基于实时误差补偿的精密定位系统的研究

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文章编号：１００１—２２６５（２００６）０１—００１６一帕

组合机床与自动化加工技ａ

基于实时误差补偿的精密定位系统的研究

孙立宁，晏祖根

（哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨１５０００１）

摘要：介绍了基于实时误差补偿的精密定位系统的组成，分析了系统的偏摆振动模型，讨论了偏摆误差检测原理。利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，谴计了采用双层平行板弹性铰链结构、基于ＰＺＴ直接驱动的微驱动补偿Ｉ作台。实验结果证明，采用实时误差补偿技术，定位系统的运动性能得到较大提高。，关键词：误差补偿；定位系统；微驱动；压电陶瓷中图分类号：ＴＰ２４２．２文献标识码：Ａ

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１精密定位系统的组成

如图１所示，基于偏摆误差补偿的精密定位系绢

０引言

随着Ｉｃ产业的发展，越来越多的精密定位系统应用在诸如Ｉｃ后封装、表面贴片等工业领域，基于ＸＹ—ｔａｂｌｅ的定位系统是其中的一种。随着产量的加大和加工质量的提高，要求定位工作台工作于高速、高精度的状态。基于工作空间的需要，许多ＸＹ—ｔａｂｌｅ定位系统的工作末端通过悬臂梁与工作台联接。由于滚珠导轨等刚度薄弱环节的存在，工作台在高速工作时，会出现偏摆误差，降低定位精度。

提高定位系统的性能指标，原则上有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法”０１。误差防止法采用选用高精度的元件或组成全闭环控制系统等途径来消除和减少可能的误差源，提高精度；但当精度提高到一定程度后，利用误差防止技术来提高精度所花费的成本剧增。误差补偿法是人为的创造出一种新的误差去抵消或补偿当前的原始误差，提高定位精度；该方法可利用较小的成本获得较高的精度，成为现代精密Ｔ程的重要技术支柱之一。

针对ＸＹ—ｔａｂｌｅ定位系统运动中出现的偏摆误差问题，本文提出基于实时误差补偿的方案，宏动工作台实现高速运动，微动工作台实现偏摆误差补偿。

收稿日期：２００５—０７—２７

图１定位系统组成原理

由以下几部分组成：①由伺服电机＋滚珠丝杆驱动、滚珠导轨支撑、直线光栅１２位置反馈的ｘ轴宏动工作台１１；②Ｙ轴宏动工作台２；③平尺１０、电容传感器７和Ｅ构成的互轴偏摆检测系统；④平尺ｌ、电容传感器３和≤构成的Ｙ轴偏摆检测系统；⑤基于压电陶瓷（ＰＺＴ）驰动的ｘ轴微动补偿工作台５；⑥Ｙ轴微动工作台６；⑦联接微动工作台和宏动工作台的悬臂梁４；⑧基于ＤＳｔ

作者简介：孙立宁（１９６４一）．男，黑龙江人，哈尔滨工业大学机器人研究所教授，博士研究生导师，主要从事机器人机构与控制、微驱动与微操作胡

器和傲小型机器人等研究。

１６

万方数据　

２００６年第１期

的运动控制｝ＤＭＣｌ８４２；⑨高性能的数据采集控制卡

ＰＣＩ９１１８，

系统工作原理：运动控制卡ＤＭＣｌ８４２根据直线光栅反馈的位置信号，驱动伺服电机运动，宴现宏动工作台沿各轴向的高速高精度运动控制；ＰＣ通过数据采集卡ＰＣＩ９１１８实时采集４路电容传感器信息，通过ＤＭＣｌ８４２获得宏动工作台的位置信息，根据偏摆检测算法，推算末端的偏摆误差值；微动补偿工作台根据推算的偏摆误差值，反向运动等值位移，实现误差补偿，提高运动性能指标。

２偏摆振动模型

宏动工作台的ｙ工作台固定在ｘ工作台移动部件上，属串联型式，因此，可分别分析各轴工作台的性能。

宏动工作台采用交流伺服电机＋精密滚珠丝杆驱动、直线滚珠导轨支撑、高精度直线光栅（ＲＧＨ２２０５，分辨率０．５ｐ．ｍ）反馈，实现工作台的全闭环控制。宏动工作台支撑是通过直线滚珠导轨中滚道和滚珠体的赫兹接触来传递力的，宏动工作台刚度最弱的环节在直线滚珠导轨，因此，可将滚珠导轨等效成弹簧元件，进行宏动工作台的偏摆振动分析”３。

图２所示为单轴宏动工作台于水平面内的简化模型，４个导轨滑块简化成４个刚度为Ｋ的弹簧，工作台简化成质＿最为Ｍｃ、绕质心转动惯量为ｋ的刚体，质心Ｃ与弹簧Ｋ．、Ｋｚ的距离分别为ｏ、ｂ。

［土￡—上

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孳

Ｃ

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ｓ；／ｋ一；ｔ

图２

宏动工作台偏摆振动简化模型

于工作台的侧面安装２个位移传感器，传感器距质心的距离分别ｃ、ｄ。取传感器测试的位移ｘ。、。：为坐标，坐标初始位置取在系统的平衡位置。＊。、ｘ：为微小位移，根据几何关系，运用动力学拉格朗日方程，得宏动工作台自由振动的运动微分方程：

Ｍ卧㈣盼琵）

ｃ－，

式中，质量矩阵和刚度矩阵为

。。

Ｍ＝鼢ｃｄＭ￡－＋：。ｃ巩２Ｍｃ＋一１。。）、毋Ｍ：¨？ｃａＭｊ—ｆ：ｌ

［蒯：ｐ＾２１ｔｄ２Ｉ

Ａｎ

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方数据?设计与研究?

刚度矩阵中：

Ａ。，＝Ａ∞＝２Ｋ［（。＋ｄ）（ｃ一Ⅱ）＋（ｂ＋ｃ）（ｄ一６）］

Ａ

Ｌ２＝２Ｋ［（ｃ—ｏ）２＋（６＋ｃ）２］

Ａ２，＝２Ｋ［（ｄ—ｂ）２＋（ｏ＋ｄ）２］

由式（１）可看出，宏动工作台的偏裨振动运动梢性，可以利用传感器测试的信号进行描述。

３

偏摆误差检测原理

、

图３所示为ｘ轴工作台偏摆误差检测原理图，图牛绿实线、红实线和蓝虚线分别代表工作台的初始状态运动后的实际状态和理论状态；Ⅳ。：传感器１、２间距｛吼：初始时工作台末端与传感器Ｉ间距：岛：初始时珠端与运动轴线问距；Ｓ，、Ｓｙ：Ｘ轴、Ｙ轴宏动工作台的运冠距离；画、８：：传感器Ｉ、２测试位移值。

图３Ｘ轴偏摆误差检测原理

阻：学（耻岛）

由几何关系可得Ｘ轴工作台末端的偏摆误差

Ｊ

ｋ：率．＋学ａ：

。１

（２）

图４所示为ｙ轴工作台偏摆误差检测原理图，图中的绿实线、红实线和蓝虚线分别代表工作台的初始牲态、运动后的实际状态和理论状态；峨：传感器３、４间距；巩：初始时末端与传感器３间距；趣：初始时末端与运动轴线间距；Ｓ，：Ｙ轴宏动工作台的运动距离；焉、６。：

传感器３、４测试位穆值。

日

｝感器ｆ

ｒｊ立氓剞

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。

图４

ｙ轴偏摆误差检测原理

由几何关系可得Ｙ轴工作台末端的偏摆误差：

ｒ≮Ｐ岛＋警

㈤

ｌ吼：鲁（岛圳

１７

?设计与研究?

将式（３）、式（４）叠加，可得宏动工作台末端的总

偏摆误差：

Ｊ

卜警瓶刮＋坠茅焉＋警盈

ｋ｝警焉＋警＋等ｃ岛刮

（４）

由式（４）看出，工作台末端的偏摆误差与工作台的初始状态、偏摆检测传感器所测位移变化量和工作台的运动距离成函数关系。

４

微动补偿工作台的研制

由系统工作原理，要求微动补偿工作台精度高、响

应快，以进行快速的误差补偿；要求微动补偿工作台体积小、重量轻，以提高整个系统的动态性能。基于此，采用模块化设汁思想，设计双层平行板弹性铰链结构、压电陶瓷（ＰＺＴ）直接驱动的一维微动工作台。将两个一维微动工作台联接即形成运动解耦、两自由度的微驱动补偿工作台。

应用弹性力学原理，首先确定双层平行板弹性铰链结构的刚度：

Ｋ：４Ｅ，ｂ，ｔ业

Ｐ

（５）

、’

式中：Ｌ、ｂ、￡分别为弹性铰链的长度、宽度和厚度，Ｅ为材料的弹性模量。

根据微动工作台设计要求，初步确定结构尺寸Ｌ、ｂ、ｆ，材料选用ＬＹｌ２。利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，建立微驱动补偿工作台的有限元模型，采用三维实体四面体单元ＳＯＬＩＤ９２对实体模型进行单元网格划分”１。

将双层平行板弹性铰链与基座相连平面上所有节点的所有自由度全部约束，在ＰＺＴ输出力方向和相对应的节点上施加力，利用ＡＮＳＹＳ计算出其静态输出位移、平行板铰链的应力分布、工作台的振动模态和相对应的固有频率。

根据有限元分析结果并进行优化设计，使工作台在满足输出位移要求的基础上，提高微动工作台的固有频率，增强微工作台的抗振能力。ＰＺＴ采用ＰＩ公司的Ｐ一８４１系列，该ＰＺＴ内部集成高性能应变传感器，实现微驱动补偿工作台的机构、驱动、检测一体化。

５实验研究

基于实时误差补偿的精密定位系统实物如图５所示，微动工作台通过悬臂梁安装在宏动工作台上，用于偏摆检测的电容传感器和直线导尺安装在宏动工作台侧面。采用二维平面光栅ＰＰ２８１进行测试，光栅测头固定在工作台的末端，随末端运动，平面光栅固定在静止的基座上。

图６所示为采用微动工作台实时补偿宏动工作台偏摆误差的测试曲线图，实验条件：锁定ｌ，轴宏动工作台，以消除ｙ轴的偏摆误差影响；ｘ轴宏动工作台停止

１８?

万　

方数据组合机床与自动化加工技ａ

电容传苌器专动台悬芦粱截动／台

Ｉ＼

ｆ

ｌ／Ｉ平／尺

电容鬟感器

（ａ）定位系统

（ｂ）偏摆检测系统

图５精密定位系统实物图

运动，于末端沿Ｙ轴方向激振定位系统，微动工作台芷行偏摆误差补偿。

一曼

静趔

时间（ｍｓ）

图６宴验攫！Ｉ试血线

图６中：蓝色线１为微动工作台与偏摆误差等值反方向的运动曲线，红色线２为推算的末端点的偏摆误差曲线，黑色线３为平面光栅测试的实际运动曲线。由图看出．利用微动工作台进行实时误差补偿，末端右±２¨ｍ的范围内波动，定位系统运动精度得到较大创

提高。

６结论

本文针对由于刚度薄弱环节影响。ＸＹ—ｔａｂｌｅ是位系统在高速运动时，末端出现偏摆误差的问题，提＆了基于电容传感器检测偏摆误差，Ｐ＇ＺＴ驱动微动工作台补偿偏摆误差的方案。实验证明，利用微动工作自补偿偏摆误差，定位系统的运动精度得到较大的提高。

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（编辑李秀敏）

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基于实时误差补偿的精密定位系统的研究

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被引用次数：孙立宁， 晏祖根， SUN Li-ning， YAN Zu-gen哈尔滨工业大学,机器人研究所,哈尔滨,150001组合机床与自动化加工技术MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE2006(1)4次

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引用本文格式：孙立宁.晏祖根.SUN Li-ning.YAN Zu-gen 基于实时误差补偿的精密定位系统的研究[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2006(1)