趙鵬飛，錢 程，錢翰琪

(常州市翰琪電機(jī)有限公司，常州 213101)

0 引 言

在半導(dǎo)體和光學(xué)透鏡等精密產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，超精密工作臺(tái)是最重要的系統(tǒng)部件之一。由被加工零件的精度要求可知，此類機(jī)床的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度必須達(dá)到納米級(jí)[1-2]。為滿足要求，有必要消除機(jī)床系統(tǒng)中所有引起加工誤差的因素并設(shè)計(jì)合理的超精密工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，眾多科研人員對(duì)此進(jìn)行了研究，但是，可實(shí)際用于加工的具有納米級(jí)定位精度的工作臺(tái)還很少。

陳琦采用摩擦驅(qū)動(dòng)和壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)組合的方式構(gòu)成宏、微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了沿X，Y兩個(gè)方向的納米級(jí)光柵分度與掃描運(yùn)動(dòng)[3]。魏偉等針對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)納米定位工作臺(tái)設(shè)計(jì)了一種線性自抗擾控制算法，其可主動(dòng)估計(jì)磁滯、內(nèi)部不確定性和外部擾動(dòng)，在工作臺(tái)降低定位精度之前即被補(bǔ)償,保證良好的定位控制效果[4]。Lee W R等為超精密定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)了增強(qiáng)型魯棒控制器[5]。滕偉等以同步掃描的運(yùn)動(dòng)性能為目標(biāo)，提出一種粗、微復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制方法，將其在100 nm步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用，并取得良好效果[6]。張金龍等研制了一套基于激光莫爾信號(hào)的超精密定位工作臺(tái)，定位臺(tái)以微型計(jì)算機(jī)為核心，采用激光莫爾傳感器檢測(cè)位置偏差，實(shí)現(xiàn)了50 nm級(jí)的超精密自動(dòng)定位[7]。Huang P等對(duì)空氣靜壓軸承主軸平均軸線的位置漂移進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，由于流體動(dòng)力效應(yīng)，位置漂移與主軸轉(zhuǎn)速之間呈非線性關(guān)系，這為超精密定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[8]。然而，以上研究多處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未應(yīng)用在實(shí)際加工過(guò)程中，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還須補(bǔ)償由加工引起的各種干擾。

為此，本文針對(duì)納米加工設(shè)計(jì)了基于干擾觀測(cè)器的超精密定位工作臺(tái)，該工作臺(tái)由空氣靜壓軸承懸浮，并由音圈電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于激光干涉儀反饋的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將其與PID控制和加速度前饋補(bǔ)償一起使用?？蛰d定位精度測(cè)試和實(shí)際切削性能實(shí)驗(yàn)證明了該工作臺(tái)的高剛度、納米定位能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 納米級(jí)空氣靜壓工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作臺(tái)系統(tǒng)原理

圖1為本文的納米級(jí)空氣靜壓工作臺(tái)運(yùn)行原理。對(duì)于各驅(qū)動(dòng)軸而言，工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部分由空氣靜壓軸承懸浮，并在非接觸狀態(tài)下由高精度音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這樣，可以有效消除系統(tǒng)中各種非線性干擾因素，并使結(jié)構(gòu)中存在的裝配誤差最小化?；谠撓到y(tǒng)可以建立精確的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，可以使用干擾觀測(cè)器對(duì)其加工過(guò)程中的切削力進(jìn)行精密檢測(cè)。因此，通過(guò)對(duì)切削力估計(jì)值的反饋可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的控制性能。

圖1 空氣靜壓工作臺(tái)組成原理

1.2 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)配置

圖2為工作臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置，其基本參數(shù)如表1所示。8個(gè)無(wú)力矩波紋的單極型音圈電機(jī)對(duì)稱地布置在工作臺(tái)四周。為了抑制工作臺(tái)的熱變形，將每個(gè)帶有線圈的磁軛固定在基座上，并將每個(gè)定子固定在工作臺(tái)上。由5個(gè)真空預(yù)加載多孔軸承懸浮的移動(dòng)工作臺(tái)可以放置在水平基座上。移動(dòng)工作臺(tái)和水平基座的主要材料是氧化鋁陶瓷(Al2O3)。因此，系統(tǒng)中不存在滯回、齒隙和熱漂移等非線性行為。整個(gè)工作臺(tái)由主動(dòng)隔振系統(tǒng)支撐，如圖3所示。

圖2 空氣靜壓工作臺(tái)結(jié)構(gòu)配置

表1 工作臺(tái)參數(shù)

圖3 主動(dòng)隔振系統(tǒng)支撐的工作臺(tái)外觀

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)原理。XYC工作臺(tái)的精密運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)控制8個(gè)音圈電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。音圈電動(dòng)機(jī)VC1，VC2，VC3和VC4產(chǎn)生推拉力以控制X軸運(yùn)動(dòng)，VC5，VC6，VC7和VC8產(chǎn)生推力以控制Y軸運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在相對(duì)位置的四個(gè)音圈電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用上述控制程序，可以實(shí)現(xiàn)C軸運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，C軸運(yùn)動(dòng)用于補(bǔ)償小于1 μrad的定向誤差。由于工作臺(tái)幾何形狀的對(duì)稱性，所有驅(qū)動(dòng)力始終作用于質(zhì)心，因此驅(qū)動(dòng)軸之間的相互依賴性很小。

圖4 空氣靜壓工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理

1.4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖。各軸上的工作臺(tái)位置由外差激光干涉儀和兩個(gè)固定在移動(dòng)工作臺(tái)上的條形鏡測(cè)量。在該系統(tǒng)中，基于激光干涉儀反饋的全閉環(huán)控制系統(tǒng)與PID控制和加速度前饋補(bǔ)償一起使用。

圖5 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

圖5中,Xref,Yref,Cref為各驅(qū)動(dòng)軸參考輸入；Km為音圈電機(jī)推力常數(shù)；M為工作臺(tái)質(zhì)量；D為驅(qū)動(dòng)軸與工作臺(tái)重心之間的距離；J為工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

理論上，工作臺(tái)在X/Y/C軸上的靜剛度是無(wú)窮大的，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)是通過(guò)閉環(huán)控制器定位的。此外，在每個(gè)軸的控制系統(tǒng)中都采用了基于干擾觀測(cè)器的切削力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖6為X軸的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用驅(qū)動(dòng)力命令和測(cè)得的工作臺(tái)位置精確計(jì)算切削力，甚至在加工過(guò)程中也可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng)控制。

圖6 無(wú)傳感器監(jiān)控與反饋系統(tǒng)

2 空載定位性能

在無(wú)切削負(fù)載的情況下對(duì)工作臺(tái)的定位性能進(jìn)行了研究。圖7為工作臺(tái)的階躍響應(yīng)。由圖7可知，X,Y軸的定位精度可達(dá)1 nm，C軸的定位精度可達(dá)0.1 μrad，而且各運(yùn)動(dòng)軸間無(wú)相互干擾，即驅(qū)動(dòng)特性彼此獨(dú)立。為了評(píng)價(jià)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的跟蹤誤差，研究了采樣周期為2 Hz、半徑為100 nm的圓周運(yùn)動(dòng)。圖8為XY平面中圓周運(yùn)動(dòng)的跟蹤結(jié)果。由圖8可知，跟蹤誤差小到可以忽略不計(jì)，即使加速度連續(xù)不斷變化，也可以實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸上的跟蹤誤差小于1 nm。在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，系統(tǒng)中不存在諸如反沖之類的非線性現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，且沒有象限毛刺和反轉(zhuǎn)誤差。此外，工作臺(tái)系統(tǒng)確保了X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)的均勻性，這樣便無(wú)需對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的超精密工作臺(tái)在納米定位方面具有優(yōu)越性能。

圖7 工作臺(tái)階躍響應(yīng)

(a) 運(yùn)動(dòng)示意圖

(b) 跟蹤誤差及角位移

3 超精密切削性能

基于所設(shè)計(jì)的納米定位工作臺(tái)，利用金剛石刀具進(jìn)行了切削加工實(shí)驗(yàn)。表2為納米加工工藝參數(shù)，圖9為納米加工過(guò)程中的切削力和跟蹤誤差。雖然在加工的起點(diǎn)和終點(diǎn)，Y軸上的跟蹤誤差出現(xiàn)瞬時(shí)增加，但通過(guò)干擾觀測(cè)器對(duì)切削力進(jìn)行估算并反饋，可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中X軸上的跟蹤誤差小于±2 nm，Y軸上的跟蹤誤差小于±5 nm。

表2 納米加工工藝參數(shù)

圖9 加工過(guò)程中跟蹤誤差

利用金剛石刀具對(duì)無(wú)氧銅工件進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，切削表面的掃描探針顯微圖象如圖10所示，其粗糙度為Ra3.2 nm。為了評(píng)價(jià)該工作臺(tái)在加工硬質(zhì)和脆性材料方面的性能，使用刀尖半徑為0.8 mm的單晶金剛石刀具對(duì)碳化鎢(WC)進(jìn)行加工。由圖11的切屑實(shí)驗(yàn)可知，WC的加工具有一定的延展性。以上加工實(shí)驗(yàn)表明，納米級(jí)空氣靜壓工作臺(tái)具有抵抗動(dòng)態(tài)切削力干擾的作用，可應(yīng)用于納米加工。

圖10 加工表面的掃描探針顯微圖象

圖11 WC的切屑

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)空氣靜壓工作臺(tái)系統(tǒng)，并對(duì)其空載定位性能和實(shí)際金屬切削性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)，所得結(jié)論如下：

1) 設(shè)計(jì)了基于干擾觀測(cè)器的切削力反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的金屬切削加工。

2) 即使在有動(dòng)態(tài)切削力干擾的條件下，工作臺(tái)系統(tǒng)在XY平面中也具有納米級(jí)定位能力。

3) 該工作臺(tái)系統(tǒng)具有高剛度和高穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)和脆性材料的納米加工。