陈 昊，陈 琦

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

在现代科技领域中，精密加工技术扮演着越来越重要的角色，并广泛应用于国防工业、信息产业等诸多方面。

在精密位移测量领域，常用的反馈元件有：激光干涉仪、直线光栅尺和电容测微仪等。电容测微仪的测量精度可以达到纳米级，但是其测量范围较小；激光干涉仪也可以获得较高的分辨率和精度，但是对环境要求较为苛刻，在测量较长距离时精度会明显降低；直线光栅尺是利用莫尔条纹数量来计算位移的，受环境影响较小，并且量程较大[1～3]。

传统的精密驱动方式有滚珠丝杠、静压丝杠、直线电机和摩擦驱动等方式。其中，摩擦驱动利用摩擦力将电机的回转运动转换成摩擦杆的直线运动，从而实现无间隙运动。相对于滚珠丝杠和静压丝杠，摩擦驱动不存在间隙和爬行现象，动静态刚度较高，对加工要求相对较低；相对于直线电机，摩擦驱动不会产生强磁场干扰，并且结构简单，无其他辅助设备[4,5]。

本系统以工控机作为控制平台，以摩擦驱动的方式驱动气浮承载台，并采用直线光栅尺作为位移测量元件，形成闭环控制。在200mm行程范围内，可以获得较高的定位精度。

1 系统设计方案

1.1 机械设计

精密定位平台由驱动部分、气浮承载台和位移反馈装置等三部分构成，如图1所示。气浮承载台的导轨采用密闭式结构，由2根导轨采用V型方式支撑起工作台；驱动部分由直流力矩电机、谐波减速器和摩擦杆等部分构成，由直流力矩电机带动摩擦杆进而驱动工作台运动；位移反馈装置由绝对式圆光栅和直线光栅尺两中元件构成，绝对式圆光栅安装在电机基座内，用于测量摩擦轮的转动角度；直线光栅尺安装在气浮导轨定导轨上，读数头安装在工作台的下端，用于测量工作台的位移[6,7]。

图1 精密定位平台的机械结构

1.2 硬件设计

本系统采用西门子IPC847C型工控机作为上位机，控制器选用Delta Tau公司的PMAC系统控制器。为了提高系统的传动比，选用减速比为1：160的LHD-40-160-C-I型谐波减速器。圆光栅选取雷尼绍公司的RA32BAA115B50A型产品，分辨率可以达到0.0003”。系统中摩擦轮的直径为10mm，可以计算得出圆光栅每个码值对应工作台的位移为0.7nm，可以满足系统测量需求以及进一步开发需求。力矩电机选用Aerotech公司的S-130-39A型力矩电机，其峰值扭矩可以达到9.42Nm，满足系统的驱动需求，为减小力矩波纹，采用线性驱动器驱动该矩电机。系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

选用雷尼绍公司的A-9766-0430型支线光栅尺作为整个系统的最终位置反馈，其测量范围430mm，分辨率可以达到1nm，测量精度可以达到，可以满足整个系统对位移测量的需求。将光栅尺安装在工作台气浮导轨的定导轨上，读数头安装在动导轨上，在工作台运动过程中，读数头通过莫尔条纹的个数读取相应的位移信息。

1.3 控制算法设计

PID控制以其结构简单、易于实现、调整方便、不基于模型的特性，广泛应用于各种工业控制场合。本系统采用半闭环和全闭环相结合的PID控制算法，其原理框图如图3所示。

图3 系统控制算法框图

在上位机中存储两组速度、加速度、PID参数数据信息，分别对应于工作台宏动和微动两种运动模式。上位机读取光栅尺的位移信息，若与期望位置相差的的位移大于20um，则发送宏动模式对应的参数，若小于20um则发送微动模式对应的参数。PMAC控制器根据接收到的指令，以圆光栅为反馈控制电机运行。

1.4 系统软件设计

在Labview环境中，完成上位机控制软件的编写，软件分为工作台位移监控区域、工作台运动控制区域、PID参数整定区域等三个部分构成，如图4所示。工作台位移监控区域用于监控圆光栅和光栅尺的读数，并实时显示；PID参数整定区域用于设定不同组PID参数；工作台运动控制区域用于设置工作台运行模式并向PMAC控制器发出相应控制指令以控制工作台运行。

2 系统测试实验及结果

2.1 PID参数整定实验

PMAC控制器提供了一种带有速度前馈和加速度前馈的PID控制算法，相对于传统的PID算法，其速度跟踪特性更好，对外部干扰的适应能力更强。其算法如下式所示：

图4 软件界面

式中Kp、Ki、Kd分别为PID算法中的比例、积分、微分系数，Keff、Kaff分别为速度前馈、加速度前馈系数，Ix08、Ix09为电机内置位置比例系数和速度比例系数，FE(n)、AV(n)、CV(n)、CA(n)、IE(n)分别是跟随误差、实际速度、给定速度、指令加速度、跟随积分误差[8,9]。

在参数整定过程中，首先调整Kp、Ki、Kd参数，再调整Kvff、Kaff等参数，使系统的动态响应达到最优[10]。图5为参数整定前的速度响应曲线，图6为参数整定后的速度响应曲线。可以看出，经过参数整定，系统的动态响应特性得到明显提高。

图5 参数整定前正弦跟踪曲线

2.2 定位平台步进运行实验

图6 参数整定后正弦跟踪曲线

实验在万级洁净房中进行，实验室的温度在20度，相对湿度为20%，将整个精密定位系统放置于大理石隔振平台上，令精密定位平台向正向运动10步，并向负向连续运动10步，每一步的步距为1mm，速度为1mm/s，得到精密定位平台的定位曲线如图7所示，定位偏差如表1所示。

图7 定位精度曲线

表1 定位平台每步定位误差

可以得出精密定位平均定位精度为132.95nm，定位精度在200nm以内，同时测得定位平台每一步的调整时间在2s以内，可以满足多数精密定位要求。

3 结论

本文以直线光栅尺作为测量元件，以直流力矩电机为执行原件，搭建了一个完整的闭环控制系统。以双闭式导轨承载气浮平台方式，采用摩擦驱动的方式，结合带有前馈算法的PID控制方法，可以达到亚微米级定位精度。通过实现表明，工作台的平均定位精度可以达到132.95nm，定位精度在200nm以内，调整时间在2s以内，可以满足多数精密定位要求。同时，在进一步研究过程中，该精密定位平台可以和其他微驱动方式相结合，使其定位精度达到纳米级，其应用范围也会进一步拓展。

[1] 姜文锐.大行程高精度微进给系统的研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2009.

[2] 包建东,徐威利,谢小敏,胡伟伟.二维精密定位平台控制算法研究[J].测试技术学报:2015,29(6),540-545.

[3] 田乃强.二维精密运动平台的轮廓伺服控制器设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.

[4] 申远,王怡影,竺长安,齐向东.光栅刻划机超精密定位系统定位控制研究[J].中国科学技术大学学报:2014, 44(2),165-170.

[5] 张东旭,毕果,王健,王詹帅,等.精密检测平台定位误差自适应补偿技术[J].强激光与粒子束:2014,26(2),1-6.

[6] 刘强,张从鹏,直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台[J].光学精密工程:2007,15(10).

[7] 张旭忠.直线电机驱动的气浮导轨实验台研制[D].西安: 西安工业大学,2012.

[8] 梅洪,单家元.PMAC控制板在转台控制系统中的应用[J].微计算机信息:2003,19(6),8-9.

[9] 李晓静,吴庆宪, PMAC控制程序在双轴运动平台中的实现[J].机械工程与自动化:2005,(5),29-33.

[10] 陈东生.PMAC控制下的高精度转台双闭环伺服系统调试[J].机械设计与制造:2009,(1),196-198.