次微米定位平台之分析控制介绍

《次微米定位平台之分析控制介绍》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、次微米定位平台之分析控制介紹摘要本文利用數值分析軟體模擬自行設計之奈微米定位平臺的模態分析，並且針對平台透過實驗與分析軟體作比對；實證所設計出平臺在進行XY奈微米定位之頻寬可達約100Hz。最後以壓電致動器與設計之控制器，讓平臺進行實際運作，當干擾條件為最大位移量()之16%時(1)，透過所設計之控制器，可得到追蹤之軌跡誤差達次微米級定位(150nm)，證明此奈微米平臺具精準的位移，可達次微米之定位精度。關鍵詞：壓電致動器、追蹤控制、奈微米定位平臺、動態分析。壹、前言目前許多產業都與奈米技術結合，在這波奈米技術迅速發展

2、之下，製程或是檢測之精度要求已經是日漸增加。利用彈性鉸鏈進行設計之微運動機構已經廣泛應用在微位移平臺設計上，主要利用之特點在於結構緊密、體積小，可做到無機械摩擦，具較高效率的微量位移率。而在動力驅動部分則以壓電致動器直接致動彈性鉸鏈，藉其響應速率、無須熱膨脹補償、高位移解析度、較高的機電轉換效率，低電能消耗、低噪音產生、軸向推力大等優異的動態特性，以及可隨週期性電壓訊號需求而作出微動的動態位移等優點，因此，由此可變形狀之構造、機構設計與直接控制，可達奈微米運動之功效。為求得奈微米定位平臺系統參數，首先利用Pro/Mec

3、hanica軟體進行模態分析，了解載具平臺在壓電致動之情形下所做之運動姿態表現；借以分析軟體與實驗作誤差之分析比較，以確定理論之合理性與正確性，作為未來不同尺寸之最佳化分析。由於壓電致動器具有高精度、高剛性、體積小、質量輕、高頻率響應及低耗能等多項優點，且因為其作動的原理是經由形變所產生位移，因此沒有傳統機械所存在的摩擦與背隙等問題，是故在此藉壓電致動器作為平台的致動元件。但由於壓電材料會受其本身非線性的遲滯現象影響，且這樣的遲滯現象除了會使得壓電致動器輸出位移產生誤差，亦令軌跡追蹤時的相位產生落後，所造成的追蹤誤差高

4、達運動路徑的10~15%；因此，為使平台達到精準的位移表現，在實際運用時必須配合控制器設計來補償遲滯現象所造成的誤差。本文利用數值模擬分析，並以實驗分析方式進行驗證，實驗結果達到量測儀器之精度範圍內之次微米定位。貳、平臺設計與理論推導本文平臺設計如圖一所示，主要是利用兩個壓電致動器(piezoelectricactuator,PEA)及兩組W字型結構所構成，此W型結構共有12個彈性鉸鏈引導而帶動整個平臺之微位移，此平臺以線切割加工方法切除有規則性的空穴，製成所需之W對稱型彈性鉸鏈機構。平臺驅動方式利用X軸之PEA推動X

5、方向之平臺位移，以Y軸之PEA推動Y方向之平臺位移。2.1運動方程式之數值分析本研究之微定位平臺，因為考慮在小角度情況下所作之位移運動分析，因此，速度很小；而在考慮速度之平方項時為非線性項，以階數分析(orderanalysis)而言假設很小，在此將忽略不計。在此將實際平臺尺寸如表1所示，利用Pro/Mechanica有限元素分析軟體，模擬平臺之最大輸出位移量，模擬分析結果如下，圖2、3為壓電致動平臺於y、x軸之輸出位移表現。綜觀表2，可以得到x-y軸平臺最低自然共振頻率約為101Hz，如圖4所示。2.2平臺模型參數鑑

6、別實驗機台建立在PC-Based上，PC以IntelPentiumⅣ1.7Ghz之筆記型電腦作為控制器之運算處理器；軟體則是利用Siumlink來撰寫；資料擷取是以NationalInstruments(NI)的DAQCard-6024E類比數位擷取卡；量測儀器使用LionDMT10非接觸式電容位移計，其量測範圍為2mm精度可達75奈米；壓電驅動器則使用壓電功率放大器SQV3CH/150Vmax，壓電致動器使用PiezomechanikGmbHPSt150/7/20VS12壓電堆疊式致動器，實驗架構圖如圖5所示。為利用

7、二階系統之等效質量、阻尼、彈簧觀念來建立定位平台Y方向的動態方程式，如下所示：………………...………(1)………………………..……...........(2)…………..........................(3)接下來利用實驗方式來求定位平台之系統參數，再透過(1)和(2)式就可得到系統的轉移函數。下列分別介紹如何求得系統之參數：1.(系統等效質量)：包含了定位平台質量以及壓電致動器的質量，透過Pro/E分析軟體得到運動平台等效質量為1.6kg。2.(平台側向等效彈簧係數)：利用激振器(shaker)給

8、予定位平台一脈衝訊號，由加速規量測其運動訊號，將兩種訊號透過動態訊號分析儀得到系統之頻譜圖，如圖6所示。從頻譜圖來看，一般將振幅最大之尖峰值對應之頻率作為其結構的第一模態自然頻率，觀察圖6可以發現最大的尖峰值出現在97.5Hz的地方，將此結果帶入(2)式，得到之數值如下：[N/m]3.(等效阻尼係數)：一般利用振動來分析阻尼比的方