專利名稱：大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密定位技術，是MEMS關鍵技術之一，針對納米量級精密定位技術中宏動 臺定位穩定性問題，提出一種大行程納米位移定位控制方法及系統。
背景技術：
納米技術是21世紀最有前途的新興學科之一。其發展十分迅猛，并由此開創了納米電子 學、納米材料學、納米生物學、納米機械學、納米制造學、納米顯微學及納米測量學等高技 術群。納米科學與技術從廣義上說可定義為0. 1 100nm尺度空間(分子和原子水平)上的工程 學，它是21世紀科學技術發展的前沿，將導致人類認識和改造世界能力的重大突破。1999 年10月在中國召開的"面向21世紀計量測試理論與儀器研討會"上，專家們就認為納米 級測量已經成為當今測量領域的熱點，在新的世紀要繼續解決好納米尺度的產生、傳遞及標 定的理論和技術。隨著人們對納米科學的不斷探索，納米定位技術已經廣泛應用于許多學科 與領域，特別是當代超精密加工技術、納米技術、微機電系統等的興起與發展對長度量的測 量提出了越來越高的要求。如在微電子領域，1999年的典型線寬為180nm，到2006年的典型 線寬為100nm， 2009年的典型線寬將為70nm，而定位精度應為線寬的1/3 1/4;在醫療科學 領域，醫學手術上的超薄切片，切厚為100土5咖；在生物工程領域，DNA的尺度在2 3nm范 圍內等。因此，納米定位技術在超精加工、微電子工程、生物工程、納米技術領域中有著重 要的應用。隨著科學技術的不斷發展，應用將越來越廣泛，它將在制造業、航空航天工業、 國防軍事工業以及現代醫療等方面發揮巨大的潛力。而要實現這些納米級加工與測量都離不 開超精密定位即納米定位技術。
國內外有關精密定位工作臺大多是采用宏微兩級控制驅動，定位精度和分辨率已從過去 的毫米級過渡到了微米級、從亞微米級進入到了目前的納米級。但當宏動臺完成宏運動的同 時，雖然進行了補償，但宏動臺仍然會有微小的振動，對于高精度定位系統，其影響是不可 忽視的。目前，基本都是通過研究宏動臺自身特性，從內部入手采取補償措施，尚未檢索到 一種對宏動工作臺外部進行鎖定的裝置。
發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的不足，提出一種大行程納米位移定位宏動臺鎖定 控制方法及系統，基于現有的納米量級宏偉兩級驅動定位平臺，采用本發明提供的方法和系 統，對現有系統硬件結構進行配置改進(壓電陶瓷鎖定裝置)，通過宏定位、鎖定宏動臺、動
態切換至微動臺進行微位移補償，實現系統目標位置，完成定位。 為達到上述目的，本發明的構思是 令宏動臺運動完成宏定位
宏定位系統是用來實現大行程定位，首先由PMAC控制器按照預先設定來控制宏動臺移動， 同時，宏動臺側面的金屬光柵尺會不斷檢測定位位置并實時將其反饋至控制器，當檢測到的 定位誤差小于切換閾值時，完成宏定位。
令鎖定宏動臺，完成動態切換 當控制器檢測到的宏動臺定位誤差小于切換閾值時，將驅動電壓經放大器放大后施加到 壓電陶瓷傳動裝置，使得壓電陶瓷立即產生位移通過與其接觸的彈簧頂住導軌以減小間隙， 從而對宏動臺實現鎖定。同時，上位機控制動態切換到微動臺補償位移。
微動臺進行微位移補償，達到系統定位目標
由上位機控制動態切換到微定位系統后，安裝在宏動臺上的微動工作臺進行微位移補償， 通過微動臺內部電感測微儀進行位置反饋以實現微定位控制的局部閉環，另外，微動臺側面 裝有光柵測量裝置實時反饋定位位置至PMAC卡，另外，在微動臺上裝有的反射鏡用于實現激
光干涉儀的定位誤差測量，從而實現宏、微兩級定位。
根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案
一種大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法，其特征在于具體操作步驟如下-
a. 上位機的通訊界面發出指令進行控制，首先使宏定位系統工作，對宏動工作臺 實現宏定位；
b. 通過上位機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統；
c. 由微定位系統控制微動工作臺進行微位移補償進而達到系統要求的目標位置， 完成定位。
上述步驟a中的宏動工作臺實現宏定位的方法是首先由PMAC控制器按照預先設定來控 制宏動工作
臺移動，同時，宏動臺側面的金屬光柵尺會不斷檢測定位位置并實時將其反饋至控制器，當 檢測到的定位誤差小于切換閾值時，完成宏定位。
上述步驟b中的通過上位機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統的方法是 當控制器檢測到的宏動臺定位誤差小于切換閾值時，將驅動電壓經放大器放大后施加到壓電 陶瓷傳動裝置，使得壓電陶瓷立即產生位移頂住導軌以減小間隙，從而對宏動臺實現鎖定。
上述步驟c中的微定位系統控制微動工作臺進行微位移補償進而達到系統要求的目標位
置，完成定位的方法是由上位機控制動態切換到微定位系統，安裝在宏動臺上的微動工作 臺進行微位移補償，通過微動臺內部電感測微儀進行位置反饋以實現微定位控制的局部閉環， 另外，微動臺上裝有反射鏡用于實現激光干涉儀的定位誤差測量，從而實現宏、微兩級定位。
一種大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制系統，應用于大行程納米位移定位宏動臺鎖定 控制方法，其特征在于上位機經PMAC控制器、伺服電機驅動器、交流伺服電機連接宏動臺， 所述宏動臺經編碼器、光柵測量裝置I連接PMAC控制器，所述PMAC控制器經鎖定裝置連接至 宏動臺；所述上位機經PZT驅動器連接微動臺，所述微動臺經光柵測量裝置II連接PMAC控制 器，所述微動臺連接激光干涉儀；所述上位機為計算機。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯著優點本發明能夠減小宏動臺運動停止后臺面 的振動，減小定位誤差，提高系統的定位精度，而且裝置簡潔便于操作，使用范圍廣，不僅 局限于定位系統，經過較小的改動，可以應用于相似控制功能的系統。
圖l是大行程納米位移定位控制方法流程圖； 圖2是大行程納米位移定位系統結構框圖； 圖3是大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制框圖； 圖4是大行程納米位移定位整個系統軟件框圖； 圖5是大行程納米位移定位工作臺總圖； 圖6是大行程納米位移定位宏動臺立體圖； 圖7是大行程納米位移定位宏動臺鎖定裝置局部安裝圖； 圖8是大行程納米位移定位宏動臺鎖定裝置壓電陶瓷組件； 圖9是大行程納米位移定位微動臺二維圖；
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下參見圖2，本大行程納米位移定位宏動臺
鎖定控制系統是上位機1經PMAC控制器2、伺服電機驅動器3、交流伺服電機4連接宏動 臺5，所述宏動臺5經編碼器6、光柵測量裝置I 11連接PMAC控制器2，所述PMAC控制器2 經鎖定裝置12連接至宏動臺5;所述上位機1經PZT驅動器7連接微動臺8,所述微動臺8 經光柵測量裝置II 9連接PMAC控制器2，所述微動臺8連接激光干涉儀10;所述上位機1 為計算機。
本實施例為大行程納米位移定位宏微兩級驅動定位平臺設計了一種宏動臺鎖定裝置，該 裝置由壓電陶瓷、彈簧及支架組成。圖5是大行程納米位移定位工作臺總圖，l.宏動臺及其
驅動、測量裝置2.微動臺及其驅動、測量裝置3.激光干涉儀標定裝置。圖6是宏動臺立體圖， 圖7、圖8是大行程納米位移定位宏動臺鎖定裝置的局部安裝圖與壓電陶瓷組件。
參見圖1，本大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法的操作步驟如下
(1) 計算機(上位機)的通訊界面發出指令進行控制，首先使宏定位系統工作，帶動宏、 微兩級工作臺一起運動，當檢測到的定位誤差小于切換閾值時，完成宏定位；
(2) 通過計算機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統；
(3) 由微定位系統控制微動工作臺進而達到系統要求的目標位置，完成定位。
參見圖2，本大行程納米位移定位系統是上位機(1)經PMAC控制器(2)、伺服電機驅動器 (3)、交流
伺服電機(4)連接宏動臺(5)，所述宏動臺(5)經編碼器(6)、光柵測量裝置I (11)連接 PMAC控制
器(2),所述PMAC控制器(2)經鎖定裝置(12)連接至宏動臺(5);所述上位機(1)經 PZT驅動器(7)
連接微動臺(8)，所述微動臺(8)經光柵測量裝置II (9)連接PMAC控制器(2)，所述微動 臺(8)連
接激光干涉儀(10)。在圖3中示出宏動臺鎖定裝置(12)控制框圖。 大行程納米位移宏微兩級驅動定位平臺詳細定位過程如下
1)宏動臺由瑞士 Schneeberger公司兩副精密級直線滾動導軌和精密級滾珠絲杠組裝而 成，由帶增量瑪盤(2048線)的交流伺服電機(3000rpm， 100w)驅動，如圖6所示，1.底座 2.滾動導軌3.光柵尺4.讀數頭5.宏動臺6.絲杠7.聯軸節8.電機9.編碼器。其 中，滾珠絲杠的直徑為①16，導程4mm，直線導軌型號為R3 200D的CO級滾動導軌，臺面位 移量最大可達150毫米，兩組直線滾動導軌的直線性2pm/150mm。考慮到傳動部件中的空程 會對伺服系統帶來負面影響，采用了雙螺母結構、導軌預緊等措來消減間隙。本系統選用安 川SGMAH系列的交流伺服電機作為驅動元件。伺服電機型號SGMAH-01AAA41，容量IOOW，額 定電壓200V，額定轉速3000r/min，允許徑向負載78N，軸向負載54N，自帶13bit增量編 碼器、脈沖數2048。宏動載物臺的技術指標如下
工作范圍 100 mm
分辨率 0.5tim
定位精度 5um
重復定位精度 ±lum 運動速度 30 mm/s
宏定位系統包括宏動臺、金屬光柵測量裝置組成的控制對象及定位測量系統；基于PMAC 的宏定位
控制系統兩部分，宏定位系統是用來實現大行程定位。首先由PMAC控制器按照預先設定來控 制宏動工作臺移動，同時，對編碼器反饋回來的信號進行實時過濾、運算，比較，判斷，然 后給伺服系統指令，以控制交流伺服電機的轉速、方向、起停等，驅動執行機構運動，除了 采用伺服電機自帶的編碼器進行速度反饋外，還采用分辨率為0. 5|am Renishaw金屬光柵尺及 讀數頭，實現對工作臺的位置實時反饋，采用全閉環的控制方式保證系統的定位精度，當檢 測到的定位誤差小于切換閾值時，完成宏動工作臺的宏定位過程。
2) 宏動臺鎖定裝置由壓電陶瓷、彈簧以及支架組成，如圖7所示，壓電陶瓷組件10與宏 動臺5固定，
壓電陶瓷組件如圖8所示，1.壓電陶瓷2.彈簧3.支架。瓷選用的是東和商事株式會社的型號 是AE0505D16，
最大伸長量為20ym。當檢測到宏動臺的定位誤差小于切換閾值時，PMAC卡控制器將立即發 出控制信號
給宏動臺鎖定裝置(壓電陶瓷組件10)，當壓電陶瓷1被施加電壓后會瞬時產生微小位移， 通過其5毫米
x5毫米的接觸面連接的彈簧2把位移傳遞出去，頂住導軌2，減小間隙，從而鎖定宏動臺5。
3) 微動工作臺選用的型號是PI公司P-750. 10，如圖9所示。工作行程為75剛，分辨率 為10咖，重復定位精度是土20nm，閉環線性度為0. 1%，最大負載為10Kg， PI公司將這些 產品進行了模塊化設計，其中電壓放大模塊(E-505)、傳感器、定位伺服控制模塊(E-509) 和顯示模塊(E-515)安裝在單通道機架E-501內，使得整個微定位系統結構緊湊、操作方便。 P-750. 10由低電壓(0 — 100v)驅動壓電陶瓷(PZT)，柔性鉸鏈采用電火花加工以獲得極高 的分辨率，工作臺內置了線性差動電感測微儀LVDT (linear variable differential transformer)作為微定位反饋傳感器，使得微動臺形成了內部閉環控制，易于保證定位精度。 微動臺有兩根引線，其中細線與E-505相連，是驅動引線，用于向PZT輸入0 — 100v電壓， 粗線是LVDT反饋傳感器引線，與E-509上的SENSOR插頭相連，實現微動臺的反饋控制。
由計算機控制動態切換到微定位系統，安裝在宏動臺上的微動工作臺進行微位移補償， 通過微動臺內
部電感測微儀進行位置反饋以實現微定位控制的局部閉環，另外，微動臺上裝有反射鏡用于 實現激光干涉儀的定位誤差測量，從而實現宏、微兩級定位。
大行程宏微兩級驅動納米位移定位系統的軟件框圖如圖4所示。
權利要求
1.一種大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法。其特征在于具體操作步驟如下a. 上位機的通訊界面發出指令進行控制，首先使宏定位系統工作，對宏動工作臺實現宏定位；b. 通過上位機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統；c. 由微定位系統控制微動工作臺進行微位移補償進而達到系統要求的目標位置，完成定位。
2. 根據權利1所述的大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法，其特征在于所述步驟a中 的宏動工作臺實現宏定位的方法是首先由PMAC控制器按照預先設定來控制宏動工作臺 移動，同時，宏動臺側面的金屬光柵尺會不斷檢測定位位置并實時將其反饋至控制器， 當檢測到的定位誤差小于切換閾值時，完成宏定位。
3. 根據權利1所述的大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法，其特征在于所述步驟b中 的通過上位機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統的方法是當控制器檢 測到的宏動臺定位誤差小于切換閾值時，將驅動電壓經放大器放大后施加到壓電陶瓷傳 動裝置，使得壓電陶瓷立即產生位移頂住導軌以減小間隙，從而對宏動臺實現鎖定。
4. 根據權利1所述的大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法，其特征在于所述步驟c中 的微定位系統控制微動工作臺進行微位移補償進而達到系統要求的目標位置，完成定位的方法是由上位機控制動態切換到微定位系統，安裝在宏動臺上的微動工作臺進行微位移補償，通過微動臺內部電感測微儀迸行位置反饋以實現微定位控制的局部閉環，另 夕卜，微動臺上裝有反射鏡用于實現激光干涉儀的定位誤差測量，從而實現宏、微兩級定 位。
5. —種大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制系統，應用于根據權利1所述的大行程納米位 移定位宏動臺鎖定控制方法，其特征在于上位機(1)經PMAC控制器(2)、伺服電機驅 動器(3)、交流伺服電機(4)連接宏動臺(5)，所述宏動臺(5)經編碼器(6)、光柵 測量裝置I (11)連接PMAC控制器(2)，所述PMAC控制器(2)經鎖定裝置(12)連接 至宏動臺(5);所述上位機(1)經PZT驅動器(7)連接微動臺(8)，所述微動臺(8) 經光柵測量裝置II (9)連接PMAC控制器(2)，所述微動臺(8)連接激光干涉儀(10); 所述上位機(1)為計算機。
全文摘要
本發明涉及一種大行程納米位移定位宏動臺鎖定控制方法及系統。本方法的操作步驟是(1)計算機(上位機)的通訊界面發出指令進行控制，首先使宏定位系統工作，帶動宏、微兩級工作臺一起運動，當檢測到的定位誤差小于切換閾值時，完成宏定位；(2)通過計算機控制鎖定宏動工作臺，同時動態切換到微定位系統；(3)由微定位系統控制微動工作臺進而達到系統要求的目標位置，完成定位。本系統主要包括宏、微二級工作臺及其相應的驅動系統；光柵反饋系統；PMAC控制器；激光干涉儀標定系統；計算機系統；以及隔振消除噪聲裝置(氣浮隔振平臺)等。在現有系統上，根據需求，采用本發明提供的方法，對現有系統硬件結構進行配置(壓電陶瓷驅動裝置)，當宏動臺達到定位要求停止運動時，通過壓電陶瓷對其進行鎖定，從而提高系統的定位精度。
文檔編號G05B19/418GK101369155SQ20081004064
公開日2009年2月18日 申請日期2008年7月16日 優先權日2008年7月16日
發明者陳榮蓮, 穎 韓 申請人:上海大學