氣浮大理石平臺運(yùn)動(dòng)直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能影響因素
目前 上較為成熟的己經(jīng)商品化的氣浮大理石平臺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)較多,主要應(yīng)用于IC制造、檢測、封裝,光學(xué)制造、檢測, 加工等,如日本住友重工生產(chǎn)的用于半導(dǎo)體檢測和維護(hù)的XY二自由度氣浮大理石平臺,采用上下雙層布置,由兩臺直線電機(jī)分別負(fù)責(zé)X軸和Y軸的驅(qū)動(dòng),兩軸行程為475mm,下層 大速度可達(dá)500mm/s,上層可達(dá)1000mm/s。美國光譜物理公里公司的DynamyxDATuM 性能氣浮花崗石平臺,可應(yīng)用于光學(xué)檢測,納米壓印等。其同樣具有X和Y兩個(gè)自由度,但是其X軸采用雙直線電機(jī)H型架構(gòu)驅(qū)動(dòng),Y軸仍為單直線電機(jī),X軸和Y軸行程分別可達(dá)到380mm和350mm, 大運(yùn)動(dòng)速度均可達(dá)1000mm/s,在額定負(fù)載下可以實(shí)現(xiàn)X軸3G,Y軸5G的高加速度運(yùn)動(dòng),反饋器件采用安捷倫的激光干涉儀時(shí),可實(shí)現(xiàn)50nm的定位精度,X軸100mm階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間小于250ms,Y軸小于200ms。
氣浮大理石平臺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是以空氣軸承支撐、直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的高剛性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。靜壓氣浮潤滑支撐,當(dāng)高壓氣體通過氣浮軸承中的節(jié)流孔和壓力腔之后,可在運(yùn)動(dòng)副之間表面形成具有 厚度的氣膜,由于氣膜具有特定壓力,因此可以起到彈性支撐的作用,并且由于氣體相比于固體直接接觸具有小得多的粘滯摩擦阻力系數(shù),幾乎可以忽略摩擦力的影響,實(shí)現(xiàn)近于零摩擦的潤滑。因此氣浮導(dǎo)軌相較于傳統(tǒng)接觸式導(dǎo)軌的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
1)在多數(shù)情況下,氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)副之間摩擦力可以忽略不計(jì),在其他條件相近的情況下可以明顯提高軌跡跟蹤精度和定位精度;2)氣膜由于其存在彈性,可以在 程度上減輕工件表面平面度和直線度誤差帶來的影響,進(jìn)而提高運(yùn)動(dòng)精度;3)使用氣體作為潤滑介質(zhì)時(shí),不同于傳統(tǒng)接觸式導(dǎo)軌的潤滑,無需額外添加潤滑劑,并且可以做到免維護(hù),沒有潤滑介質(zhì)的泄漏、污染等隱患,提高了系統(tǒng)的使用壽命,長期使用可以降低成本。氣浮大理石平臺中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式也在很大程度上決定了系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高加速度運(yùn)動(dòng)。
直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能影響因素:
在將運(yùn)動(dòng)大理石平臺設(shè)計(jì)完成并選擇好直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各部件后,大理石平臺所能達(dá)到的理論性能就確定了。實(shí)際應(yīng)用中由于存在大量不確定性因素和各種擾動(dòng),系統(tǒng)的實(shí)際性能很難達(dá)到理論性能。影響系統(tǒng)性能的主要因素如下:
1)摩擦力
在使用傳統(tǒng)導(dǎo)軌而非氣浮或磁浮的大理石平臺中,摩擦力是影響定位精度和跟蹤誤差的主要擾動(dòng)因素,尤其靜摩擦帶來的非線性現(xiàn)象會對低速運(yùn)動(dòng)定位精度和換向過程中的跟蹤誤差帶來嚴(yán)重影響。
2)外部擾動(dòng)
系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中負(fù)載的變化和環(huán)境中的振動(dòng)、溫度等變化也會給系統(tǒng)帶來擾動(dòng),這就需要控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力,在 程度的干擾下能維持運(yùn)動(dòng)性能。
3)模型誤差
在設(shè)計(jì)控制器時(shí)通常會考慮到系統(tǒng)模型,系統(tǒng)模型若采用辨識 ,那么與實(shí)際模型之間必然存在誤差,也有可能會影響基于模型設(shè)計(jì)的控制器的效果。
4) 擾動(dòng)
實(shí)際應(yīng)用的數(shù)字控制系統(tǒng)都存在采樣時(shí)間的問題,采樣時(shí)間不可能做到小,因此在采樣時(shí)間間隔中必然存在控制信號和反饋信號雙向傳遞的滯后,運(yùn)動(dòng)過程中的擾動(dòng)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)償,從而使系統(tǒng)的響應(yīng)性能惡化。
5)耦合擾動(dòng)
在多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中通常有耦合現(xiàn)象,如X軸與Y軸相互垂直的運(yùn)動(dòng)軌跡,兩軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會相互影響,這也是一個(gè)不可忽視的因素。
6)直線電機(jī)自身問題
直線電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的原因存在力波紋和端部效應(yīng)兩種主要擾動(dòng)。力波紋來源有兩方面,齒槽推力和磁阻力,前者是由于永磁體定子與動(dòng)子鐵心相互作用產(chǎn)生,無論電樞電流存在與否,只要定子與動(dòng)子存在相對運(yùn)動(dòng)就會產(chǎn)生齒槽推力;后者是由于直線電機(jī)繞組自感應(yīng)變化而引起力常數(shù)變化而產(chǎn)生的擾動(dòng)。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于磁場封閉于電機(jī)內(nèi)部不會對外界造成影響,不存在端部效應(yīng),而直線電機(jī)是開放式的,其磁場也是敞開的,在直線電機(jī)兩端氣隙磁場產(chǎn)生畸變,進(jìn)而影響工作性能。在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)避免直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)至 行程位置來回避端部效應(yīng)。
可見,如何很好的這些擾動(dòng)對于系統(tǒng) 終能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)性能有關(guān)鍵作用。需要對擾動(dòng)進(jìn)行分析,找出其中影響較大的因素,忽略影響較小的因素,有針對性的去用相關(guān)控制策略擾動(dòng)。
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