超精密定位中的幾項(xiàng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

1、超精密定位中的幾項(xiàng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)精加工研究室王 波 董 申 趙萬(wàn)生摘要通過(guò)結(jié)合自已的實(shí)際工作,分別從伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu),位置檢測(cè)技術(shù),數(shù)控及伺服控制等幾個(gè)方面對(duì)超精密機(jī)床的定位系統(tǒng)進(jìn)行了說(shuō)明。關(guān)鍵詞:超精密加工 定位 伺服控制 激光干涉儀AbstractT his paper states the position system o f the super-precision machine from the follow ing aspects:such as ser vo feeding mechanism,position detecting technology ,numeric

2、al control and servo control,etc.Keywords:super-precision machining positioning servo co ntrol laser interferometer 1 概述超精密加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征,并在微電子工業(yè)、光學(xué)儀器制造及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超精密加工最終表現(xiàn)為機(jī)床的移動(dòng)部件間的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng),因此,超精密定位是超精密加工的前提。定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度將直接影響到超精密加工的尺寸精度和表面粗糙度。超精密加工一詞最早于本世紀(jì)60年代初出現(xiàn)于美國(guó),從那時(shí)起,隨著加工精度的不斷提高,超精密定位的精度

3、也由亞微米級(jí)提高到了納米級(jí)甚至亞納米級(jí)。1986年、1990年、1994年,日本精密工學(xué)會(huì)曾就超精密定位所應(yīng)具有精度指標(biāo)對(duì)有關(guān)企業(yè)和研究單位進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查,統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值大約為:1986年 011L m1990年 01038L m 1994年 010078L m目前國(guó)際上已經(jīng)取得共識(shí)的超精密定位的標(biāo)準(zhǔn)是:定位精度在011L m 以下,相對(duì)精度在10-7以下。 超精密定位技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。它涉及到了光學(xué)檢測(cè)技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其他一些周邊支撐技術(shù),如溫控技術(shù)、隔振技術(shù)等。本文在結(jié)合自已的實(shí)際工作的基礎(chǔ)上,力圖從伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、N C 裝置、控制策略、位置檢測(cè)技術(shù)等幾個(gè)

4、方面對(duì)超精密定位各相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行介紹。2 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)機(jī)床的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)是將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的變換裝置,目前,在國(guó)內(nèi)外所研制的各類超精密機(jī)床中,最常用的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要有:滾珠絲杠、摩擦驅(qū)動(dòng)裝置和液體靜壓絲杠。其中,滾珠絲杠由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易制造,安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),更是在超精密定位中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),有三分之一以上的各類超精密機(jī)床采用了滾珠絲杠作為伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)。超精密加工機(jī)床中使用的滾珠絲杠一般為C0級(jí)。滾珠絲杠的絲杠和螺母之間及絲杠和支撐軸承之間的接觸剛度是有限的,在微小的位移范圍內(nèi)表現(xiàn)為明顯的非線性特性。當(dāng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器分別施加一遞增電壓信號(hào)和一先遞增

5、后遞減的力矩電壓信號(hào),得到了如圖1、圖2所示的曲線,有人稱此為滾珠絲杠的微動(dòng)特性。利用這一現(xiàn)象,在采用閉環(huán)控制的條件下,向電機(jī)輸入50nm 的位置信號(hào),得到定位機(jī)構(gòu)的應(yīng)曲線如圖3所示,可見利用滾珠絲杠進(jìn)行超精定位時(shí)響,其穩(wěn)定位置誤差小于0101L m 。另一圖1 力矩-位移曲線一 圖2 力矩-位移曲線二方面,正是由于彈性接觸變形問(wèn)題的存在,減低了伺服系統(tǒng)的剛度,使伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞,并對(duì)械諧振的衰減性機(jī)不好。隨著加工零件精度的不斷提高,下一代的超精密加工機(jī)床的伺服系統(tǒng)要求具有非常高的伺服剛度和納米甚至亞納米級(jí)的位置分辨率,滾珠絲杠顯然已無(wú)法適應(yīng)這種要求。日本鳥取大學(xué)工學(xué)部的水本洋先生將液體

6、靜壓絲杠、雙轉(zhuǎn)子摩擦機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)塔式摩擦機(jī)構(gòu)分別與A C 伺服電機(jī)相結(jié)合,采用相同的液體靜壓導(dǎo)軌,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了最低分辨率的測(cè)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢?液體靜壓絲杠的綜合性能是最好的,它將是一種非常有前途的下一代超精密機(jī)床 用的位置伺服機(jī)構(gòu)。圖3 閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線表1 超精密位置傳送機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比類 別轉(zhuǎn)塔式摩擦驅(qū)動(dòng)雙輥?zhàn)幽Σ硫?qū)動(dòng)靜壓絲杠螺距/mm 311401066減速比1:11:16761:16行程/mm 8080210分辨率/nm 1012011行程/分辨率804002100電機(jī)分辨率1/301061/0131061/601063 數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前的超精密加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)幾乎

7、全部采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方式,它主要由總體邏輯控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)指令給定系統(tǒng)和位置伺服控制系統(tǒng)組成。我們只討論位置伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)位置信號(hào)的反饋形式,伺服系統(tǒng)可以大致分為開環(huán)控制型、半閉環(huán)補(bǔ)償型和全閉環(huán)控制型等3種。其中開環(huán)控制型適合以步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,易于安裝調(diào)試,但精度太差,用無(wú)法于超精密機(jī)床的定位系統(tǒng)。半閉環(huán)補(bǔ)償型伺服系統(tǒng)采用角位移閉環(huán),而不是工作臺(tái)的線性位移,采用這種系統(tǒng)一方面可以得到很高的重復(fù)定位精度,另一方面,由于再控制環(huán)路中沒(méi)有包含機(jī)床傳動(dòng)部件的螺距誤差、回程間隙、機(jī)構(gòu)的彈性變形等因素,因此其定位精度很差,它適合于一些加工工件比較簡(jiǎn)單的機(jī)床。如端面外圓

8、加工車床,其定位精度可以通過(guò)對(duì)激光干涉儀的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)保證,現(xiàn)在的超精密機(jī)床不僅要求進(jìn)行端面和外圓的加工還要求可以進(jìn)行非球曲面的加工,這就對(duì)伺服系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,據(jù)統(tǒng)計(jì)有80%以上的超精密機(jī)床采用全閉環(huán)位置控制方案。位置伺服系統(tǒng)一般是在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上外加位置控制環(huán)來(lái)組成,目前占主流的位置伺服控制系統(tǒng)多采用三環(huán)串級(jí)控制的數(shù)字伺服控制方式。原理圖如圖4所示。為了得速到速度和力矩信號(hào)的快響應(yīng),增大系統(tǒng)的伺服剛度,采用速度環(huán)和電流環(huán)多模擬電路來(lái)組成。為了獲得極高的位置分辨率和位置精度,位置環(huán)多采用數(shù)字控制方式。近年來(lái) ,圖4 三環(huán)串級(jí)位置伺服系統(tǒng)原理圖隨著對(duì)伺服系統(tǒng)性能的要求不

9、斷提高,高性能的微處理器和DSP 在控制電路中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,如Delta T au 數(shù)字系統(tǒng)公司的運(yùn)動(dòng)控制器PM AC 采用M otor ola 公司的DSP56001,其伺服周期可以高達(dá)60L s,這無(wú)疑將極大地提高系統(tǒng)的控制性能。4伺服控制策略計(jì)算機(jī)性能的迅速提高使許多先進(jìn)的控制策略的實(shí)際應(yīng)用成為可能。我們知道超精密領(lǐng)域的定位與常規(guī)意義上的定位是有很大的區(qū)別的,它面臨著許多新的問(wèn)題,如在極小的位移范圍內(nèi)的明顯的非線性現(xiàn)象在極微小范圍內(nèi)的系統(tǒng)模型的變化和在超精密測(cè)量時(shí)引入的測(cè)量噪聲等。為了解決以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者做了許多努力。如Po1I對(duì)滾珠絲杠的微動(dòng)特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究

10、,并在此基礎(chǔ)上提出了一種變模式模型參考自適應(yīng)控制策略,以充分利用滾珠絲杠的宏/微動(dòng)態(tài)特性來(lái)進(jìn)行納米級(jí)定位,但作者沒(méi)有明確給出宏/微動(dòng)態(tài)特性的臨界點(diǎn),以及在臨界點(diǎn)進(jìn)行正反向定位的穩(wěn)定性問(wèn)題。為了提高伺服系統(tǒng)的位置跟蹤精度,M. T omizuka提出了一種零相位滯后控制策略,它是建立在控制器的零極點(diǎn)與控制對(duì)象的零極點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)消的基礎(chǔ)之上的,而實(shí)際上當(dāng)系統(tǒng)模型的參數(shù)變化很大時(shí),伺服系統(tǒng)零相角滯后是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。另外,為解決超精密位置伺服機(jī)構(gòu)中stick/slip摩擦問(wèn)題,Canudas de wit,c在綜合前人工作的基礎(chǔ)上,建立了一個(gè)具有線性化參數(shù)的摩擦模型,并在此基礎(chǔ)上,提出了一套自適應(yīng)復(fù)合補(bǔ)償策

11、略。實(shí)際上,由于低速條件下的伺服機(jī)構(gòu)摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象,不可能用一個(gè)模型來(lái)精確地描述。用一個(gè)不精確的模型為參考來(lái)補(bǔ)償摩擦力,容易產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償,引起系統(tǒng)的振蕩。以上針對(duì)各專門問(wèn)題提出的控制策略,在特定問(wèn)題上是有效的,但在實(shí)際應(yīng)用中是有很大的局限性的。由于我們對(duì)超精密定位過(guò)程的機(jī)理的研究尚不充分,所建立起來(lái)的模型誤差較大,控為各種先進(jìn)的制理論的應(yīng)用帶來(lái)了不便,因此,在古典控制理論超精密位置控制中仍得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)日本精密工學(xué)會(huì)超精密定位專門委員會(huì)所做的統(tǒng)計(jì)表明,在目前日本研制的各類超精密機(jī)床中,有70%以上使用了PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器采用比例微分超前作用來(lái)對(duì)消調(diào)節(jié)對(duì)象中的大慣性,它屬于

12、一種串聯(lián)較正。當(dāng)控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化時(shí),控制器的零極點(diǎn)的對(duì)消作用會(huì)喪失,從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此PID校正多用于負(fù)載較輕,擾動(dòng)不大,非線性因素不太突出的場(chǎng)合。實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)中往往存在著摩擦、間隙等現(xiàn)象,使系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械諧振。為了進(jìn)一步提高PID調(diào)節(jié)器的性能,可在控制系統(tǒng)中引入被調(diào)量的微分負(fù)反饋,形成一 種很有效的并聯(lián)校正,如圖5所示。它有助于抑制圖5并聯(lián)控制原理圖超調(diào)減小振蕩,提高系統(tǒng)的快速性,這樣既保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),又保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。同時(shí),由于并聯(lián)校正具有反饋的性質(zhì),對(duì)被包圍在反饋環(huán)內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)變化和摩擦、間隙、彈性接觸等問(wèn)題都帶有一定抑制作用,從而鎮(zhèn)定控制對(duì)象的特性,提高其

13、線性度。但微分負(fù)反饋容易引入較大的噪聲干擾,這在超精密定位時(shí)是不可忽視的。當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)的各階導(dǎo)數(shù)可以測(cè)量或?qū)崟r(shí)計(jì)算時(shí),利用輸入信號(hào)的各階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行前饋控制,可以構(gòu)成前饋控制和反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制。如圖6所示。其傳遞函數(shù)為:圖6復(fù)合控制原理圖G(s=P(s#C1(s+P(s#C2(s1+P(s#C1(s(1當(dāng)C2(s=P(s時(shí),G(s=1,也就是說(shuō)該隨動(dòng)系統(tǒng)既無(wú)動(dòng)態(tài)誤差也無(wú)靜態(tài)誤差,我們稱之為實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)完全不變性。在實(shí)際應(yīng)用中,引入速度前饋可以減小微分增益或測(cè)速發(fā)電機(jī)環(huán)路阻尼所引起的跟蹤誤差,慣性所帶來(lái)的跟蹤誤差與加速度成正比,因此它可以由加速度前饋來(lái)補(bǔ)償。在研制HCM-30型超精密機(jī)床

14、位置伺服控制系統(tǒng)時(shí),采用了PI D調(diào)節(jié)與速度和加速度前饋相結(jié)合的復(fù)合控制策略,原理圖如圖7所示。在此基礎(chǔ)上采用積分分離和加陷波濾波器來(lái)進(jìn)一步抑制伺服系統(tǒng)的機(jī)械諧振,取得了良好的效果。5位置測(cè)量系統(tǒng)超精密位置伺服控制器需要超精密的位置檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)地反饋位置信號(hào),位置伺服系統(tǒng)的位置精度也最終通過(guò)位置檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)評(píng)定,可以說(shuō)位置檢測(cè)精度直接決定了位置控制精度。通常認(rèn)為,超圖7超精密車床位置伺服系統(tǒng)實(shí)例精密位置測(cè)量應(yīng)滿足以下條件:測(cè)量分辨率/測(cè)量范圍<10-8,或者測(cè)量精度/測(cè)量范圍<10-7.位置伺服系統(tǒng)是一種典型的機(jī)電系統(tǒng),電機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)之間不可避免地存在著耦合性不好的問(wèn)題。對(duì)于采用三

15、環(huán)串級(jí)控制方式的伺服系統(tǒng),位置環(huán)與速度環(huán)的反饋信號(hào)均取自工作臺(tái),這樣容易使伺服系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)振蕩,從而嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能。因此,在高性能的伺服系統(tǒng)中一般采用雙反饋方式,即伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)的反饋信號(hào)分別取自工作臺(tái)和電機(jī),如圖4所示。其中,位置環(huán)反饋可以通過(guò)激光干涉儀或光柵尺來(lái)實(shí)現(xiàn),速度環(huán)的反饋可以通過(guò)與電機(jī)同軸的光電編碼器或感應(yīng)同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙頻激光干涉儀是一種最常用的超精密位置測(cè)量裝置,它以激光在真空中的波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn),可以達(dá)到納米級(jí)的測(cè)量分辨率。但在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中,激光束在空氣中通過(guò)時(shí),其波長(zhǎng)受氣壓、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的影響而反生變化,從而使其測(cè)量精度降低。另外在布置光路時(shí),

16、不可避免地存在著阿貝誤差和余弦誤差,進(jìn)一步降低了測(cè)量精度。實(shí)際的激光干涉儀測(cè)量精度一般在?011L m 左右。光柵尺是通過(guò)記錄靜尺和動(dòng)尺相互移動(dòng)對(duì)產(chǎn)生的莫爾斯干涉條紋數(shù)來(lái)測(cè)量位移的。德國(guó)Heider-hain公司生產(chǎn)的光柵的測(cè)量分辨率為01001L m,測(cè)量精度為?011L m,北京光電量?jī)x研究中心研制的光柵的測(cè)量分辨率為010001L m,測(cè)量精度為? 0101L m,測(cè)量范圍為100mm,因此,光柵與激光干涉儀具有基本相同的沒(méi)量精度,但它除了受溫度的影響之外,幾乎不受其他環(huán)境因素的影響,使用維護(hù)非常方便?，F(xiàn)在有越來(lái)越多的超精密機(jī)床開始采用光柵尺作為位置反饋元件,如美國(guó)RankPneu-mo公司的N anoform250,日本東芝機(jī)械研制的U LG-100A等。由哈爾濱工