直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台

建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法和双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究。利用有限元法设计了气浮导轨,分析了气膜压力场的分布情况,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度等性能。静态特性实验表明,开发的定位平台气浮导轨具有较高的承载能力和刚度,X、Y导轨的竖直方向静刚度为276.9 N/μm和333.3 N/μm。设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应在线整定。运动实验表明,改进的控制器具有较高的同步控制精度,速度同步精度比一般同步控制提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制。H型直线电机气浮定位平台具有承载能力强、精度高的优点,可以用于光刻机和光学检测等精密工程领域。     

基于静压气浮导轨的直线电机高性能工作台的研制

精密定位技术是精密工程领域的关键技术,由直线电机驱动的气浮直线导轨工作台在超精密运动领域得到广泛应用。本文介绍了静压气浮导轨的设计方法,开发了止推气浮轴承设计软件;为了提高气浮导轨的承载能力和刚度,总结提出了几种适用于不同结构气浮导轨的预加载技术;运用气浮轴承设计系统和适合的预加载技术,研制了能满足大惯量、高速度、高精度要求的H型直线电机气浮工作台。     

精密高刚度二维气浮工作台的设计与分析

目前精密二维气浮工作台的研究,存在着二维气浮工作台的刚度和承载力较小的问题,设计了一种以精密方箱为基准的精密高刚度二维气浮工作台。该气浮工作台采用整体式气浮导轨副设计,全部构件以精密方箱为位置基准,用精密方箱自身的高平面度、平行度和垂直度来保证X轴和Y轴导轨的运行直线精度和系统刚度,并且工作台采用直线电机驱动,消除了传统机械传递带来的误差。该实验台具有机械精度高、运动直线度高、系统刚度大、安装维护容易等特点,能在精密加工、精密测量领域中广泛使用。     

用于硅片检测的精密直线运动平台的设计与实现

硅片检测过程要求其运动系统具有较高的精度,实现其中的精密直线运动对整个复合运动平台至关重要.采用直线电机驱动的方式设计了一套精密直线运动平台,阐述了其机械系统和控制系统设计过程.实验结果和实际应用表明：本平台比目前采用滚珠丝杠驱动的直线运动平台具有更高的精度、更大的加速度、运行更平稳和更长的寿命等优点,可以完成硅片检测过程要求的运动,运动精度满足了应用场合的要求.     

一种采用磁悬浮的直线电机精密检测方法研究

针对传统直线电机电磁参数检测中由于摩擦引起的测试精度低等问题,根据永磁同步直线电机电磁分析模型和傅里叶级数法分析了电机气隙磁密、反电动势和电磁推力,提出了一种利用磁悬浮技术的直线电机无接触式精密检测方法,同时设计了对应的实验装置。该检测方法采用磁悬浮技术将被测直线电机无接触地悬浮在直线导轨上,由陪测电机带动被测电机沿导轨做直线运动,在运动过程中通过测量陪测电机与被测电机之间的相对位/力关系来实现电机力/电参数的测量。建立了该精密检测方法的实验平台,并利用实验平台实测了直线电机的推力波动和反电动势两个参数。     

精密双层气浮直线电机动力学响应分析

高分辨率步进扫描投影光刻机中的精密双层气浮直线电机采用气浮轴承支撑,实现亚微米级定位的高速高精运动。考虑其气固耦合特性以及对运动精度产生的影响,通过有限元的方法建立了精密双层气浮直线电机的有限元模型。在该模型的基础上,应用模态叠加法分析了该系统在各种条件下的动力学响应,得到了在X、Y、Z三个方向的加速度响应曲线;同时,借助实验模态方法,验证了该系统动态响应,从而得到了该系统的谐振频率。仿真计算结果和模态实验结果的偏差小于10％,证明了该模型是正确有效的,为下一步的动态优化和控制设计打下基础。     

直线电机精密工作台扰动观测器设计

针对直线电机驱动、气浮导轨支撑的精密工作台没有机械阻尼、抗扰动性能差的特点,为了在较短的位置伺服周期内(110μs)抑制工作台上的线缆扰动以及直线电机推力波动的影响,提高工作台的轨迹跟踪精度,采用了基于精密工作台名义模型的方法设计扰动观测器,构成PD+扰动观测器的运动控制结构。通过实验,与没有扰动观测器的PD控制相比较,工作台静态定位精度提高了0.3μm,以120 mm/s匀速运动时工作台的轨迹跟踪精度提高了2μm。结果表明,该控制方法计算量小,抑制外部扰动效果好,有利于工作台综合性能的提高。     

偏心驱动下气浮支承精密运动平台的稳定性和精度分析

为了降低偏心驱动对气浮支承精密运动平台的精度和稳定性的影响,建立了偏心驱动下运动平台的理论分析模型.采用无量纲的偏心率表征驱动力位置和检测位置的偏心,分析了偏心率对系统稳定性和精度的影响规律.根据实际精度和稳定性指标要求,提出了偏心率设计准则,即在设计精度决定的控制带宽下,保证合理的稳定性裕度,偏航和俯仰方向偏心率的控制范围.所提方法已用于气浮支承精密运动平台的设计,试验结果表明运动平台的位置跟踪误差在设计要求内.     

光学玻璃专用平面磨床工作台静压导轨设计

光学玻璃专用平面磨床是应用于激光技术、光电通讯、航空航天以及国防工业等领域大尺寸光学玻璃精密加工的专用机床。工作台所在轴的运动是加工辅助运动,其运动精度是影响加工精度的一个重要因素,通过创新设计确定了工作台与床身之间结构为直线电机驱动的双层静压导轨设计方案,力封闭直线电机驱动静压导轨和结构封闭的工作台闭式静压导轨双层结构之间采用弹性连接,有效地避开了直线电机驱动过程中电磁力等因素对工作台运动精度的影响,确保了光学玻璃专用平面磨床的加工精度。     

整体闭式与开式气浮导轨静态性能对比分析

静压气浮导轨是精密气浮工作台的重要组成部件,其承载能力和刚度直接影响了工作台的平稳性以及所加工零件的精度。针对所设计的精密高刚度二维气浮工作台,提出采用有限差分的数值计算方法,在双边间隙总和与供气压力相同的条件下,对整体闭式及开式气浮导轨的气浮面进行整体求解计算,对比分析其压力分布、承载能力、刚度等静态性能参数。结果表明:由于闭式气浮导轨的下气浮块在垂直方向上起到了辅助支撑的作用,形成了四周封闭的气膜面,因此增强了闭式气浮导轨的紧密性和可靠性,使得整体闭式气浮导轨的刚度和稳定性均优于开式气浮导轨;实验结果与理论分析较吻合,为此类精密定位平台的设计优化提供了理论依据。     

直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台视觉精密定位

提出一种直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台,研究并联平台视觉精密定位技术。给出并联平台结构并采用矢量链法得到并联平台运动学模型。针对并联平台动平台位姿测量问题,利用视觉系统作为反馈单元,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现对动平台位姿精确测量;针对传统PID关节控制器在实际控制中问题,采用基于扰动观测器的并联平台支链控制器模型。试验结果表明：对于目标位置为(20 mm,20 mm),并联平台半闭环控制精度约为±500 µm,而通过视觉定位精度达到±5 µm。视觉定位较半闭环控制大幅提高了并联平台定位精度,能够满足并联平台大行程、高精度定位的需求。     

超声电机直驱的电动物镜控制方法

针对超声电机直接驱动的显微镜物镜为满足系统整体结构紧凑、快速和准确定位的需求,采用小型光电耦合器设计了位置检测传感器,配合遮挡片实现了物镜位置和物镜转换器运动方向的检测。采用传统比例-积分-微分控制(proportion-integral-derivative control,简称PID)和模糊控制提出了并行切换控制策略,将两者结合建立了宏微相融合的预测控制方法,实现了物镜转换器的高精度、快速切换控制。在嵌入式控制系统中实现了所设计的控制算法和策略,并进行了物镜自动切换控制实验。实验结果显示,采用笔者提出的定位结构和控制方法,电动物镜转换器的重复定位误差小于0.015°,定位时间小于3s,满足自动显微镜系统中对电动物镜转换器重复定位精度的要求。     

基于DSP控制的高精度机械定位系统

介绍了一种应用于同步位置检测的高精度机械定位系统。系统基于转子磁场定向控制理论和误差补偿算法,采用DSP控制永磁同步伺服电动机,驱动高精度LM滚动导轨智能组合单元,实现对工作台的精确定位。在转子磁场定向控制理论和误差补偿算法基础上,给出了系统的组成及软硬件设计方案。采用C++\C语言对上下位机编程,实现了系统运动的快速性和精确性。实验结果表明,该系统达到微米级的定位精度并具有良好的操作性能。     

Compact maglev stage system for nanometer-scale positioning

Semiconductor manufacturing systems and ultra-precise machine tools now require nanometer-scale positioning accuracy. To improve positioning accuracy, it is efficient to support the top table with a noncontact guide system to prevent guide friction and heat transfer from the lower table or base. A magnetic levitation (maglev) stage can accomplish ultra-precise positioning accuracy with six-degrees-of-freedom (6DOF) control even in vacuum conditions. However, if the gravity of the levitated table is supported by the thrust of a linear motor, heat generation from the motor coil dramatically increases. In addition, a larger motor is required, which causes the moving mass to increase and the mechanical response to deteriorate. We aimed to develop a compact maglev stage for which the levitated mass is less than 1 kg and that is dramatically more lightweight than existing maglev stages. This compact feature was enabled by our newly proposed gravity compensation system with repellent force and a planar motor structure. The developed stage system also has long strokes, specifically 200 mm in the X and Y-directions on a horizontal plane. We designed a maglev stage with the following design concepts to create its compact structure: (1) Reduce top-table mass to minimize the motor dimensions and enable a light weight and high responsiveness. (2) Measure the top-table position from the base to eliminate positioning error and isolate vibrations of the coarse stage. (3) Install a motor in a symmetrical layout in view from the Z-axis to enable the same driving characteristics between the X and Y axes. The results of the performance evaluation showed that the developed maglev stage system with a compact structure with 0.81 kg levitated mass has ±10 nm positioning stability.     

多目视觉与激光组合导航AGV精确定位技术研究

为进一步提高自动导引车(AGV)的定位精度,提出了一种多目视觉与激光组合导航的精确定位方法。该方法首先提出了一种基于双目视觉实时测量的AGV位姿控制技术,通过多目视觉系统来识别导引线侧的多个圆形标识点完成前瞻预判与精准定姿。采用基于代数距离方差校验的改进型最小二乘拟合椭圆算法来确定各标识中心坐标,结合激光扫描与视觉定位信息,采用无迹卡尔曼滤波算法进行多传感器信息融合,最终实现精确定位。实验结果表明:使用该方法后定位精度明显得到提高,控制曲线更为平滑,定位鲁棒性更好,姿态调整精度可达±0.5°,停车定位精度可达±1 mm。     

聚合物微器件压力自适应超声波精密联接

将超声波联接技术应用于聚合物微器件的联接,搭建了超声波精密联接系统。为了保证微器件在精密联接中的形状精度,选用工作频率为60 kHz的超声换能器及驱动电源为微器件提供高频、低振幅的超声波振动;以高细分步进电机驱动直线导轨控制超声波工具头的纵向移动,精确控制超声波工具头的位置,并结合力传感器实现了超声波联接过程中聚合物材料力学性能的实时检测。针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题,提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法,可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验,实验结果表明,该方法大幅提高了超声波联接的稳定性,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。     

Nano positioning control for dual stage using minimum order observer

A nano positioning control is developed using the ultra-precision positioning apparatus such as actuator, sensor, guide, power transmission element with an appropriate control method. Using established procedures, a single plane X-Y stage with ultra-precision positioning is manufactured. A global stage for materialization with robust system is combined by using an AC servo motor with a ball screw and rolling guide. An ultra-precision positioning system is developed using a micro stage with an elastic hinge and piezo element. Global and micro servos for positioning with nanometer accuracy are controlled simultaneously using an incremental encoder and a laser interferometer to measure displacement. Using established procedures, an ultra-precision positioning system (100 mm stroke and ±10 nm positioning accuracy) with a single plane X-Y stage is fabricated. Its performance is evaluated through simulation using Matlab. After analyzing previous control algorithms and adapting modern control theory, a dual servo algorithm is developed for a minimum order observer to secure the stability and priority on the controller. The simulations and experiments on the ultra precision positioning and the stability of the ultra-precision positioning system with single plane X-Y stage and the priority of the control algorithm are secured by using Matlab with Simulink and ControlDesk made in dSPACE.     

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。     

基于移动最小二乘的数控龙门导轨磨床定位误差建模及补偿技术

为提高国产大型龙门导轨磨床精度,针对大型龙门导轨磨床的定位误差,应用移动最小二乘法建立误差模型。移动最小二乘法是形成无网格方法逼近函数的方法之一,生成的曲线曲面具有精度高、光滑性好等许多优点,其建模精度远高于普通最小二乘法（LS）。为实现大型导轨磨床的在机实时补偿,应用外部坐标偏移法对大型龙门导轨磨床定位误差进行补偿。补偿后,大型龙门导轨磨床精度提高89.3%,有效提高了该龙门导轨磨床的加工精度。     

基因测序仪运动平台的高精度定位控制

为了实现对基因测序仪运动平台的高精度定位控制,建立了基因测序仪运动平台控制系统。对该系统所采用的数学建模、模型辨识、控制器设计、输入整形等方法进行研究。根据运动平台动力学方程和永磁同步直线电机电压-推力关系构建了运动平台数学模型,利用频域扫描法在实物实验的基础上辨识出运动平台的模型参数。最后,基于运动平台模型设计了双闭环控制器和前馈控制器组成的复合控制器来保证运动平台的稳定性和高精度,同时根据整个系统的主导极点设计了输入整形器以抑制运动平台的残余振荡。实验结果表明:加入了输入整形的复合控制器将运动平台的稳态重复定位精度从±1.47μm提高到±0.354μm。较传统复合控制器,本文提出的方法能使基因测序仪运动平台更快进入可用重复定位精度范围,并基本满足基因测序仪采集图像时所需的稳定性强、精度高等要求。