黃特生，高 健，周志強，張攬宇，陳小國

（廣東工業(yè)大學機械裝備制造與控制技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510006）

面向電子制造的高速精密宏微運動平臺研究*

黃特生，高 健，周志強，張攬宇，陳小國

（廣東工業(yè)大學機械裝備制造與控制技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510006）

在分析宏微復合驅(qū)動技術(shù)的基礎上對高速高精度定位的宏微復合運動平臺進行了研究，并研制了基于音圈電機驅(qū)動和壓電陶瓷驅(qū)動的宏微復合運動平臺。該平臺的宏運動由音圈電機驅(qū)動，可實現(xiàn)高加速度和大行程運動；微運動由與音圈電機主軸相連接的壓電陶瓷驅(qū)動，用以補償宏運動所產(chǎn)生的定位誤差并抑制宏微運動切換所產(chǎn)生的振動，達到平臺的精密定位目標。最后，基于所搭建的宏微復合定位系統(tǒng)，開發(fā)了平臺的控制系統(tǒng)軟件，并開展了一系列的實驗測試。結(jié)果表明，本研究開發(fā)的宏微復合定位平臺具有良好的工作性能，可滿足電子制造高速高精密定位的需要。

宏微復合運動平臺；音圈電機；壓電陶瓷驅(qū)動器；電子制造

0　引言

近年來，在我國大力發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)方針的指導下，IC制造進入了蓬勃發(fā)展的新時期［1］。隨著IC制造中芯片光刻與封裝、MEMS制造中的器件封裝與組裝、生物醫(yī)學工程中的高速點樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測等領域的迅速發(fā)展，對執(zhí)行系統(tǒng)的運動行程、速度、加速度和定位精度提出了極高的要求［2-3］，高速高精度定位系統(tǒng)的研究已成為先進制造技術(shù)領域的研究熱點。

為了使定位平臺達到高速高加速度運動、高精度定位等要求，國內(nèi)外的研究主要集中在新的驅(qū)動方式、運動結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)的動態(tài)設計、控制方法等方面。當今的美國、日本、德國等發(fā)達國家對納米級超精密定位平臺技術(shù)十分重視，紛紛投入了大量的人力物力進行研究開發(fā)，取得了大量研究成果。日本NSK公司研制的適用于芯片封裝的高速高精度XY平臺，工作范圍為60mm×60mm，可實現(xiàn)最大加速度5g、重復定位精度2μm；Hammer［4］等研制的氣浮支撐的三自由度平臺定位平臺可達12g加速度和±0.2μm的分辨率；Heui Jae Pahk［5］等設計的精密運動平臺采用雙層驅(qū)動技術(shù)，宏平臺由伺服電機驅(qū)動，微動臺由壓電驅(qū)動器驅(qū)動，在200mm的行程內(nèi)，可實現(xiàn)10nm的定位精度。此外，還有一些公司和科研機構(gòu)如Intel、AMD、Micron、Motorola、Nikon、Canon、ASML等開展了基于磁懸浮技術(shù)的平臺研究，以實現(xiàn)平臺的高精度定位。

國內(nèi)對精密定位平臺的研究相比國外起步較晚，但也取得良好進展。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制的大行程納米級精密定位平臺，通過納米級光柵傳感器實現(xiàn)運動范圍100mm，運動速度200mm/s，重復定位精度±15nm［6-7］；上海交通大學設計的高精度氣浮定位平臺，可實現(xiàn)工作行程150mm×150mm，加速度達5～6g，定位精度±2μm［8］。此外，西安交通大學、華南理工大學、浙江大學、清華大學、華中科技大學、等高校亦開展了精密運動平臺的研究［9-11］，取得了一定進展。

本文面向電子封裝裝備的高加速度精密定位的運動要求，重點開展運動平臺的結(jié)構(gòu)設計與控制方法研究，通過實驗平臺的搭建及系統(tǒng)開發(fā)，驗證平臺的運動性能。

1　宏微運動平臺的結(jié)構(gòu)設計

本論文提出的宏微運動平臺由宏動部分和微動部分組成，宏運動由音圈電機驅(qū)動、微運動由壓電陶瓷驅(qū)動。音圈電機可實現(xiàn)高加速度、大行程宏運動；壓電陶瓷實現(xiàn)微運動補償音圈電機宏運動所產(chǎn)生的定位誤差，達到高精度的設計目標。

與普通直線電機相比而言，音圈電機克服了其齒槽效應，大幅提高了系統(tǒng)的運行速度和定位精度，更適合應用在高速、高加速度和高精度的定位驅(qū)動場合。作為壓電陶瓷最新應用的壓電陶瓷驅(qū)動器具有體積小、響應速度快、靜態(tài)不發(fā)熱、能耗低、產(chǎn)生的推力大、位移分辨率高等優(yōu)點。本運動平臺采用一種將壓電陶瓷安裝在音圈電機主軸軸向上的新型設計結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對運動的精確定位，這種結(jié)構(gòu)可以使平臺結(jié)構(gòu)緊湊，反饋控制簡單，同時壓電陶瓷能起到有效的減振作用，讓平臺快速穩(wěn)定下來。

針對宏微復合運動過程的位置檢測問題，本文提出了增量式光柵尺與絕對式光柵尺結(jié)合的雙光柵尺位置檢測方法，實現(xiàn)平臺運動過程中位置信息的實時反饋。其中，增量式光柵尺內(nèi)嵌于音圈電機，利用其快速響應的優(yōu)點在平臺運動過程中反饋平臺的位置信息；絕對式光柵尺安裝在平臺導軌的側(cè)面，利用其高分辨率的優(yōu)點在平臺停止運動后進行微平臺的精確定位。

根據(jù)以上構(gòu)思，本文構(gòu)建的宏微運動平臺三維模型如圖1所示，所建平臺主要由機座、工作臺、直線導軌、音圈電機、絕對式光柵尺、壓電陶瓷、陶瓷安裝板等組成，平臺局部設計如圖2所示。

圖1　宏微運動平臺結(jié)構(gòu)三維模型圖

圖2　宏微運動平臺局部三維模型圖

在平臺設計局部圖中，音圈電機主軸驅(qū)動平臺實現(xiàn)宏運動；壓電陶瓷安裝在與平臺連接在一起的套筒中，套在頂桿上的彈簧和預緊螺帽對其進行預緊，壓電陶瓷伸長可以推動平臺運動實現(xiàn)平臺的微運動。

該平臺有結(jié)構(gòu)緊湊、新穎，工作臺負載小，易于實現(xiàn)高速高加速度運動的優(yōu)點。壓電陶瓷在平臺運動過程中所起的作用是本平臺設計的關鍵。在音圈電機宏運動停止后的微動平臺穩(wěn)定過程中，通過驅(qū)動壓電陶瓷施加與運動方向相反的反向力，起到消減振動的作用，使微動平臺快速穩(wěn)定；通過音圈電機中的增量式光柵尺和平臺導軌側(cè)面的絕對式光柵尺的結(jié)合實現(xiàn)平臺整體的閉環(huán)位置反饋，達到對平臺精密定位的目的。

2　宏微運動平臺精密定位方法

2.1基于雙光柵的宏微運動平臺位置反饋

針對宏微驅(qū)動定位平臺大行程與高精度的矛盾，本論文提出結(jié)合增量光柵尺與絕對光柵尺的雙光柵尺位置檢測的方法，以解決單個光柵尺無法同時滿足大行程、高速和高精度的位置檢測的要求。

在平臺運動過程中通過音圈電機內(nèi)部的增量光柵尺與導軌邊緣的絕對光柵尺組成的雙光柵尺位置檢測系統(tǒng)對平臺進行實時位置信號反饋，使整個平臺系統(tǒng)達到全閉環(huán)控制。利用增量式光柵尺的快速響應和高頻率反饋優(yōu)勢進行平臺高速運動中的位置信號反饋，再利用絕對式光柵尺的高分辨率進行運動平臺低速下的精確定位。雙光柵尺位置檢測原理如圖3。

圖3　基于雙光柵尺的宏微定位原理圖

2.2宏微運動平臺的控制原理

宏微復合運動平臺的關鍵技術(shù)問題在于宏、微運動的切換過程的控制。為此，本文提出了如圖4所示的宏微運動切換控制方法。其具體控制流程如下：①在上位機控制系統(tǒng)軟件中設置宏微運動平臺運行的相關參數(shù)（速度、加速度和定位等），并記錄此時絕對光柵尺反饋的絕對位置信號（Pm）作為平臺運動的起始點，以行程L1為目標位移；②使用控制軟件驅(qū)動音圈電機運行，其位移為L2，使L2=L1-s，s為平臺定位緩沖長度，其必須小于壓電陶瓷的伸長；③在平臺運動過程中使用音圈電機內(nèi)部的增量式光柵尺對平臺位置信號進行反饋。當音圈電機停止運動后，由于慣性平臺會產(chǎn)生很大的振動，此時利用壓電陶瓷施加與振動方向相反的力來削減平臺的振動，并根據(jù)增量式光柵尺反饋的平臺位置信號得出平臺振動的振幅來衡量減振效果；④在減振完成之后，驅(qū)動壓電陶瓷微進給以對平臺進行精確定位。此時，光柵信號從增量式光柵尺切換到絕對式光柵尺，利用絕對式光柵尺的高分辨率反饋平臺的絕對位置信號（Pn），當Pn-Pm=L1時，即絕對式光柵尺反饋的宏微運動平臺的實際行程和設定的目標行程相等時，則判定精確定位完成，平臺運行結(jié)束。

圖4　宏微復合運動控制流程

3　宏微運動平臺的搭建與控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1宏微運動平臺搭建

根據(jù)本文設計的宏微運動平臺結(jié)構(gòu)搭建平臺，如圖5所示。

其中，宏動部分的音圈電機采用了美國SMAC公司的LAL300-050-82F直線驅(qū)動電機以及LAC-1控制器，該音圈電機峰值推力可達202N，持續(xù)推力80N。其內(nèi)部自帶增量式光柵尺，分辨率為0.1μm，精度為1μm。

微動部分采用德國Piezomechanik公司生產(chǎn)的壓電陶瓷，其閉環(huán)最大伸長為7.869μm，分辨率1nm，重復精度5nm（±20%）。使用XE-501D驅(qū)動器控制壓電陶瓷并進行壓電陶瓷遲滯補償，其能夠為壓電陶瓷提供高穩(wěn)定性、高分辨率的電壓，響應速度快。該壓電陶瓷驅(qū)動器為壓電陶瓷提供的最大推力/拉力為1800N/300N，內(nèi)部的XE-509位置傳感模塊通過算法電路對壓電陶瓷完成閉環(huán)控制。

平臺上的絕對式光柵尺采用了德國HEIDENHAIN公司的LIC4015光柵尺，其分辨率為1nm，精度為5μm/m。該光柵尺的特點是通電時可立即得到位置值，無需移動軸執(zhí)行參考點回零操作。采用型號為EIB741的編碼器對位置信息進行采集處理?；赨DP通信協(xié)議的標準以太網(wǎng)可用于直接連接計算機快速輸出數(shù)據(jù)。

圖5　宏微運動平臺實物

3.2宏微運動平臺控制系統(tǒng)界面

搭建的宏微運動平臺的控制模塊如圖6所示。

基于音圈電機、壓電陶瓷、絕對式光柵尺這三個部件的控制方式進行研究，開發(fā)了以MFC框架為基礎的上位機控制軟件。此控制軟件能單獨控制這三個設備的使用，同時也可以使三個設備結(jié)合在一起來實現(xiàn)對平臺的整體運動控制和信號反饋。通過音圈電機驅(qū)動平臺進行宏運動，并且利用絕對式光柵尺反饋回的數(shù)據(jù)通過壓電陶瓷進行微動補償，以達到精確定位的目的。此軟件使用簡便、功能齊全，可以使平臺上的設備協(xié)調(diào)工作并滿足試驗開發(fā)所需功能。

上位機控制軟件界面如圖7所示。控制界面分為三個部分，分別是音圈電機PID命令輸入輸出區(qū)、壓電陶瓷控制區(qū)、絕對式光柵尺控制區(qū)。

圖6　宏微運動平臺控制流程圖

圖7　宏微運動平臺上位機控制軟件界面

音圈電機采用串口通信來進行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)在發(fā)送區(qū)發(fā)送控制電機的PID控制指令對電機進行控制，而在顯示區(qū)顯示出電機返回的數(shù)據(jù)信息。其中常用的重要指令有pm、ma、tp、sv、sa等，分別表示位置模式、移動絕對位置、返回位置數(shù)據(jù)、設置最大速度、設置最大加速度。這些指令可以單獨使用，也可以組合成指令集實現(xiàn)更多功能，以簡便直接的方式來對電機進行控制。

使用壓電陶瓷驅(qū)動器必須先對其進行初始化，如圖8所示，對壓電陶瓷的數(shù)據(jù)處理也是用串口通信實現(xiàn)。

圖8　壓電陶瓷初始化界面

在初始化完成后可以看到，本平臺所用壓電陶瓷的閉環(huán)最大伸長為7.869μm，可以在輸出框直接輸入需要的伸長控制壓電陶瓷。也可以在程序中設置當電機停止之后立即啟動壓電陶瓷，從而實現(xiàn)壓電陶瓷所要發(fā)揮的振動消除和精確定位的作用。

絕對式光柵尺控制區(qū)工作情況如圖9所示，它可以在運動過程中以一定的刷新周期實時顯示平臺所處的絕對位置，也可以手動記錄下平臺處于某一個位置時的絕對位置數(shù)據(jù)以便試驗所需。

圖9　絕對式光柵尺工作界面

4　宏微運動平臺實驗

基于所搭建的宏微運動平臺，利用所開發(fā)的上位機控制系統(tǒng)軟件對其進行相關性能測試，具體實驗如下：

（1）宏微運動平臺速度加速度測試

圖10　運動平臺的速度、加速度測試數(shù)據(jù)圖

（2）宏微運動平臺實時位置反饋測試

通過絕對式光柵尺對平臺運動過程中的位置信息進行反饋，得到如圖11所示的位置信息。圖中表示的是在平臺往復運動中以10ms為周期提取的位置信息。

（3）宏微運動平臺重復定位精度測試

宏微運動平臺安裝在大理石隔振臺上，其重復定位精度采用Renishaw-XL80激光干涉儀檢測，其實驗裝置的安裝如圖12所示。設定測量目標位置10mm，測量間距值為1mm。測量位置誤差曲線如圖13所示。宏平臺向前和向后運動的單向重復定位精度分別為0.848μm、0.874μm，平臺定位精度為2.043μm，表明宏運動定位精度在微運動補償范圍內(nèi)。

圖11　宏微運動平臺位移數(shù)據(jù)圖

圖12　宏微運動平臺試驗設備圖

圖13　宏微運動平臺誤差曲線

5　結(jié)論

（1）基于宏微復合驅(qū)動的原理，對宏微復合驅(qū)動定位平臺進行了結(jié)構(gòu)設計，宏運動由音圈電機驅(qū)動，微運動由壓電陶瓷驅(qū)動。

（2）建立了增量式光柵尺與絕對式光柵尺結(jié)合的雙光柵尺位置檢測系統(tǒng)，宏運動位置反饋由內(nèi)嵌于音圈電機的增量式光柵尺實現(xiàn)，微運動位置反饋由絕對式直線光柵尺來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)了對宏微復合定位平臺的閉環(huán)位置控制。

（3）搭建了實驗平臺，并針對宏微運動平臺的整體控制和信號提取開發(fā)了上位機控制軟件，通過實驗測試證明本控制軟件滿足了宏微運動平臺開發(fā)所需各項功能要求。

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（編輯 趙蓉）

An Investigation on High Speed and High Precision Macro-Micro Composite Motion Stage for Electronic Manufacture

HUANG Te-sheng，GAO Jian，ZHOU Zhi-qiang，ZHANG Lan-yu，CHEN Xiao-guo
（Key Laboratory of Mechanical Equipment Manufacturing&Control Technology of Ministry of Education，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

On the basis of analyzing the macro-micro composite driving technology，a high speed and high precision macro-micro composite motion stage is investigated in this paper.This stage is composed of a voice coil motor and a piezoelectric actuator，in which macro motion with high acceleration and long stroke is realized by the voice coil motor，while the micro motion with high positioning precision is realized by the piezoelectric actuator connected to the shaft of the voice coil motor，which is used for compensating the positioning error resulting from the macro motion and reducing the mechanism vibration arising from the macromicro motion switching，then，a high precision positioning can be achieved successfully.Finally，system control software is developed and a series of experiments are conducted based on the established experimental setup.All the results prove that the developed macro-micro composite motion stage has a satisfactory performance for further high performance positioning in electronic manufacture.

Macro-micro composite motion stage；voice coil motor；piezoelectric actuator；electronic manufacture

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）02-0050-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.014

2014-05-27；

2014-06-03

國家自然科學基金（U1134004）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2011CB013104）；廣東省高等學?？萍紕?chuàng)新重點項目（2012CXZD0020）；廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項（2012A080303004）

黃特生（1989—），男，土家族，湖南張家界人，廣東工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為高速高精密宏微復合運動平臺控制，（E-mail）251050339@qq.com。