分辨率、高精度且高可靠性的微動平臺，在大面積光柵制作和大口徑主動光學等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，在納米機械加工、微電子、微機電系統(tǒng)和生物醫(yī)學等領域所采用的納米級微定位技術，普遍采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈直接驅(qū)動的方案，壓電陶瓷具有結(jié)構簡單、分辨率高、快速頻響以及沒有發(fā)熱問題等優(yōu)點，被廣泛應用于各種精密定位場合［1-3］。傳統(tǒng)的直驅(qū)方案結(jié)構簡單緊湊，定位噪聲小，但載荷能力差，采用電阻應變片式位移傳感器實現(xiàn)反饋也難以滿足全行程納米級高精度的定位需求［4］，雙頻激光干涉儀的使用又存在成本太高以及對使用環(huán)境條件要求苛刻等問題［5］，這些問題使得納米級定位技術在具體的生產(chǎn)應用中，尤其是在超精密光學工程領域的應用中受到嚴重限制。

本系統(tǒng)采用工控機作為控制平臺，由雙壓電陶瓷致動器結(jié)合柔性鉸鏈驅(qū)動基于雙閉式氣浮導軌的承載臺［6-7］，由電容微位移傳感器實時檢測承載臺的位移并反饋給工控機形成閉環(huán)控制［8］。在保證了載荷能力和進給剛度的情況下，使得在行程范圍內(nèi)系統(tǒng)定位精度大大提高。

1 機械結(jié)構

大載荷納米微動臺由氣浮承載臺和微動驅(qū)動機構2大部分組成，如圖1所示。

圖1 納米微動臺系統(tǒng)結(jié)構

氣浮承載臺由2根閉式氣浮導軌和承載工作臺組成。定導軌采用花崗巖，動導軌以及承載工作臺采用鋁基復合材料，這2種材料都具有強度高且線膨脹系數(shù)小的特點。氣體靜壓定導軌兩側(cè)均采用典型的V型支撐結(jié)構。微動驅(qū)動機構具體由壓電陶瓷致動器和柔性鉸鏈框組成，具體結(jié)構如圖2所示。柔性鉸鏈框由整塊40Cr經(jīng)慢走絲線切割（切割精度2μm，表面粗糙度Ra值0.2μm）精密切割而成，包含內(nèi)框與外框，內(nèi)框采用寶石過盈接觸方式（聚四氟乙烯保持架）與GCr15SiMn基座連接，外框與承載工作臺固接，當內(nèi)外框之間的2個壓電陶瓷同步產(chǎn)生推拉式位移運動時，氣浮承載臺也就與固定基座發(fā)生同步相對運動。氣浮承載臺的位移情況由電容微位移傳感器實時監(jiān)測，并保證被測點沿進給方向與承載臺質(zhì)心等高。

圖2 微動驅(qū)動機構結(jié)構

2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

該大載荷納米微動臺采取了基于電容微位移傳感器的閉環(huán)控制方案，控制原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

由上位工控機給定目標位移值，并通過USB接口發(fā)出相應指令到壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng)，由該驅(qū)動控制系統(tǒng)產(chǎn)生2個推拉式的高壓信號驅(qū)動2個壓電陶瓷致動器同步伸縮運動，每個壓電陶瓷致動器內(nèi)部集成了strain gauge sensor（SGS）位移傳感器，利用壓電陶瓷伺服控制器內(nèi)嵌的非線性消除算法，在每個大閉環(huán)的伺服周期內(nèi)對壓電陶瓷單體的單步位移進行前饋與半閉環(huán)反饋控制。然后工控機依據(jù)電容微位移傳感器采集到的終端微動臺的位移進行全閉環(huán)反饋控制，微量調(diào)節(jié)2個壓電陶瓷的推拉式輸出位移，實現(xiàn)納米微動臺的超精密定位。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

工控機采用研華IPC610H型，壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng)選用德國PI公司的產(chǎn)品，包括接口顯示器E-517、電源放大驅(qū)動器E-508、伺服控制器E-509和2個壓電陶瓷致動器單體。E-517能夠通過USB接口與上位機通信，具有24位A／D、D／A和數(shù)顯功能；E-508標準輸出1 100 V高電壓，噪聲均方根值為5 mV；E-509內(nèi)部集成了壓電陶瓷非線性消除算法，能夠?qū)崿F(xiàn)基于壓電陶瓷內(nèi)部SGS式位移傳感器的閉環(huán)反饋控制，控制精度也可達0.1%。壓電陶瓷致動器選用的是P-225.1S型，分辨率0.3 nm，閉環(huán)行程15μm，推力達12 500 N。上述模塊化的單元全都可配置在控制系統(tǒng)機箱E-500.00中。

電容微位移傳感器是整個系統(tǒng)精度實現(xiàn)的必要條件，由于其具有非接觸測量、結(jié)構簡單、動態(tài)特性好等特點，并且具有亞納米級分辨率以及納米級精度，在小行程、高精度應用需求的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中得到廣泛應用。因此本方案最終選用電容微位移傳感器作為測量手段。方案中選用德國米銥Ca-paNCDT6500系列高精度電容式位移傳感器，探頭量程50μm，分辨率0.037 5 nm（2 Hz），重復性0.15 nm，溫度穩(wěn)定性－10×10－6／℃，出廠校正精度達0.02%，Ethernet24位接口，8 kHz的數(shù)據(jù)更新率，除了電容微位移傳感器自身的誤差之外，還有環(huán)境誤差和安裝誤差也是最終影響測量精度的重要因素［9］，需全面考慮其使用環(huán)境條件。若依據(jù)微動臺10μm的最大行程計算，則對應系統(tǒng)測量精度將達2 nm。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

后臺定位控制算法采用串級控制，主回路利用電容微位移傳感器對微動臺的實時位移進行監(jiān)測，采用PI控制算法［10］，完成納米級或亞納米級微量的調(diào)整，保證納米微動臺最終的微位移精度；副回路采用前饋、反饋相結(jié)合控制算法，前饋補償用來消除壓電陶瓷致動器的非線性影響，反饋控制用來提高壓電陶瓷單體對目標位移的跟蹤能力，該復合控制算法集成在壓電陶瓷伺服控制器內(nèi)部，其算法原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)控制算法原理

在VS2010軟件平臺上開發(fā)了基于壓電陶瓷控制系統(tǒng)和電容微位移傳感器的DLL的上位操控軟件，該界面分為壓電陶瓷監(jiān)控區(qū)、電容微位移顯示區(qū)和微動臺閉環(huán)監(jiān)控3大功能區(qū)，具體如圖5所示。

圖5 上位監(jiān)控界面

壓電陶瓷監(jiān)控區(qū)具有壓電陶瓷單體半閉環(huán)運動的操控功能，并顯示2個壓電陶瓷單體的絕對伸長量信息。電容微位移顯示區(qū)對微動臺的絕對位置進行跟蹤。微動臺閉環(huán)監(jiān)控區(qū)設計了相對位移運動和絕對位移運動2種運動模式。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗室采用房中房結(jié)構，外層房設有溫濕度控制系統(tǒng)，溫度控制精度20±0.1℃，濕度控制精度40%± 1%，并將工控機、壓電陶瓷控制系統(tǒng)等熱源從核心工作間隔離開。整個裝置放置在一個具有獨立混凝土地基的重達10 t的花崗巖隔振平臺上，電容微位移傳感器探頭的基座材料也都采用花崗巖和銦鋼，降低環(huán)境因素對材料穩(wěn)定性和測量準確度的影響。

圖6 連續(xù)相對步進運動曲線

使該納米微動臺工作于相對位移運動模式，連續(xù)往同一方向相對運動7個步距，每個步距為50 nm，通過電容微位移傳感器全程監(jiān)測進給運動過程，實驗曲線如圖6所示。在進給定位過程中過渡時間很短，但穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)噪聲影響明顯（與靜態(tài)測量幅度一致），對穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)進行算術平均處理之后結(jié)果如表1所示。

表1 步進定位穩(wěn)態(tài)階段試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)表明，該納米微動臺在載荷為100 kg情況下，定位精度為2 nm以內(nèi)。并且在閉環(huán)控制作用下，系統(tǒng)已經(jīng)將柔性鉸鏈外框的線性形變以及局部的非線性應變等因素消除，最終定位誤差成隨機分布狀態(tài)，但對于納米級定位系統(tǒng)，短期的定位噪聲與長期的溫度漂移通常是決定系統(tǒng)定位精度的制約因素，在我們目前現(xiàn)有實驗條件下，短期定位噪聲階段性波動較大，由于溫控精度不高，且存在溫度梯度，各種材料的熱膨脹系數(shù)也不相同，電容微位移探頭裝卡裝置穩(wěn)定性也有待進一步改進，要求微動臺定位在某一固定位置時，長期來看會產(chǎn)生低頻的偏移。

4 結(jié)束語

本文建立了一個較為完整的大載荷納米級閉環(huán)微動臺系統(tǒng)，以壓電陶瓷結(jié)合柔性鉸鏈作為驅(qū)動部件，采用雙壓電陶瓷同步推拉式驅(qū)動，結(jié)合雙閉式氣浮導軌技術，利用電容微位移傳感器作為反饋測量手段，采用經(jīng)典的PID控制算法，并給出了連續(xù)多步步進50 nm的實驗曲線。該納米微動臺在100 kg載荷情況下，行程可達10μm，定位精度達2 nm，該微動臺可與其他進給方式相結(jié)合，進給行程可擴大，應用范圍就可得到進一步拓展。

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Research and development of large load nano-positioning system based on capacitance disp lacem ent sensor

CHEN Qi
Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China

In order to satisfy the requirement of ultraprecise feeding and positioning ofmassive parts in the domains such as ultraprecise optical engineering，a nano-positioning system that is suitable for the large load situation is presented in this paper.Double closed-type air-lubricated guide rails are used in the design of this nano-positioning stage，which is driven by the double piezoelectric actuators combined with flexible hinge.A capacitance displace-ment sensor is used tomonitor themotion of the load bearing stage and realize feed-back control of the closed loop，which effectively compensates the nonlinearity and hysteresis of piezoelectric actuators and reduces the turbulences caused by release ofstress.The application of the double-rail air-lubricated bearing stage in the traditional transmis-sion gear composed of pure flexible hinge greatly enhances the load ability of the system.The capacitance displace-ment sensor in place of the dual-frequency laser interferometer or strain gauge sensor（SGS）resistor-type displace-ment sensor simplifies the requirement of the system operation，especially themeasurement system for environment，and also guarantees the position precision of feeding and the stability in a long time.The range of the nano-positio-ning stage can reach 10μm with a precision of±2 nm in the situation of bearing 100 kg load.Experimental results show that the large-load nano-positioning stage can satisfy the needs of ultraprecise position ofmassive parts.

nano-positioning；piezoelectric actuator；air-lubricated guide rail；capacitance displacement sensor

TP273.5

：A

：1009-671X（2015）01-062-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201407003

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20141219.1725.001.htm l

2014-07-08.

日期：2014-12-19.

國家重大科研儀器設備研制專項基金資助項目（61227901）.

陳琦（1961-），男，研究員.

陳琦，E-mail：chenqi＠ciomp.ac.cn.