陳琦

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)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(dòng)臺(tái)的研制

陳琦

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

在超精密光學(xué)工程等領(lǐng)域，為了滿足大質(zhì)量部件的超精密進(jìn)給定位應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并研制了一種大載荷的納米定位平臺(tái)。該納米微動(dòng)承載臺(tái)采用雙閉式氣浮導(dǎo)軌，由壓電陶瓷致動(dòng)器結(jié)合柔性鉸鏈提供驅(qū)動(dòng)，通過電容微位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測終端承載臺(tái)位移并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，有效地克服了壓電陶瓷致動(dòng)器的非線性影響因素，并消除了系統(tǒng)由于形變或應(yīng)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(dòng)機(jī)構(gòu)上增設(shè)了雙導(dǎo)軌氣浮承載臺(tái)，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的載荷能力，氣浮均化效應(yīng)也提高了系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)行的直線性，雙壓電推拉式驅(qū)動(dòng)方式提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)用，降低了系統(tǒng)運(yùn)行尤其是測量系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件苛刻的要求，也保證了平臺(tái)進(jìn)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(dá)±2 nm，行程大于10μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大載荷納米微動(dòng)臺(tái)能夠滿足大質(zhì)量部件的納米級(jí)超精密定位需求。

納米定位；壓電陶瓷；氣浮導(dǎo)軌；電容微位移傳感器

隨著當(dāng)前精密工程技術(shù)和尖端科學(xué)研究領(lǐng)域的高速發(fā)展，納米級(jí)微定位技術(shù)的需求也與日俱增，納米級(jí)的高分辨率、高精度且高可靠性的微動(dòng)平臺(tái)，在大面積光柵制作和大口徑主動(dòng)光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，在納米機(jī)械加工、微電子、微機(jī)電系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域所采用的納米級(jí)微定位技術(shù)，普遍采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈直接驅(qū)動(dòng)的方案，壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、快速頻響以及沒有發(fā)熱問題等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種精密定位場合［1-3］。傳統(tǒng)的直驅(qū)方案結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位噪聲小，但載荷能力差，采用電阻應(yīng)變片式位移傳感器實(shí)現(xiàn)反饋也難以滿足全行程納米級(jí)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(duì)使用環(huán)境條件要求苛刻等問題［5］，這些問題使得納米級(jí)定位技術(shù)在具體的生產(chǎn)應(yīng)用中，尤其是在超精密光學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用中受到嚴(yán)重限制。

本系統(tǒng)采用工控機(jī)作為控制平臺(tái)，由雙壓電陶瓷致動(dòng)器結(jié)合柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)基于雙閉式氣浮導(dǎo)軌的承載臺(tái)［6-7］，由電容微位移傳感器實(shí)時(shí)檢測承載臺(tái)的位移并反饋給工控機(jī)形成閉環(huán)控制［8］。在保證了載荷能力和進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)

大載荷納米微動(dòng)臺(tái)由氣浮承載臺(tái)和微動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2大部分組成，如圖1所示。

圖1 納米微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣浮承載臺(tái)由2根閉式氣浮導(dǎo)軌和承載工作臺(tái)組成。定導(dǎo)軌采用花崗巖，動(dòng)導(dǎo)軌以及承載工作臺(tái)采用鋁基復(fù)合材料，這2種材料都具有強(qiáng)度高且線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。氣體靜壓定導(dǎo)軌兩側(cè)均采用典型的V型支撐結(jié)構(gòu)。微動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具體由壓電陶瓷致動(dòng)器和柔性鉸鏈框組成，具體結(jié)構(gòu)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(tái)固接，當(dāng)內(nèi)外框之間的2個(gè)壓電陶瓷同步產(chǎn)生推拉式位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣浮承載臺(tái)也就與固定基座發(fā)生同步相對(duì)運(yùn)動(dòng)。氣浮承載臺(tái)的位移情況由電容微位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，并保證被測點(diǎn)沿進(jìn)給方向與承載臺(tái)質(zhì)心等高。

圖2 微動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

該大載荷納米微動(dòng)臺(tái)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(jī)給定目標(biāo)位移值，并通過USB接口發(fā)出相應(yīng)指令到壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，由該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生2個(gè)推拉式的高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)2個(gè)壓電陶瓷致動(dòng)器同步伸縮運(yùn)動(dòng)，每個(gè)壓電陶瓷致動(dòng)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(gè)大閉環(huán)的伺服周期內(nèi)對(duì)壓電陶瓷單體的單步位移進(jìn)行前饋與半閉環(huán)反饋控制。然后工控機(jī)依據(jù)電容微位移傳感器采集到的終端微動(dòng)臺(tái)的位移進(jìn)行全閉環(huán)反饋控制，微量調(diào)節(jié)2個(gè)壓電陶瓷的推拉式輸出位移，實(shí)現(xiàn)納米微動(dòng)臺(tái)的超精密定位。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工控機(jī)采用研華IPC610H型，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)器E-508、伺服控制器E-509和2個(gè)壓電陶瓷致動(dòng)器單體。E-517能夠通過USB接口與上位機(jī)通信，具有24位A／D、D／A和數(shù)顯功能；E-508標(biāo)準(zhǔn)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(dá)0.1%。壓電陶瓷致動(dòng)器選用的是P-225.1S型，分辨率0.3 nm，閉環(huán)行程15μm，推力達(dá)12 500 N。上述模塊化的單元全都可配置在控制系統(tǒng)機(jī)箱E-500.00中。

電容微位移傳感器是整個(gè)系統(tǒng)精度實(shí)現(xiàn)的必要條件，由于其具有非接觸測量、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)，并且具有亞納米級(jí)分辨率以及納米級(jí)精度，在小行程、高精度應(yīng)用需求的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)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(fù)性0.15 nm，溫度穩(wěn)定性－10×10－6／℃，出廠校正精度達(dá)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(dòng)臺(tái)10μm的最大行程計(jì)算，則對(duì)應(yīng)系統(tǒng)測量精度將達(dá)2 nm。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)定位控制算法采用串級(jí)控制，主回路利用電容微位移傳感器對(duì)微動(dòng)臺(tái)的實(shí)時(shí)位移進(jìn)行監(jiān)測，采用PI控制算法［10］，完成納米級(jí)或亞納米級(jí)微量的調(diào)整，保證納米微動(dòng)臺(tái)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(bǔ)償用來消除壓電陶瓷致動(dòng)器的非線性影響，反饋控制用來提高壓電陶瓷單體對(duì)目標(biāo)位移的跟蹤能力，該復(fù)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(tái)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(dòng)臺(tái)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(yùn)動(dòng)的操控功能，并顯示2個(gè)壓電陶瓷單體的絕對(duì)伸長量信息。電容微位移顯示區(qū)對(duì)微動(dòng)臺(tái)的絕對(duì)位置進(jìn)行跟蹤。微動(dòng)臺(tái)閉環(huán)監(jiān)控區(qū)設(shè)計(jì)了相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)位移運(yùn)動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室采用房中房結(jié)構(gòu)，外層房設(shè)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(jī)、壓電陶瓷控制系統(tǒng)等熱源從核心工作間隔離開。整個(gè)裝置放置在一個(gè)具有獨(dú)立混凝土地基的重達(dá)10 t的花崗巖隔振平臺(tái)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(duì)材料穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度的影響。

圖6 連續(xù)相對(duì)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)曲線

使該納米微動(dòng)臺(tái)工作于相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)模式，連續(xù)往同一方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)7個(gè)步距，每個(gè)步距為50 nm，通過電容微位移傳感器全程監(jiān)測進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)驗(yàn)曲線如圖6所示。在進(jìn)給定位過程中過渡時(shí)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(duì)穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均處理之后結(jié)果如表1所示。

表1 步進(jìn)定位穩(wěn)態(tài)階段試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該納米微動(dòng)臺(tái)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(yīng)變等因素消除，最終定位誤差成隨機(jī)分布狀態(tài)，但對(duì)于納米級(jí)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(shí)驗(yàn)條件下，短期定位噪聲階段性波動(dòng)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(jìn)一步改進(jìn)，要求微動(dòng)臺(tái)定位在某一固定位置時(shí)，長期來看會(huì)產(chǎn)生低頻的偏移。

4 結(jié)束語

本文建立了一個(gè)較為完整的大載荷納米級(jí)閉環(huán)微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，以壓電陶瓷結(jié)合柔性鉸鏈作為驅(qū)動(dòng)部件，采用雙壓電陶瓷同步推拉式驅(qū)動(dòng)，結(jié)合雙閉式氣浮導(dǎo)軌技術(shù)，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(jìn)50 nm的實(shí)驗(yàn)曲線。該納米微動(dòng)臺(tái)在100 kg載荷情況下，行程可達(dá)10μm，定位精度達(dá)2 nm，該微動(dòng)臺(tái)可與其他進(jìn)給方式相結(jié)合，進(jìn)給行程可擴(kuò)大，應(yīng)用范圍就可得到進(jìn)一步拓展。

［1］李明，薛晨陽，翟成瑞.壓電陶瓷微位移器特性測試實(shí)驗(yàn)研究［J］.納米科技，2009，6（3）：61-64.

［2］韓同鵬，李國平，沈杰.基于壓電陶瓷微位移執(zhí)行器的精密定位技術(shù)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（2）：51-53.

［3］趙小興，姜偉，李巍.壓電陶瓷作動(dòng)器非對(duì)稱遲滯的建模與補(bǔ)償控制［J］.機(jī)電工程，2013，30（2）：138-140.

［4］蔣志濤，劉品寬，溫志杰.基于LVDT和SGS的微定位嵌入式控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）：82-84，103.

［5］于海利.基于雙頻激光干涉測量的大行程納米定位技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2011：28-35.

［6］齊乃明，陶家生，關(guān)英姿，等.氣浮導(dǎo)軌誤差均化作用的探討［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，29（1）：61-63.

［7］王俊峰，鮑莉.基于靜壓氣浮導(dǎo)軌的測量儀工作臺(tái)的研制［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（18）：33-34，52.

［8］王碧波，岳金福，周澤兵，等.基于二維精密電容微位移傳感器的二維納米定位系統(tǒng)［J］.納米技術(shù)與精密工程，2005，3（2）：137-141.

［9］劉瑾，楊海馬，陳軍，等.電容傳感器的信號(hào)處理及其在機(jī)床主軸熱變形測量中的應(yīng)用研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（1）：149-154.

［10］劉泊，郭建英，孫永全.壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器建模與仿真［J］.光學(xué)精密工程，2013，21（6）：1503-1509.

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(shè)備研制專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（61227901）.

陳琦（1961-），男，研究員.

陳琦，E-mail：chenqi＠ciomp.ac.cn.