X_Y精密数控工作台宏平台的设计及实现

第25卷第3期桂林电子工业学院学报V o l. 25, N o. 3 2005年 6月Jun

JOURNAL OF GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY . 2005 X -Y 精密数控工作台宏平台的设计及实现

谢扬球,谭永红,雷兴华,李若愚

(桂林电子工业学院计算机系 ,广西桂林541004)

摘要:一种实际应用于X-Y精密数控工作台之中的宏平台,其摈弃了减速系统,具有结构简单、摩擦阻力

小、动作灵敏和扩展潜力强等特点。经试验运行,宏平台的技术指标,完全满足X -Y精密数控工作台系统

的使用要求,同时也可单独用于要求大行程、中等位移精度的实际生产过程中。

关键词:宏平台;机构设计;精密位移;设计指标

中图分类号: T H39文献标识码: B文章编号: 1001-7437( 2005) 03-64-04

引言

大行程精密位移技术被广泛应用于半导体加工、精密制造、光学工程等领域的实际生产中,用以提高加工精度,制造出体积更小、能耗更低、功能更强大的产品。因此,具有50mm以上行程、亚微米级以下定位精度的多自由度精密位移技术已经成为相关产业的关键技术之一。针对此要求,近年来,国内外对大行程高精度位移技术进行了大量的研究[ 1～7]。

在多自由度微位移技术的研究中存在着一个突出的矛盾:高精度和大行程的矛盾。解决这一矛盾的关键在于设计合理的机械执行装置。用两级传动机构,第一级机构首先完成大行程运动,第二级机构以第一级机构的行程误差作为其目标行程,执行补偿动作,通过两级机构的组合,共同完成大行程高精度的位移动作。这种模式可以有效地利用微位移机构高精度的定位能力,大大降低系统对大行程机构位移精度的要求[ 3]。但应用这种模式有两个前提条件。

1 实现原理

目前,实现大行程高精度、具有一定运行速度和负载能力的位移主要有两种方法。

第一,只采用一级传动机构,同时满足大行程和高精度的要求[2 ]。这种方法的优点在于只需采用一套机械系统和一套相应的控制系统。但此法最大的缺点是系统对机械装置和控制系统的要求非常高,必须采用特殊的材料、工艺以及具有精确数学模型及精确补偿模型的伺服控制系统来保证位移精度的实现。

第二,采用宏/微结合的模式(如图1所示)。即采

图1宏/微结合精密工作台的实现模式

( 1) 第一级机构的行程误差必须小于第二级机构 (微定位平台 )的最大行程 ,即第一级机构的误差具有可补偿性;

( 2) 对轨迹精度有要求时,第二级机构的控制周期必须小于第一级机构的有效控制周期,即第二级机构的补偿动作具有有效性和实时性。

我们研制的精密定位系统采用宏/微结合的模式如图2所示。在这种模式下,第一级机构(即宏平台)不仅需要完成大行程、具有一定精度的位移,而且,宏平台也是微平台、伺服系统和测量系统等装置的安装

收稿日期: 2005- 04- 07

基金项目:国家自然科学基金( 50265001);广西自然科学基金( 0339068)

作者简介:谢扬球( 1979-) ,男,广西贺州市人,桂林电子工业学院计算机系硕士研究生,目前主要从事精密位移实现技术方面的研究.

第 3期

谢扬球等:

X Y

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基座。 因此 ,宏平台是精密数控工作台系统的重要环节 ,直接关系到设计指标的实现。 本文描述了一种实际应用于 X -Y 精密数控工作台之中的宏平台 ,它的传动、导向机构根据设计指标选用南京某厂生产的产品 ,联接、安装等机构根据使用要求设计加工 ,最后根据实际使用环境进行装配和调试。

板、联轴器直接安装在各分平台的前端 ,摈弃了减速系统;宏平台固定安装在基座的特定位置上 ,保证宏平台在静止时 (即处于行程中点〈50, 50〉) ,平台的重心 ( x 10 , y 10 )与基座的重心 ( x 20 , y 20 )重合 ,保证在宏平台运行过程中产生的倾覆力矩均值为零且相互对称;整个平台通过安装基座安置在密闭空间中 ,可有效地削弱温度、湿度、浮尘颗粒等不利因素对定位精度的影响 ,同时还可以起保护重要零部件、防止锈蚀的作用。

图 2 精密工作台的总体结构示意图

1- 隔振系统; 2- 宏平台; 3- 微平台; 4- 精密光栅测量系统 ; 5- 电机; 6- 隔离罩; 7- 控制器; 8- 数据传输线; 9- 上位机。

2 宏平台的设计

根据 X -Y 精密数控工作台的总体设计要求 ,宏平台的主要技术指标为:

( 1) 自由度 2个: X 向、 Y 向; ( 2) 最大行程为: 100 m m× 100 mm; ( 3) 定位精度为: ≤ 10μm; ( 4) 负载: ≥ 10 kg;

( 5) 最大运行速度: 40m m /s;

( 6) 具有较强的扩展潜力和环境适应能力。

2. 1 总体设计

宏平台在 X -Y 精密数控工作台系统中的作用是实现大行程的运动 ,并且使位移误差小于微平台的最大补偿行程 ,保证误差具有可补偿性。 作为样机的研制 ,在设计中 ,除了需要考虑可行性、经济性等要求以外 ,还必须注意系统的可扩展性和对环境的适应性 , 为将来的实际应用和深入研究做铺垫。 基于上述原因 ,宏平台采用了层叠式结构。 工作台总体结构示意图如图 3所示。 宏平台由两台相同的、只具有单维运动能力的分平台构成 ,其中一个平台 ( X 平台 )固定安装在另一个平台 ( Y 平台 )上 ,在三维坐标系中保持严格的直角关系 ;微动平台固定安装在宏平台上; 光栅测量系统和接近开关安装在各分平台右侧面 (从

电机方向看 ,下同 )的支架上; 伺服电机和编码器通过联接

图3工作台结构示意图

1- 玻璃罩; 2- 隔振系统; 3- 石板; 4- 基座 ; 5- 编码器; 6- 电

机; 7- 联接板; 8- 联轴器; 9- 丝杠 ; 10- 导轨; 11- 光栅系统;

12- 支架; 13- 机械限位块 ; 14- 微平台;

15- 接近开关; 16- 重心分布区; 17- 下平台 ; 18- 上平台。

2. 2传动系统设计

传动部件的形式决定宏平台的精度及运动特性[ 2],其主要功能是将电机的圆周运动准确、高效、

及时地变换为平台的直线运动。在闭环控制下,要求宏平台定位精度优于10μm ,最大运行速度为40m m /s,速度平稳、加减速特性优良。这就要求传动系统必须具有高的传动刚度、足够低的爬行速度、启动灵敏且运行平稳等特性。

目前,常见的传动方式有:滑动丝杠传动、滚珠丝

杠传动、摩擦传动、直线电机驱动等。滑动丝杠由于摩

擦力(F f)较大、爬行临界速度(v c)较高,一般不适

合作为高精度位移平台的传动机构。摩擦传动虽然消除

了反向间隙(W) ,但对大行程机构而言,其输出位移的可

控性差,传动刚度也不高。采用直线电机驱动虽然

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可以避免旋转信号到直线信号的转换,但存在发热高的问题,而且其价格昂贵。因此,宏平台传动机构采用精密滚珠丝杠副,其具有传动精度高、摩擦力小(_=0. 010～ 0. 003)、传动刚度 ( K )高等优点 ,被广泛应用于要求实现精密位移的机构中。

宏平台滚珠丝杠型号为: FFB1604-3-P.采用单螺母预紧,不仅可以消除轴向间隙,而且机构的径向和轴向安装尺寸小,使传动系统的结构更紧凑。支承形式采用G-Y形式(一端固定,一端游动) ,这种支承方式既可以消除丝杠运动过程中的轴向窜动和径向跳动,又可以容忍由于温度等变化而导致的丝杠微小伸缩。在开环状态下,传动系统全行程内的平均行程偏差低于12μm,径向跳动小于25μm.

2. 3导向系统设计

导向系统是保证平台运行直线度的关键部件,同时也承担外界施加给宏平台的绝大部分垂向负载。要求摩擦系数小、传动刚度高、运行平稳、微动特性良好、可做高速的往返运动等。

因此, X平台、Y平台都采用一对直线滚动导轨副实现导向功能,其中左导轨为基准导轨,右导轨为从动导轨。滚动导轨副的摩擦系数小;动、静摩擦系数之差很小,不仅可以减小爬行速度,而且有益于提高系统的响应速度和灵敏度。成对使用导轨,具有“误差均化效应”,可使导轨安装面的加工精度降低1～3级。

滚动导轨副型号为GGB-BA型,最大额定静载为14. 5kN.两根导轨的支承点处于Airy点上(即l d≈0. 56l b ) ,保证上底板下垂变形量最小。导轨采用对称安装,导轨中心线与丝杠中心线重合,保证导轨受载均匀,同时防止产生倾覆力矩;在Z轴方向上,导轨安装面的高度稍高于丝杠中心线,保证外界施加的绝大部分垂向负载由导轨来承担。导轨两端安装有机械限位块,起到强制限位功能。导轨全程运行直线度小于10μm, 在微动平台的补偿范围 ( 50μm)内 , 满足系统的设计要求。

2. 4联接系统

宏平台采用稀土永磁直流伺服力矩电机驱动,电机轴直接与丝杠轴颈相联。这种联接方式的优点是非常明显的,不仅可以省去复杂的减速机,简化机械设计和加工,而且还可以避免由减速系统引起的空程、

弹性回程等非线性环节,简化控制系统设计,保证运动信号的变换精度。

但直接联接的方式,大大地增加了机构对同轴度的要求,而且在Z轴方向上,电机的径向高度也大于丝杠中心线的高度。因此,在联接系统中,额外设计了一个带定位圈的圆形联接板。定位圈与电机定位环采用H7 /h 7过渡配合,首先进行一次定位;再设计一个以铝合金为材料、在径向和轴向上都带有一个开槽的联轴器,进行二次定位(如图4所示)。通过调整电机轴、联轴器、丝杠轴颈的相对位置,保证安装同轴度,降低对零件加工精度的要求。

图4联接系统示意图

1- 电机; 2- 联接板; 3- 联轴器; 4- 固定板 ; 5- 丝杠轴颈

实际运行表明:这种直接近刚性的联接系统可以在保证联接效果的同时,基本消除空程,大大的减小弹性回程,大幅度的增加传动刚度,提高系统的响应速度和灵敏度。

2. 5其他部件设计

针对开式光栅测量系统安装精度要求高的特点,设计了特殊的安装支架,用于安装光栅和接近开关。支架具有4个粗调自由度、6个微调自由度,可方便快捷的将光栅定尺和动头调整到最优的空间位置,减小由测量仪器所引起的测量误差。机构的关键部件是若干组螺纹微旋调节部件,同时具有调节和固定功能。支架安装在各分平台的右侧面,不会干涉平台自身的运动。支架上还安装了接近开关,与机械限位开关相结合,构成双重限位保护系统。支架结构设计简单,可以方便的进行安装、调节和拆装。

此外,还设计加工了联接底板、密闭外罩等机构。

第3期谢扬球等: X Y

精密数控工作台宏平台的设计及实现

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3 定位实验及结果分析

限于篇幅,本文仅以下平台(因为下平台各方面条件都比较恶劣)为例,进行定位实验。以精密光栅为测量系统,对宏平台系统施加闭环控制,在上位机的控制下,进行连续定位实验,实验结果如表1所示。

表1 宏平台连续定位实验(μm )

目标值30000. 00 60000. 00 100000. 00 60000. 00 30000. 00 0. 00

读数29998. 69 60000. 30 100001. 77 60002. 48 30001. 94 5. 83 误差- 1. 31 0. 30 1. 77 2. 48 1. 94 5. 83

任取一定位目标值(本次实验取为:61800. 00μm ) ,从某一任意点出发 , 进行多次定位实验,结果如表2所示。

表2 宏平台固定点定位实验(μm) 次数 1 2 3 4 5

读数61800. 42 61803. 62 61802. 68 61799. 91 61801. 35 误差0. 42 3. 62 2. 68 - 0. 09 1. 35

由实验数据可知:宏平台连续定位实验的平均误差为 1. 84μm ,均方根误差为 2. 18μm;固定点定位实验的平均误差为 1. 60μm,均方根误差为 1. 38μm.从实验结果可见,研制的宏平台系统在施加闭环控制后,定位精度完全满足了设计指标。

4结论

根据研制的X -Y精密定位工作台系统的总体设计要求,结合实际情况,设计并实现了宏平台机械系统。该宏平台不仅很好的达到了预期的设计指标,还具有较强的扩展潜力和环境适应能力。通过简单的改造,换用更高精度的传动部件和导向部件,可以实现更高的位移精度;通过添加平衡机构或锁紧机构,宏平台可以很容易地升级为三维平台。此外,宏平台也可单独用于要求大行程中等精度的实际生产过程中。

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The Design And Implementation of the

Ultra-precision X-Y Macro-displacement Stage

X I E Yang-qiu, TAN Yong-hong , LE I X ing -hua , LI Ruo-yu

( Dept. o f Co mputer, Guilin 541004, China)

: - Abstract One of the main parts to realize the long stroke and the high accuracy position is the macro dis-

.

In this paper , a macro - -

placement stage displacement stag e that is practically used in the X Y precisio n stage

is desig ned . The stag e does not ado pt the reducer and has the adv antages in co mpact - , - -

structure small frictio n resistance a nd quick-actio n. The test results sho w that it has sa tisfied the desig n requirem ents. With the digi-tal signal processo r ( DSP) based clo sed-loo p serv o control, this macro-displacement stag e can also be used in the case of precisio n displacement with a large moving rang e in the industrial sy stems.

Key words: macro -displacement stage, mechanism desig n, precision displacem ent, desig n index es (责

任编辑梁王欢 )