超精密定位中的几项相关关键技术

1、超精密定位中的几项相关关键技术哈尔滨工业大学精加工研究室王 波 董 申 赵万生摘要通过结合自已的实际工作,分别从伺服进给机构,位置检测技术,数控及伺服控制等几个方面对超精密机床的定位系统进行了说明。关键词:超精密加工 定位 伺服控制 激光干涉仪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 概述超精密加工技术是一个国家综合实力的象征,并在微电子工业、光学仪器制造及航空航天等领域得到了广泛应用。超精密加工最终表现为机床的移动部件间的相对位置运动,因此,超精密定位是超精密加工的前提。定位系统的动态性能和稳态精度将直接影响到超精密加工的尺寸精度和表面粗糙度。超精密加工一词最早于本世纪60年代初出现于美国,从那时起,随着加工精度的不断提高,超精密定位的精度

3、也由亚微米级提高到了纳米级甚至亚纳米级。1986年、1990年、1994年,日本精密工学会曾就超精密定位所应具有精度指标对有关企业和研究单位进行了问卷调查,统计结果的平均值大约为:1986年 011L m1990年 01038L m 1994年 010078L m目前国际上已经取得共识的超精密定位的标准是:定位精度在011L m 以下,相对精度在10-7以下。 超精密定位技术是一门综合性的技术。它涉及到了光学检测技术,计算机技术、控制理论、机械结构设计及其他一些周边支撑技术,如温控技术、隔振技术等。本文在结合自已的实际工作的基础上,力图从伺服进给机构、N C 装置、控制策略、位置检测技术等几个

4、方面对超精密定位各相关领域的最新进展进行介绍。2 伺服进给机构机床的伺服进给机构是将伺服电机转动转化为工作台的直线运动的变换装置,目前,在国内外所研制的各类超精密机床中,最常用的伺服进给机构主要有:滚珠丝杠、摩擦驱动装置和液体静压丝杠。其中,滚珠丝杠由于具有结构简单,容易制造,安装维护方便等优点,更是在超精密定位中得到了广泛的应用。据统计,有三分之一以上的各类超精密机床采用了滚珠丝杠作为伺服进给机构。超精密加工机床中使用的滚珠丝杠一般为C0级。滚珠丝杠的丝杠和螺母之间及丝杠和支撑轴承之间的接触刚度是有限的,在微小的位移范围内表现为明显的非线性特性。当对伺服驱动器分别施加一递增电压信号和一先递增

5、后递减的力矩电压信号,得到了如图1、图2所示的曲线,有人称此为滚珠丝杠的微动特性。利用这一现象,在采用闭环控制的条件下,向电机输入50nm 的位置信号,得到定位机构的应曲线如图3所示,可见利用滚珠丝杠进行超精定位时响,其稳定位置误差小于0101L m 。另一图1 力矩-位移曲线一 图2 力矩-位移曲线二方面,正是由于弹性接触变形问题的存在,减低了伺服系统的刚度,使伺服系统的动态性能变坏,并对械谐振的衰减性机不好。随着加工零件精度的不断提高,下一代的超精密加工机床的伺服系统要求具有非常高的伺服刚度和纳米甚至亚纳米级的位置分辨率,滚珠丝杠显然已无法适应这种要求。日本鸟取大学工学部的水本洋先生将液体

6、静压丝杠、双转子摩擦机构和转塔式摩擦机构分别与A C 伺服电机相结合,采用相同的液体静压导轨,在相同的实验条件下进行了最低分辨率的测定实验,实验结果如表1所示。可见,液体静压丝杠的综合性能是最好的,它将是一种非常有前途的下一代超精密机床 用的位置伺服机构。图3 闭环阶跃响应曲线表1 超精密位置传送机构的性能对比类 别转塔式摩擦驱动双辊子摩擦驱动静压丝杠螺距/mm 311401066减速比1:11:16761:16行程/mm 8080210分辨率/nm 1012011行程/分辨率804002100电机分辨率1/301061/0131061/601063 数控系统当前的超精密加工机床的数控系统几乎

7、全部采用计算机数字控制方式,它主要由总体逻辑控制系统、运动指令给定系统和位置伺服控制系统组成。我们只讨论位置伺服控制系统。系统位置信号的反馈形式,伺服系统可以大致分为开环控制型、半闭环补偿型和全闭环控制型等3种。其中开环控制型适合以步进电机作为控制执行元件,系统结构简单,稳定性好,易于安装调试,但精度太差,用无法于超精密机床的定位系统。半闭环补偿型伺服系统采用角位移闭环,而不是工作台的线性位移,采用这种系统一方面可以得到很高的重复定位精度,另一方面,由于再控制环路中没有包含机床传动部件的螺距误差、回程间隙、机构的弹性变形等因素,因此其定位精度很差,它适合于一些加工工件比较简单的机床。如端面外圆

8、加工车床,其定位精度可以通过对激光干涉仪的实际测量结果进行补偿来保证,现在的超精密机床不仅要求进行端面和外圆的加工还要求可以进行非球曲面的加工,这就对伺服系统的性能提出了更高的要求,据统计有80%以上的超精密机床采用全闭环位置控制方案。位置伺服系统一般是在调速系统的基础之上外加位置控制环来组成,目前占主流的位置伺服控制系统多采用三环串级控制的数字伺服控制方式。原理图如图4所示。为了得速到速度和力矩信号的快响应,增大系统的伺服刚度,采用速度环和电流环多模拟电路来组成。为了获得极高的位置分辨率和位置精度,位置环多采用数字控制方式。近年来 ,图4 三环串级位置伺服系统原理图随着对伺服系统性能的要求不

9、断提高,高性能的微处理器和DSP 在控制电路中得到了越来越广泛的应用,如Delta T au 数字系统公司的运动控制器PM AC 采用M otor ola 公司的DSP56001,其伺服周期可以高达60L s,这无疑将极大地提高系统的控制性能。4伺服控制策略计算机性能的迅速提高使许多先进的控制策略的实际应用成为可能。我们知道超精密领域的定位与常规意义上的定位是有很大的区别的,它面临着许多新的问题,如在极小的位移范围内的明显的非线性现象在极微小范围内的系统模型的变化和在超精密测量时引入的测量噪声等。为了解决以上问题,国内外的许多学者做了许多努力。如Po1I对滚珠丝杠的微动特性进行了大量的实验研究

10、,并在此基础上提出了一种变模式模型参考自适应控制策略,以充分利用滚珠丝杠的宏/微动态特性来进行纳米级定位,但作者没有明确给出宏/微动态特性的临界点,以及在临界点进行正反向定位的稳定性问题。为了提高伺服系统的位置跟踪精度,M. T omizuka提出了一种零相位滞后控制策略,它是建立在控制器的零极点与控制对象的零极点严格对消的基础之上的,而实际上当系统模型的参数变化很大时,伺服系统零相角滞后是无法实现的。另外,为解决超精密位置伺服机构中stick/slip摩擦问题,Canudas de wit,c在综合前人工作的基础上,建立了一个具有线性化参数的摩擦模型,并在此基础上,提出了一套自适应复合补偿策

11、略。实际上,由于低速条件下的伺服机构摩擦是一个非常复杂的现象,不可能用一个模型来精确地描述。用一个不精确的模型为参考来补偿摩擦力,容易产生过补偿,引起系统的振荡。以上针对各专门问题提出的控制策略,在特定问题上是有效的,但在实际应用中是有很大的局限性的。由于我们对超精密定位过程的机理的研究尚不充分,所建立起来的模型误差较大,控为各种先进的制理论的应用带来了不便,因此,在古典控制理论超精密位置控制中仍得到了广泛的应用。据日本精密工学会超精密定位专门委员会所做的统计表明,在目前日本研制的各类超精密机床中,有70%以上使用了PID调节器。PID调节器采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性,它属于

12、一种串联较正。当控制对象的参数发生变化时,控制器的零极点的对消作用会丧失,从而严重影响系统的动态性能。因此PID校正多用于负载较轻,扰动不大,非线性因素不太突出的场合。实际的机械系统中往往存在着摩擦、间隙等现象,使系统产生机械谐振。为了进一步提高PID调节器的性能,可在控制系统中引入被调量的微分负反馈,形成一 种很有效的并联校正,如图5所示。它有助于抑制图5并联控制原理图超调减小振荡,提高系统的快速性,这样既保证了系统的动态品质,又保证了系统稳态精度。同时,由于并联校正具有反馈的性质,对被包围在反馈环内的系统参数变化和摩擦、间隙、弹性接触等问题都带有一定抑制作用,从而镇定控制对象的特性,提高其

13、线性度。但微分负反馈容易引入较大的噪声干扰,这在超精密定位时是不可忽视的。当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或实时计算时,利用输入信号的各阶导数进行前馈控制,可以构成前馈控制和反馈控制相结合的复合控制。如图6所示。其传递函数为:图6复合控制原理图G(s=P(s#C1(s+P(s#C2(s1+P(s#C1(s(1当C2(s=P(s时,G(s=1,也就是说该随动系统既无动态误差也无静态误差,我们称之为实现了系统完全不变性。在实际应用中,引入速度前馈可以减小微分增益或测速发电机环路阻尼所引起的跟踪误差,惯性所带来的跟踪误差与加速度成正比,因此它可以由加速度前馈来补偿。在研制HCM-30型超精密机床

14、位置伺服控制系统时,采用了PI D调节与速度和加速度前馈相结合的复合控制策略,原理图如图7所示。在此基础上采用积分分离和加陷波滤波器来进一步抑制伺服系统的机械谐振,取得了良好的效果。5位置测量系统超精密位置伺服控制器需要超精密的位置检测系统来实时地反馈位置信号,位置伺服系统的位置精度也最终通过位置检测系统来评定,可以说位置检测精度直接决定了位置控制精度。通常认为,超图7超精密车床位置伺服系统实例精密位置测量应满足以下条件:测量分辨率/测量范围<10-8,或者测量精度/测量范围<10-7.位置伺服系统是一种典型的机电系统,电机与机械系统之间不可避免地存在着耦合性不好的问题。对于采用三

15、环串级控制方式的伺服系统,位置环与速度环的反馈信号均取自工作台,这样容易使伺服系统产生极限环振荡,从而严重影响了系统的性能。因此,在高性能的伺服系统中一般采用双反馈方式,即伺服系统的位置环和速度环的反馈信号分别取自工作台和电机,如图4所示。其中,位置环反馈可以通过激光干涉仪或光栅尺来实现,速度环的反馈可以通过与电机同轴的光电编码器或感应同步器来实现。双频激光干涉仪是一种最常用的超精密位置测量装置,它以激光在真空中的波长作为长度基准,可以达到纳米级的测量分辨率。但在实际的测量过程中,激光束在空气中通过时,其波长受气压、温度、湿度等环境参数的影响而反生变化,从而使其测量精度降低。另外在布置光路时,

16、不可避免地存在着阿贝误差和余弦误差,进一步降低了测量精度。实际的激光干涉仪测量精度一般在?011L m 左右。光栅尺是通过记录静尺和动尺相互移动对产生的莫尔斯干涉条纹数来测量位移的。德国Heider-hain公司生产的光栅的测量分辨率为01001L m,测量精度为?011L m,北京光电量仪研究中心研制的光栅的测量分辨率为010001L m,测量精度为? 0101L m,测量范围为100mm,因此,光栅与激光干涉仪具有基本相同的没量精度,但它除了受温度的影响之外,几乎不受其他环境因素的影响,使用维护非常方便。现在有越来越多的超精密机床开始采用光栅尺作为位置反馈元件,如美国RankPneu-mo公司的N anoform250,日本东芝机械研制的U LG-100A等。由哈尔滨工