大行程纳米级两级驱动三维精密位移系统的设计

采用粗精两级驱动的方式设计了大行程纳米级三维精密位移系统。位移系统的粗驱动通过采用PID自适应控制器控制伺服电机加精密丝杠拖动一维工作台来完成,位移系统的精驱动通过层叠型的压电陶瓷位移器(PZT)来完成。采用程序控制法实现μm级和nm级两级驱动的匹配。设计了基于迈克尔逊干涉原理的可溯源的计量系统,两级驱动的定位检测都由该计量系统来检测,减小了累积误差,并运用实验验证了位移系统的有效性。

三维精密位移系统的设计

为满足精密位移的需要,研究开发了一种大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。采用模块化结构设计,即3个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构,分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z3个方向采用粗、精两级驱动,并分别装有计量光栅。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行,精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行,每个方向的两级驱动共用一套计量光栅,从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计,分析了位移系统的位移分辨率、计量原理以及它的运动性能。实验表明,在40mm位移行程内,X、Y和Z向工作台两级驱动实际位移与设定位移之差分别不超过±0.030、±0.028和±0.033μm,验证了位移系统设计的有效性,为位移系统的设计提供了依据。