步进式电机.doc

1 目 录 第一章 绪论 1 1 1 超高真空扫描探针显微镜 UHVSPM 概况 1 1 2 微位移工作台的研究现状 2 1 3 惯性式步进驱动器的研究状况 5 1 4 本论文主要内容 8 第二章 惯性式步进器的工作原理 9 2 1 引言 9 2 2 压电陶瓷 9 2 3 柔性铰链 10 2 4 惯性元器件 14 第三章 惯性式压电步进器控制系统 17 3 1 总体设计 17 3 2 驱动电源 17 3 3 软件控制 19 第四章 压电步进器运动性能测试 23 4 1 实验设计 23 4 2 压电陶瓷标定实验 25 4 3 压电步进器双轴运动性能测试 26 第五章 压电步进器优化设计 32 5 1 微位移工作台结构简化 32 2 5 2 微位移工作台的限位装置 34 第六章 总结与展望 36 参考文献 37 外文资料 中文译文 致谢 Comment xly1 2 5 章最后加一个小 标题 小结 如 5 3 小结 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪论 1 1 超高真空扫描探针显微镜 UHVSPM 概况 扫描探针显微镜 Scanning Probe Microscopes 简称 SPM 包括扫描隧道显微 镜 STM 原子力显微镜 AFM 激光力显微镜 LFM 磁力显微镜 MFM 静电力显微镜以及扫描热显微镜等 是一类完全新型的显微镜 它 们通过其端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情 况 便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征 超 高真空扫描探针显微镜 UHVSPM 是研究表面物理和超导物理等学科的重要 仪器之一 与大气环境的扫描探针显微镜工作原理相同 但由于 UHVSPM 工作于 超高真空环境这个特殊性 仪器中很多部件不能按照大气环境 SPM 设计 其中 样品定位机构便不能采用普通的步进电机 1 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope 缩写为 STM 它作为 一种扫描探针显微术工具 扫描隧道显微镜可以让 科学家观察和定位单个 原子 它具有比它的同类 原子力显微镜 更加高的分辨率 此外 扫描隧道 显微镜在低温下 4K 可以利用探针尖端精确操 纵原子 因此它在 纳米科技 既是重要的测量工具又是加工工具 STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与 表面电子行为有关的物化性质 在表面科学 材料科学 生命科学等领域 的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景 被国际科学界公认为20 世纪 80 年代世界十大科技成就之一 1 1 1 国外概况 扫描隧道显微镜 STM 于 1981 年由格尔德 宾宁 G Binning 及海因里 希 罗雷尔 H Rohrer 在 IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明 两位发 明者因此与恩斯特 鲁斯卡分享了 1986 年诺贝尔物理学奖 自从 1933 年德国 Ruska 和 Knoll 研制了第一台电子显微镜以来 许多用于 表面结构分析的现代仪器相继问世 如透射电子显微镜 TEM 扫描电子显微 镜 SEM 场离子显微镜 FIM 俄歇电子能谱仪 AES 等等 但是 多数技 术都无法直接观测物体的微观世界 1982 年 国际商业机器公司 IBM 苏黎世 研究所的 Gerb Binning 和 Heinrich Rohrer 及其同事们成功地研制出世界上第一 台扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 简称 STM 它使人类第一 次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态 并能够研究其相关的 物理和化学特性 继 1982 年发明在真空条件下工作的 STM 以来 扫描隧道显微 技术及其应用得到了迅猛发展 1984 年 STM 先后用于在大气 蒸馏水 盐水和 电解液环境下研究不同物质的表面结构 1986 年 Binning 和 Rohrer 获得诺贝 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 2 尔物理学奖 STM 是继高分辨透射电子显微镜 场离子显微镜之后 第三种以 原子尺寸观察物质表面结构的显微镜 其分辨率水平方向可达 0 04nm 垂直方 向可达 0 01nm 它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折 甚至可以 说标志着纳米技术研究的正式起步 因其具有原子和纳米尺度的分析和加工的 能力 在纳米技术的发展中占有着极其重要的地位 使用 STM 物理学家和化 学家可以研究原子之间的微小结合能 制造人造分子 生物学家可以研究生物 细胞和染色体内的单个蛋白质和 DNA 分子的结构 进行分子切割和组装手术 材料学家可以分析材料的晶格和原子结构 考察晶体中原子尺度上的缺陷 微 电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件 1988 年 国外开始对 AFM 进行改进 研制出了激光检测原子力显微镜 LASER AFM 以 STM 和 AFM 为 基础 衍生出了一系列的扫描探针显微镜 SPM 如激光力显微镜 LFM 磁 力显微镜 MFM 扫描电化学显微镜 SECM 近光光学显微镜 SNOM 扫 描离子电导显微镜 SICM 等等 扫描探针显微镜 SPM 标志着对物质表面在纳 米级上成像和分析的一个新技术领域的诞生 必将为纳米技术的发展注入新的 活力 1 1 2 国内概况 在国内 STM 起步比较晚 中国科学院化学所白春礼等人在 1988 年初成功地研制了中国第一台集计算 机控制 数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜 STM 在同年年 底又研制出中国第一台原子力显微镜 AFM 其性能一下子就达到了原子级分 辨率 后来又在已有的 STM 和 AFM 基础上 成功地研制出中国首台全自动 Laser AFM 其横向分辨率为 0 13nm 1993 年 6 月 我国第一台光子扫描隧道显微镜由大连理工大学物理系和中 科院北京电镜实验室联合研制成功 著名科学家王大琦 郭可信 于福嘉等参 加的鉴定会认为 这一实验装置图像分辨率横向优于 10 纳米 纵向优于 1 纳米 扫描范围达 10um l0um 具有微机自控图像采集与处理功能 其主要技术性能 达到国内领先水平 2 1 2 微位移工作台的研究现状 1 2 1 微位移系统研究的背景和意义 高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域 内占有极其重要的地位 它是直接影响精密 超精密切削加工水平 精密测量 水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节 同时它的各项技术指标是各国 高技术发展水平的重要标志 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 3 随着科学技术的发展 更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统 例如 光纤对接 微细加工 微型机器人装配等 纳米技术被认为是 21 世纪的科技前沿 它的最终目标是直接以分子 原子 在纳米尺度上制造具有特定功能的产品 实现生产方式的飞跃 目前发达国家 都在纳米技术的研究上投入了大量的资金和人力 美国国家关键技术委员会将 纳米技术列为政府重点支持的 22 项关键技术之一 美国国家基金会亦将纳米技 术列为优先支持的关键技术之一 美国许多著名大学都设有纳米技术研究机构 如 北卡罗莱纳大学的精密工程中心 康乃尔大学的国家纳米加工实验室 路 易斯安那大学的微米制造中心等等 日本把纳米技术作为 ERATO 计划中 6 项 优先高技术探索项目之一 投资 2 亿美元发展纳米技术 筑波科学城的交叉学 科研究中心把纳米技术列入 2 个主要发展方向之一 英国国家纳米技术 NION 计划已开始实行 在英国的 Cranfield 大学成立了以纳米技术为研究 目标的精密工程中心 欧洲的其它国家也不示弱 把纳米技术列入了 尤里卡 计划 纳米定位技术作为关键技术之一将左右各学科纳米技术的发展 扫描隧道 显微镜 STM 和原子力显微镜 AFM 在其中扮演了极其重要的作用 它们 的核心也就是超精密的微位移系统 而我国在这方面的研究还比较落后 精密 超精密加工水平 大规模集成 电路的生产水平远远落后于美日等发达国家 因此 开展精密微位移系统的研 究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距 促进我国精密仪器仪表 精密超 精密加工水平的提高 有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展 促进 我国纳米技术方面的研究 1 2 2 微位移驱动器的研究现状 微位移系统包括微位移机构 检测系统 控制系统三部分 3 微位移机构 或称微动工作台 由微位移器和导轨组成 按形式可分为以下五类 平行弹 性导轨 机械式 电磁 压电或电致伸缩微位移器驱动 柔性支承 压电或电 致伸缩微位移器驱动 滚动导轨 压电或电致伸缩微位移器驱动 滑动导轨 机械式驱动 气浮导轨 伺服电机或直线电机驱动 基于压电陶瓷和柔性铰链的优点 越来越多的专家和学者对压电陶瓷驱动 的柔性铰链精密工作台进行了研究 其基本原理是以柔性铰链为导向机构的基 本单元及弹性支承组成微位移机构 以压电陶瓷驱动器为驱动机构 以柔性铰 链变形带动整个运动机构产生运动实现精密定位 主要的研究工作在于柔性铰 链平台设计优化 压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术以及精密工作台的控制 技术 4 1978年 美国国家标准局的Fredric E Scire和E Clayton Teague 5 首先采用 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 4 以柔性铰链为导向机构 以压电陶瓷微位移器为驱动元件的原理成功研制了一 维精密工件台 并应用于光学和电子显微镜 它采用杠杆原理与柔性铰链相结 合的整体式结构 利用叠层式压电陶瓷作为驱动元件 具有结构紧凑 无间隙 无摩擦 无需润滑 无轴承噪音等优点 在低频下运行没有内热产生 该精密 工件台的设计参数为lOOmm lOOmm 20mm 行程范围为0 50um 微位移分辨力 为lnm 1991年 日本学者K Nishimura 6 利用杠杆的放大和缩小原理设计了一种 精密工作台并将其应用在扫描隧道显微镜中 其工作原理如图1 1所示 该工作 台的设计尺寸为40mm 40mm 20mm 分辨力为0 1nm 图1 1 K Nishimura设计的精密工作台 2006年 伊利诺依大学香槟分校的QingYao 7 等人研制了并联微动XY平台 如图1 2所示 该微动工作台用压电陶瓷驱动 采用柔性铰链为弹性支承的柔性 平行四连杆结构为运动导向 工作行程为87um 87um 开环谐振频率为536Hz 闭环的定位精度达到了20nm 且具有很好的线性度 图1 2 QingYao设计的二维并联微动平台 国内也很早就开始了这方面的研究工作 清华大学 8 在单平行四杆机构的 基础上开发了一种用于精密测量的一维精密工件台 如图1 3所示 它具有直接 传动 无摩擦 结构紧凑 重量轻 刚度大和分辨率高等优点 该工作台可以 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 5 达到0 2nm的测量分辨率和lnm的定位精度 在此基础上 李庆祥教授等人在二 十世纪八十年代就开发了基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的二自由度精密工件 台 可以在单层上实现两个方向的微动 它可以简化成两个分别进行X Y向运 动的单平行四连杆机构 如图1 4所示 在工作台的A B两处分别安装一个压电 微位移驱动器 当在压电式驱动器上施加电压时产生位移输出 由于四连杆受 力而变形 获得两个方向的微位移 其技术指标为 尺寸范围为 130mm lOOmm 20mm 最大行程为10um 定位精度为0 03um 图1 3 清华大学设计的精密工作台 图1 4 李庆祥设计的二维工作台 图1 5 王建林设计的三维一体精密工作台 天津大学王建林 9 等人采用整体式结构设计了三维纳米精密工件台 如图 1 5所示 X Y方向均以柔性铰链为弹性导轨的柔性双平行四杆机构实现运动导 向 Z向采用以柔性八杆对称联动机构实现运动导向 利用堆叠式压电陶瓷作为 微位移驱动器 分别实现X Y Z向微位移 其最大行程为10um lOum 10um 该工作台定位精度优于 0 03um 定位分辨率3nm 最大定位时间40ms 上述分析表明 国内外专家和学者积极开展对柔性铰链精密工作台的深入 研究 不断研制出各种结构的精密工件台 使工作台往高精度 高速度 大行 程 多自由度的方向发展 同时也带来了一些难以避免的问题 如多自由度的 精密工作台必然存在不同自由度上的位移耦合问题 高精和高速以及高精度和 大行程是两对相互制约的矛盾 难以同时得到满足 因此 如何减小各自由度 之间的耦合以及解决高速和高精以及高精度和大行程之间的矛盾是我们值得研 究的重点和方向 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 6 1 3 惯性式步进驱动器的研究状况 为使 SPM 中的定位机构能够在超高真空环境下实现大量程 快速地移动样 品 本课题采用由压电陶瓷驱动器驱动的惯性式步进器 压电型驱动器按技术特点分为直动式 步进式 惯性式 直动式驱动器的 精密定位容易实现 闭环控制也容易现 但行程过小 限制了其应用 步进式 和冲击式驱动器理论上可以不受行程的限制 进给速度较快 但轴向刚度和输 出推力较小是其不足之处 惯性式驱动器结构简单 可高频工作 1kHz 以上 适于高分辨率 大行程 力小的场合 10 本文主要介绍惯性式压电型驱动器 图 1 6 日本 Yamagata 等研制的纯惯性式驱动器原理图及驱动电压 惯性式精密驱动器由压电叠堆或单 双压电片致动 按作用机理的不同 此 类驱动器还可细分为纯惯性冲击式 IDM 和惯性一摩擦式驱动器 SIDM 图 1 6 a 为日本 Yamagata 等研制的纯惯性式驱动器原理图 11 图 1 6 b 为 相应的驱动用锯齿波电压 工作时 1 压电体急速伸长使移动体移动一小步 2 压电体缓慢缩短 此时移动体在静摩擦力作用下保持不动 3 压电体 停止缩短的瞬间 惯性 体的动量转为冲量使移动体再移一步 如此循环 形成 位移驱动 其工作性能 速度 5mm s 定位精度 0 1um 出力 13N 该原理的 驱动器已成功用于精密自动装配生产中 图 1 7 为瑞士 WolfgangZesch 等开发的基于惯性一摩擦式原理 其名 Nanocrab 为的单自由度旋驱动器 12 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 7 图 1 7 单自由度旋转驱动器 图 1 7 a 中转子是直径为 3mm 的滚针 1 2 3 为定子上的支撑足 图 1 7 b c 撑为足的结构 矩形体为压电体 上粘有 粒半球形红宝石 P1 P2 P3 对应图 1 7 a 中的 1 2 3 图 1 7 c 说明了工作原理 3 个压电 体在缓慢增加的外电场作用下同时发生剪切变形 通过 5 粒红宝石在摩擦力作 用下推动滚针旋转一个微小角度 外电场突然撤销 压电体急速回复原位 而 滚针在惯性作用下保持不动 从而旋转了一个步距角 如此往复形成驱动 其 性能 步距 0 14mrad 角度分辨率小于 0 1mrad 频率为 2kHz 空载最大速度 为 1r min 最大扭矩为 0 37N mm 驱动电压 Vpp 为 270V 图 1 8 是日本 TakeshiMorita 等研制的基于惯性 摩擦原理的旋转马达 13 可同时实现大行程进给和精密定位 最大旋转速度 27r min 最大输出扭矩 0 549N cm 目前基于该原理的 3 DOF 驱动器已有文章发表 图 1 8 基于惯性 摩擦原理的旋转马达 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 8 该机构的驱动压电体为 2 层 厚度为 0 5mm 的陶瓷环 内径 10mm 外径 5mm 使用前将陶瓷薄环沿周向切成 8 小块 对每块分别极化 完成后将小块粘 结回圆盘形 最后将陶瓷盘以金属电极隔开并压制成陶瓷管 使用时以锯齿波 电压激励 实现大行程驱动 当仅施以直流电压时 则可实现精密定位 同步进式驱动器一样 惯性驱动器也可以沿导向管 轴实现一移一转 2 DOF 导向好 定位精 度高 或者置于平面上 实现两移一转 3 DOF 但导 向不易处理 图 1 9 压电式三维运动机器人结构图 图 1 9 是清华大学研制的压电式三维运动机器人结构图 该机构由一个压 电叠堆驱动 利用一个菱形柔性铰链机构和四个电磁箱位足可实现平面内的三 维运动 质量为 65g 形状尺寸为位 55mm 5mm 20mm 最大步长为 11um 2004 年天津大学精密测试技术及仪器国家重点试验室研制了一种基于步进 运动原理的大行程纳米级步距压电电动机 采用新颖的推 拉接力运动原理 配以适当的四路驱动信号 实现了压电电动机的连续匀速运动 电动机的运动 位移是线性的 运动速度在驱动电压为 300V 时可达 12um s 最小步距小于 6nm 行程大于 10mm 1 4 本论文主要内容 现有步进器已加工并进行了初步测试 电子科技集团 26 所生产的 WTYD 压电陶瓷和由柔性铰链框架结构构成位移驱动单元 样品台和氧化铝基片构成 惯性运动单元 位移驱动单元与惯性运动单元间由三个蓝宝石球提供支承 经 初步测试与分析 需要对该步进器的运动性能做进一步地测试与改善 本论文的主要内容可以归纳如下 1 了解该惯性式步进器的工作原理 对压电陶瓷的特性进行研究分析 对 柔性铰链的工作原理进行研究分析 为步进器机械结构的优化 控制系统的总 体设计打下理论基础 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 9 2 整体把握本控制系统的各个环节 对控制系统各个部分分别进行研究 如功率放大电路的设计与调试 时序控制信号的波形控制以及微位移机械机构 的简化 3 对该惯性式压电步进器的运动性能进行测试 标定步距 确定最高运动 速度 实现一定运动范围 测量其运动中的角度偏摆 4 对该步进器的一些构思 如对位复中功能 如简化结构 第二章 惯性式步进器的工作原理 2 1 引言 本论文中的惯性式步进器 其基本原理是 以压电陶瓷作为驱动元件 以 柔性铰链为导向机构的基本单元及弹性支承组成微位移机构 利用柔性铰链的 变形带动机构运动 随着压电陶瓷应用领域的不断扩大 压电陶瓷作为一种精密驱动器件 其 自身的性能日益受到使用者的关注 压电陶瓷微位移器是近年来发展起来的新 型微位移器件 它具有体积小 重量轻 精度和分辨率高 频响高 出力大等 优点 在光学 电子 航天航空 机械制造 生物工程 机器人等技术领域得 到了广泛应用 而且日益受到重视 压电陶瓷的特性和性能指标直接影响机械 结构和控制系统的设计 因而急需对其性能有明确的阐述 2 2 压电陶瓷 2 2 1 基本原理 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下 产生形变 引起介质表面带 电 这是正压电效应 反之 施加激励电场 介质将产生机械变形 称逆压 电效应 正压电效应和逆压电效应总称为压电效应 这种奇妙的效应已经被 科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域 以实现能量转换 传感 驱 动 频率控制等功能 而电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应 极化作用引起应变 且应变与电场方向无关 应变的大小与电场的平方成正比 压电陶瓷微位移器应用的是逆压电效应 电致伸缩陶瓷微位移器应用的是电致 伸缩效应 1 14 2 2 2 压电陶瓷微位移器的基本特性 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 10 1 迟滞特性 压电 电致伸缩微位移器的正反向电压 位移特性曲线不同 存在着回差 即存在迟滞现象 2 蠕变特性 蠕变是指压电 电致伸缩微位移器对时间的迟滞效应 如图 2 1 所示 图 2 1 压电陶瓷的蠕变特性 当对压电 电致伸缩微位移器施加一定电压之后 它不是立即全部形变 而是经过两步 第一步形变发生在施加电压的几毫秒内完成的 第二步形变发 生在第一部分形变以后较长时间内 蠕变是由于电介质内部的晶格间存在摩擦 力 在 施加电场后极化作用没有立即完成 故而存在一定滞后 电极化强度与 电场有关 因此表现在压电 电致伸缩微位移器的机械应变上存在蠕变特性 3 非线性特性 在理想条件下 压电伸缩微位移器应变与外加电压之间呈 线性关系 但实际上 其应变与外加电压之间呈非线性关系 4 温度特性 压电 电致伸缩微位移器的热膨胀系数和陶瓷玻璃相似 在 不同的方向上数值不同 通常为 1 5ppm 一般通过实验的方法测取在实际 使用条件下微位移器的温度特性曲线 如图 2 2 所示 图 2 2 压电 电致伸缩微位移器温度特性 4 动态特性 压电陶瓷微位移器在外电场的作用下产生微位移 并有较高 的响应速度 5 负载特性 一般压电陶瓷微位移器内部存在较大的预紧力 恒定负载对 其微位移性能影响较小 图 2 3 为微位移器加载后与加载前伸长量的相对值与 恒定负载之间的关系曲线 Comment xly2 今后写论文要注意 章节号不要放在一页的结尾 放在下 一页 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 11 图 2 3 微位移加载后和加载前伸长量之间的关系 2 3 柔性铰链 2 3 1 介绍 柔性铰链利用了弹性材料微小角变形及其自回复的特性 消除了传动过程 中的空程和机械摩擦 能获得超高的位移分辨率 并有很紧凑的机械结构和很 高的刚度 以及迅捷的响应 柔性铰链本质上是一种特殊的传动结构 用于提 供绕轴做复杂运动的有限角位移 它利用的是材料的可逆的弹性变形来产生运 动或传递能量 柔性铰链结构上一体化 运动和能量传递利用弹性变形 因此 具有无空回 无迟滞 无摩擦 无间隙 无噪声 无磨损 空间尺寸小 容易 加工 无需维护 运动灵敏度高等诸多优点 柔性铰链有成千上万的应用 如 陀螺仪 加速度计 天平 控制导弹的喷嘴 控制器 显示仪 记录仪 表面控 制 调整器 阀 放大连杆 计算机 继电器和传动连杆 2 3 2 分类 柔性铰链按照传递运动和能量的方向 可以分为 单轴柔性铰链 双轴柔 性铰链 多轴柔性球铰链 图 2 4 所示为单轴柔性铰链和多轴柔性球铰链 图 2 4 单轴柔性铰链 多轴柔性铰链 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 12 柔性铰链按柔性部位的不同形状 可以分为 圆角型 其中矩形 直圆形 是其中的特殊型 椭圆型 抛物线型 双曲线型柔性铰链以及单圆弧型等 如图 2 5 所示 还有一些特殊形式的新型柔性铰链 例如交叉式柔性铰链 裂 筒式柔性铰链 柔性虎克铰链 柔性球铰链等 如图 2 6 所示 15 2 5 各类柔性铰链 2 6 新型柔性铰链 2 3 3 柔性铰链微定位平台 微定位机构按其实现的功能分 可以分为单自由度机构 平移或转动 和 多自由度机构 多自由度机构可以分为串联组合机构 并联机构及混联式机构 从结构形式上 也可以分为平面机构和空间机构 目前典型的柔性铰链微定位 机构有单平行四杆机构 双平行四杆机构 Scott Russell 位移放大机构 XY 三自由度机构 并联机构等 1 单平行四杆机构微定位平台 柔性铰链构成单平行四杆机构如图 2 7 所示 甲块与乙块通过四处柔性铰 链连成一体 AB BC CD DA 构成平行四杆导向机构 甲块与乙块通过四个柔 性铰链的变形而形成相对移动 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 13 图 2 7 平行四杆机构 单平行四杆机构导向微定位平台结构简单 消除了由装配误差而产生的系 统定位误差 但是位移在 X Y 运动方向上存在交叉耦合 影响系统定位精度 2 双平行四杆机构微定位平台 双平行四杆机构导向微定位平台结构简单 消除了由装配误差而产生的系 统定位误差 同时消除了在 X Y 运动方向上相互存在的交叉耦合位移 但是该 机构中柔性铰链在弯曲时必然拉伸 内应力增大 影响铰链使用性能 3 Scott Russell 位移放大机构微定位平台 Scott Russell 机构如图 2 8 所示 O 点处固定 和杆 OM 以铰链连接 杆 OM 和 AP 交点 M 处以铰链连接 当 A 点沿 X 轴移动 那么 P 点将沿着 Y 轴移动 P 点位移输出量和 A 点位移输入量关系是非线性的 但是 当位移变化量非常小 的时候 可以看作 P 点输出量是 点位移输入量的 tan 倍 这样可以方便得实 现位移量的放大 图 2 8 Scott Russell 机构 Scott Russell 机构微定位平台结构紧凑 可以实现位移的放大缩小 并且可 以实现单驱动多自由度运动 缺点是通常需要多级 Scott Russell 结构才能获得 较大的放大倍率 而且 输入输出存在非线性 4 三自由度微定位平台 Jae W Ryu 设计了 x y 三维微定位平台应用于晶圆平台 并提出了一套优 化设计的数学公式 该定位平台由三个呈 120 度放射状摆置的压电陶瓷驱动器 驱动 控制其 X Y 和 方向的运动 从而实现平面内的三自由度运动 分别 实现了 41 5um 和 47 8um 的 x 方向和 y 方向的位移 1 565mrad 的最大转角 16 其工作原理如图 2 9 所示 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 14 2 9 三自由度微定位平台 2 10 本实验中的四连杆机构 由于本课题中柔性铰链用于定位系统的位移粗调 只要求其良好的导向性 能 精度达到微米级 结构越简单越好 所以本课题选择以单平行四杆结构为 模型设计柔性铰链 如图 2 10 由于放置该工作台的平台材料为不锈钢 304 而且要求工作台在真空条件下耐高温 故而工作台的材料选为不锈钢 304 2 4 惯性元器件 本论文中的微位移机构 由柔性铰链框架结构和一组单轴压电陶瓷构成位 移驱动单元 样品台和氧化铝基片构成惯性运动单元 位移驱动单元与惯性运 动单元间由三个蓝宝石球提供支承 微型工作台与 Al2O3晶体粘合 如图 2 11 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 15 图 2 11 微位移机构 图 2 12 四连杆机构 图 2 13 三个蓝宝石支撑的样品台 惯性元件 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 16 图 2 14 小平台上粘合的 Al2O3晶体 微型工作台在压电陶瓷的作用下为整体结构提供动力 与 Al2O3晶体粘合 的小平台下表面有 3 个内六角的 M6 的螺孔 用来与微型工作台固定连接 样 品台下表面 有三个围绕样品台中心成正三角形位置粘合的蓝宝石半球 其作 用为 一 起支撑样品台的作用 二 由于蓝宝石半球硬度高且表面光滑 在 Al2O3晶体表面上相对滑动时能具有合适的摩擦系数 从而实现理想的惯性运动 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 17 第三章 惯性式压电步进器控制系统 3 1 总体设计 本论文中拟定的二维微动平台系统组成方案 如图 3 1 所示 图 3 1 二维微动平台的总体框图 该微动平台通过微动柔性机构运动 以压电陶瓷作为致动器 时序控制信 号通过 D A 转换模块 反馈位移信号通过 A D 转换模块对二维平台进行控制 用上位机作为控制器 运算速度快 有利于运用 VC LABVIEW 等软件进行运 算 AD DA 转换模块可采用集成的 DA AD 卡或 DAQ 卡 具有更高的精度和 可靠性 上 位 机 基于 FPGA 的时序控制 硬件单元 实验中选 用的是数据 采集卡 功率放 大驱动 电路 X 功率放 大驱动 电路 Y 二维 微位 移工 作台 X 方向压 电陶瓷 Y 方向压 电陶瓷 激光 干涉 仪 限位装置 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 18 3 2 驱动电源 对外加电压而言 压电陶瓷相当于电容性负载 性能良好的驱动电源是实 现高精度微位移的关键 根据压电陶瓷的特性 其驱动电源要求在一定范围内 连续可调 输出稳定性好 纹波小 分辨率高 放大电路决定着电源输出电压 的分辨率和稳定性 是整个电源的关键 3 2 1 PA85 简介 PA85 是一个高压 大带宽的 MOSFET 运算放大器 输出电流达到 200mA 双 端供电时输出电压范围可达 215V 单端供电时输出电压高达 440V 安全操作 区没有二次击穿的限制 通过选择合适的限流电阻 可观察到任何负载下的安 全操作曲线 且一个共栅输入电路和 120dB 的开环增益实现了高精度 所有的 内部偏置参考于一个自举齐纳二极管 MOSFET 电流源 使 PA85 具有很宽的 电源电压范围和很高的电源抑制比 MOSFET 输出级偏置成 A B 模式具有很好 的线性 外接补偿可使用户很轻松的使用 PA85 这个集成电路用了厚膜电阻 陶瓷电容和半导体芯片来增强了可靠性 减小了尺寸并提高了性能 超宽束铝 线保证了任何工作温度下内部连接的可靠性 3 2 2 基于 PA85 的功率放大驱动电路 PA85 具有很高的电源电压抑制比 可降低对高压稳压电路的要求 而且 PA85 运算放大器集运算放大电路 功率放大电路 保护电路于一体 使电路集 成度大大提高 减小了体积 提高了电路的可靠性 本实验中的电源输出电压 要求为 0 至 200V 连续可调 图 3 2 为线性放大电路图 由 PA85 与 LM358 串联 低压放大部分的驱动电压为 12V 高压放大部分需要提供电压为 220V 电压放大 低压放大部分的放大倍数 VO1 VIN R02 R01 5 高压放大部分的 放大倍数 VO2 VIN R7 R8 R1 故而需要调节电路 2 中的变阻器 R8 的阻值 使 得整体放大倍数为 40 倍放大 图 3 2 1 功率放大驱动电路低压放大部分 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 19 图 3 2 2 功率放大驱动电路高压放大部分 基于 PA85 的新型压电陶瓷驱动电源输出电压稳定 分辨率高 静态纹波低 动态性能好 电路结构简单 同时 PA85 及其外围电路具有过压 过流 短路保 护等功能 可靠性高 具有很高的实用价值 3 3 软件控制 3 3 1 数据采集卡 数据采集卡 即实现数据采集 DAQ 功能的计算机扩展卡 实际应用中经 常需要它输出控制信号 图 3 3 数据采集卡 FCFR USB7014 如图 3 3 本实验中使用的数据采集卡为北京星烁华创科技有限公司生产的 FCFR USB7014 1 0 版本 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 20 FCFR USB7014 简称 USB7014 是高精度采集控制卡 包括两部分 低 速 AD DA 和高速 AD DA 所有 AD DA 均为 16 位分辨率 低速 AD DA 可用于控制 场合 高速 AD DA 用于高速采集数据 输出数据 低速 AD 16bit 800S s 32 通道 低速 DA 16bit 100KS s 32 通道 高速 AD 16bit 500KSPS 单通道 硬件缓存 4M 采样点 高速 DA 16bit 4 通道独立 硬件缓存 128K 采样点 通道 DI DO 各 8 路 兼容 5V TTL 电平 USB7014 采集卡可广泛应用于医疗信号 超声波信号 仪器仪表等场合 3 3 2 驱动波形选择 根据该惯性步进器的工作原理 选择以锯齿波为主要驱动波形的原因是 首先 电压线性增大至最大值 使得压电陶瓷在逆压电效应作用下 缓慢伸长 随着电压达到幅值 压电陶瓷也达到最长 由于静摩擦的作用 惯性元件随着 微型工作台一起产生位移 理论上其位移量应等于陶瓷伸长量 然后 锯齿波 波形达到幅值以后 有一个下降沿 电压骤然为零 压电陶瓷在极短时间内恢 复原长 此时压电陶瓷的收缩方向与惯性元件的运动方向相反 从而产生滑动 摩擦 选择合适的频率 能够使此时惯性元件的位移不大 或者出现轻微的回 退现象 接着 进入下个周期 压电陶瓷又从原长缓慢伸长至最长 惯性元件 再一次跟着微型工作台前进一步 周而复始 从而实现惯性元件的前进 同理 当锯齿波波形为先有一个上升沿 再从最大值缓慢减小至零 反应 在陶瓷上的现象为 压电陶瓷首先骤然伸长至最大值 然后缓慢缩短 这种波 形则实现的是相反方向的运动 因此 从上述分析可见 要达到上述理想的运动效果 需要选择最合适的 频率 以及三个蓝宝石半球在 Al2O3晶体上面的滑动的摩擦系数 u 达到要求 3 3 3 驱动波形编辑 图 3 4 为该数据采集卡软件控制界面 图 3 4 应用程序界面 通过 Visual C 的上位机软件编程 编辑相应的不同驱动波形 在应用程序 界面中选择不同的驱动波形 设置不同的幅值与频率 上位机发出的数字信号 经过数据采集卡 DA 转换成模拟信号 实现对压电陶瓷的控制 从而对步进器运 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 21 动性能进行测试 反过来 初步测试完成后 根据不同的结果 去改善原来的 VC 程序 改善为更合适的波形 以下面程序为例 给出了相应波形的程序 程序中 num 被定义为波形的一 个周期 DA MAXVALUE 被定义为波形的幅值 num 和 DA MAXVALUE 的 值 用户可通过采集卡控制界面直接设定 采集卡输出波形幅值范围为 0 至 5V 经放大电路 40 倍放大 加给压电陶瓷的控制电压在 0 至 200V 范围内线性 可调 程序如下 void CmpWave int sltwave int num double ppValue PWORD waveData double pi 3 14159 int i switch sltwave case 3 正向锯齿波 for i 0 i 3 num 36 i waveData i 0 for i 0 i 30 num 36 i waveData 3 num 36 i WORD 6 DA MAXVALUE double i double 5 nu m for i 33 num 36 i num i waveData i DA MAXVALUE break case 4 负向锯齿波 for i 0 i0 i 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 22 waveData 33 num 36 i WORD 6 DA MAXVALUE double i double 5 num for i 32 num 36 i num i waveData i 0 break case 9 正向连续锯齿波 for i 0 i0 i waveData 36 num 36 i WORD DA MAXVALUE double i double num break default for i 0 i num i waveData i WORD waveData i ppValue 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 23 第四章 压电步进器运动性能测试 4 1 实验设计 对压电步进器运动性能的测试 包括压电陶瓷的标定实验 步进器双轴方 向运动性能测试实验 实验方案的选取 实验仪器的使用 实验数据的处理 以及实验结果的分析 4 1 1 实验仪器介绍 本实验中的实验仪器有 气浮式隔振台 惯性式步进器 SIOS SP500 微型 平面镜干涉仪 多通道数字示波器 基于 PA85 功放电路 数据采集卡 PC 机 等 其中 激光干涉仪是测量步进器系统运动位移的核心仪器 激光干涉仪的工作原理 激光干涉仪 是一种非常传统的利用光的干涉原 理将被测量值直接溯源到光波长的绝对测量仪器 最为简单的干涉结构是迈克 尔逊干涉仪 德国 SIOS 公司的微型激光干涉仪就是依据这一基本原理研制开 发的 其最为重要的思想是 将激光光源和后续信号处理单元远离干涉现场 使干涉仪模块化 无源化 令热 电 磁对干涉光束的扰动降到最低 SP系列微型平面镜干涉仪属于精密测长仪器 其设计旨在可以同用户系统 相组合 并适用于各种类型的实验设备和实验任务 微型传感测头可永久安装 在计量系统内 测量臂上的反射镜可以采用平面镜或具有光学特性的反射性表 面 且允许有若干分的准直角度误差而不会影响激光束的正常工作 激光光源 输出的光束经由光缆传递到传感测头 微型干涉仪将平面镜沿光轴的运动转换 为光学干涉信号 并传入光电信号处理 电源供给单元进行处理并输出为长度值 仪器操作及测量结果显示既可用分离的键盘 显示单元 也可用PC运行所提供 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 24 的软件包 非接触式迈克尔逊干涉仪的使用过程中 引起误差的干扰源主要有三方面 振动 温度 气流 17 1 振动 振动是精密测量仪器最主要的干扰源之一 尤其对于非接触式迈克尔逊干 涉 仪来说 微小的振动都会引起反射激光光束偏离 不能返回出射孔 软件出现 Beam Break 报错 测量被迫中止 重新测量又需要再次调整测量装置 使 测量失去连贯性 数据不统一 使用隔振平台 气浮式隔振台能够非常好的隔 绝中高频振动 是最主要的隔振方式 选择安静的环境进行测量 测量过程中 不允许人员走动或者大声喧哗 否则 测量效果较差 甚至连续出现 Beam Break 中断 2 温度 温度变化是影响干涉仪漂移的最大因素 实验的过程中 当实验室温度升 高或者实验操作者靠近测量系统时测量值就会漂移 50nm 左右 故应采取措施 减小温度变化影响 措施 一 确保实验环境尽量保持恒温 可以用空调控制 屋内温度 二 减小人体热辐射影响 操作者应尽量远离测量系统 或者使用 隔热装置 使外界与测量系统隔绝 也可以使用硬纸盒封闭住测量系统 尽量 减少人体热辐射影响 并且操作者在测量系统旁边坐定 半小时后待漂移数值 再次稳定后 再归零进行测量 3 气流 气流是影响非接触式干涉仪测量精度的主要因素之一 由于非接触式干涉 仪的测量光路暴露在空气中 因此光路中有气流经过时 会严重影响氦氖激光 光束的参数 从而极大影响测量结果 甚至使测量发生中断 减小气流影响主 要有两种方法 第一 避免在空调风口或者冷热空气交接的地方 如门口 进 行测量 实验表明在门口处测量无法准确进行 第二 用硬纸盒罩住测量装置 可有效的减小气流影响 实验表明 用硬纸盒罩住后 漂移可以减小至 1 2nm 左右 4 1 2 测试系统搭建 整个测试系统在气浮式隔振台上搭建 在步进器轴向端粘上硅片 作为干 涉仪射出激光的反射面 将压电陶瓷安装于微位移机构上 并提供合适的预紧 力 微位移机构放置于气浮式隔振台上 并用螺钉固定 调整硅片与干涉仪的 距离 调节干涉仪 使发出的光垂直于反射面 将激光干涉仪与 PC 机相连 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 25 将数据采集卡 USB 端与 PC 机相连 数据采集卡输出端接功率放大电路输入端 功放电路输出端接压电陶瓷的正负极 将激光干涉仪的两模拟信号输出端 接 到示波器上 用以观察 提供高压 低压电源 4 1 3 实验方法 该激光干涉仪使用前需预热一段时间 待激光稳频后 即稳频灯亮 调 整 干涉仪激光发生装置的左右前后位置 使打到硅片反射面后的反射光 沿原光 路返回出射孔 通过激光发生装置上的微调 使模拟示波器上的丽萨如环最大 最亮最细 则调整完毕 连好各线 接通电源 在 PC 机上打开数据采集卡的 应用界面和干涉仪的配套软件 INFAS Interferometer Software 点击 INFAS 界 面上的 Connect 数值清零 并设置采样取点相关参数 在数据采集卡的应用界 面上 选择波形 设置频率及幅值 PC 机输出时序控制信号 经采集卡 DA 转 换成模拟信号 接入功率放大电路 40 倍放大 接到压电陶瓷正负两端 在逆压 电效应作用下驱动压电陶瓷伸长或缩短 使硅片随之产生位移 激光干涉仪测 得相应数据 INFAS 软件即时显示出位移值 即时保存该测试条件下的一组位 移量 再经 Excel 处理这些数据 即能反映在该特定幅值 特定频率的波形下 微位移机构的运动状况 4 2 压电陶瓷标定实验 本实验中采用的压电伸缩陶瓷微位移器型号为 WTYD808055 其线性度较 好 低压灵敏度较高 适合于本实验的研究 其工作原理是利用了压电陶瓷的 逆压电效应 WTYD 系列压电伸缩陶瓷 其典型技术参数如表 4 1 表 4 1 WTYD 系列压电陶瓷相关参数 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 26 本节对由 WTYD0808055 型压电陶瓷微位移器和微型工作台组成的微位移 机构的静态性能进行了测试 测试了其电压 位移特性 迟滞特性 并进行了实 验分析 图 4 1 WTYD808055 压电伸缩陶瓷微位移器型电压 位移线性曲线 由图 4 1 可见 WTYD808055 型压电陶瓷微位移器的电压 位移特性曲线存 在约为 2 的非线性 在 55V 电压下最大迟滞为 8 m 实验前 打开激光干涉仪进行预热 待激光稳频后 开始进行实验 实验 中输出波形为幅值 5V 频率 0 2Hz 的三角波 功率放大电路调整为 20 倍放大 压电陶瓷驱动电压从 0 缓慢升高至 100V 再缓慢降至 0 使用激光干涉仪测量 即时数据 并保存 经 Excel 处理后 电压 位移曲线如图 4 1 所示 图 4 2 电压 位移特性曲线 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 27 由实验曲线 并对比图 4 1 与图 4 2 可知 微位移机构的驱动电压与输出 位移 线性关系欠佳 当驱动电压为 100V 时 微位移机构位移达到 25um 最 大迟滞约为 13 由此可知 该压电陶瓷可能因为长期使用而出现一定的老化 现象 不过基本符合实验要求 4 3 压电步进器双轴运动性能测试 本部分实验 是在前实验的基础上 加上惯性元件 三个蓝宝石支撑的样 品台 氧化铝基片粘在小平台上 小平台下表面有 3 个内六角的 M6 的螺孔 用来与微型工作台固定连接 实验方法与上基本相同 但是输入的驱动波形及 参数选择富于变化 本实验中 采集卡输出的驱动波形幅值为 0 至 5V 经功放 电路 20 倍放大 压电陶瓷端电压幅值范围为 0 至 100V 由于步进器存在一个 最理想的运动状态 所以在实验中 需要分别对不同频率 不同幅值 不同波 形的时序控制信号进行测试分析 本实验选取的频率分别为 1Hz 5Hz 10Hz 20Hz 本部分实验目的在于测试该步进器系统的运动性能 为了利于实验数据的 对比并发现问题 将实验分为三部分 1 未加入惯性元件时 PC 机端输出不同参数的驱动波形 经数据采集卡 功放 电路 作用于压电陶瓷 用激光干涉仪测试微位移工作台的运动性能 撤去了 氧化铝基片和三个蓝宝石支撑的样品台 即没有了惯性滑动部分 从理论上分 析 测得的位移曲线应与驱动波形形状相同 周期相同 输入锯齿波驱动波形 频率设定为 1Hz 幅值设定为 2V 后经 20 倍放大 软件 INFAS 的采点数为 11 点 秒 即每周期的取样采点数为 11 个点 测得微 位移机构的位移曲线如图 4 3 纵坐标单位为 m 图 4 3 1Hz 驱动下位移 采样点曲线 无惯性元件 天津大学 2011 届本科生毕业设计 论文 28 输入锯齿波驱动波形 频率设定为 5Hz 幅值设定为 2V 后经 20 倍放大 软件 INFAS 的采点数为 113 点 秒 即每周期的取样采点数为 22 点 测得微位 移机构的位移曲线如图 4 4 纵坐标单位为 m 图 4 4 5Hz 驱动下位移 采样点曲线 无惯性元件 输入锯齿波驱动波形 频率设定为 10Hz 幅值设定为 2V 后经 20 倍放大 软件 INFAS 的采点数为 113 点 秒 即每周期的取样采点数为 11 点 测得微位 移机构的位移曲线如图 4 5 纵坐标单位为 m 图 4 5 10Hz 驱动下位移 采样点曲线 无惯性元件 由上三图可知 微位移工作台上不加惯性元件时 其位移曲线与驱动波形 基本吻合 2 在微位移工作台上粘上氧化铝基片 并加上惯性元件 PC