精密定位运动大理石平台直线伺服驱动系统构成

制造业在国民经济发展中有举足轻重的地位，制造业的发展与   科技的进步息息相关。近几十年来，   和国内都对光机电一体化制造业投入巨大，以期能取得   地位，其中运动控制作为制造业的关键技术，也一直是学术界的重要   内容。近年来，随着技术的进步，对于制造装备的精度及速度要求都不断提高，在芯片封装、光学检测及制造、存储设备读写系统等中，对于   满足高速度、高加速度、的运动控制系统是的   热点之一。
　　   定位运动大理石平台不论在IC(IntegratedCircuit)制造还是光学检测制造等都有广泛的应用，驱动系统和控制系统是   定位运动大理石平台的核心部分。
　　直线伺服驱动系统按照驱动方式可以分为传统的旋转电机驱动系统和直线电机直接驱动系统，根据摩擦存在与否可以分为传统导轨大理石平台和无摩擦大理石平台。
　　一、旋转电机驱动系统与直接驱动系统对比
　　传统的旋转电机驱动系统采用的结构均是旋转电机驱动，传动装置则使用齿轮、滚珠丝杠配合导轨来实现直线运动。这种方式的优点是结构成熟，控制方式易于实现，同时推力较大、成本较低，且具有较好的鲁棒性。然而这种驱动方式也存在一些固有的缺点很难通过改进来克服：
　　1)旋转电机的旋   动需要经过诸多中间传动环节才能转换为直线进给运动，传动环节的增加会引入误差源，同时增大系统惯量，使得动态响应减慢，限制了运动加速度的提高；
　　2)滚珠丝杠传动系统刚度较低，其在运动过程中的弹性变形使得系统整体性能受到限制，而且容易产生机械谐振，会进一步使运动性能变差；
　　3)其他传动环节中存在的间隙及弹性变形等会引入一系列非线性因素，使得系统控制精度的进一步提高及其困难；
　　4)传动环节中的死区和摩擦等因素对于   定位中的行程运动有严重影响，限制了系统分辨率的提高。
　　由于上述缺点的存在，传统的旋转电机驱动系统很难满足日益提高的精度要求，也限制了其在   定位运动大理石平台中的使用和发展。
　　采用直线电机直接驱动的伺服系统减去了中间传动环节，大幅提高了驱动系统刚度及推重比，同时也不存在传动环节引入的死区、间隙和可重复性问题，定位精度及系统加速度可以   提高。直接驱动系统也因此   能适应当今工业的运动要求，   了广泛的应用。
　　但同时，直接驱动系统去除传动环节也会带来一些影响，如系统参数摄动，负载扰动，环境干扰等因素都会不经缓冲或者衰减直接作用于直线电机上，增加了控制的难度。直线电机本身也存在力波纹和端部效应这样比较严重的非线性扰动，加之长时间连续工作后散热如果不良，温度的变化会给原本就紧凑的机械结构带来可观的变形量，这些因素都会对系统性能造成影响。
　　无摩擦大理石平台于上世纪90年代在美、日、韩等   开展   和应用，主要应用气浮或磁浮轴承等非接触式支撑方式使运动部件之间无直接接触。对比传统导轨大理石平台，其    大的优越性在于了接触带来的磨损和非线性摩擦力的干扰，使得系统精度有进一步提升的可能。但无论气浮式还是磁浮式大理石平台，都有各自的缺点，磁浮式大理石平台控制复杂，成本高昂，气浮式大理石平台则承载能力较低。近年来气浮式大理石平台随着   的逐渐进步，己经日趋成熟，在高加速度   运动系统中的应用也越来越广泛。
　　二、直线伺服驱动系统构成
　　一个典型的直线伺服驱动系统由定位机构、直线电机、反馈器件、驱动放大器、运动控制器等组成，在实验中通常还会应用到上位机，用于发送指令、调试等工作。定位机构包括大理石平台部件连接件和支撑机构如导轨、轴承等。直线电机可以分为直线同步电机、直流感应电机、直线直流电机等。反馈器件通常采用直线型光栅编码器，分为增量式光栅编码器和绝 对式光栅编码器，在少数精度要求的场合也会采用激光干涉仪。驱动放大器基本功能是电流放大器，即进行电流环的运算放大，部分产品还能实现速度环的闭环控制甚至位置环的运动控制。运动控制器包括工业PLC(可编程控制器)、伺服控制器、工业CNC(数控)控制器等，运动控制器的性能会直接影响    后的运动性能，和实验中，为了   方便的实现自定义控制算法和实时硬件在线仿真，经常应用dSPACE等实时控制系统。
　　在将直线伺服驱动系统各部分进行集成时需要有合理的匹配，经过   的计算和设计才能获得理想的整体性能，但是也不能一味追求而忽视成本的控制。需要综合考虑的各方面指标如下：
　　1)精度，系统的精度定义为理想的定位系统与实际物理系统之间的误差，该误差通常由机械结构本身的制造装配精度和沿运动方向的线性定位精度构成。
　　2)分辨率，系统的分辨率不同于反馈器件的分辨率，系统分辨率是指运动控制器发出信号、定位机构能响应的   小位移增量，机械结构的设计、电机的响应能力、驱动器放大器的分辨率和反馈器件的分辨率等都对系统分辨率起重要作用。在进行闭环控制时，系统分辨率受限于反馈器件的分辨率，理论上   不会高于反馈器件分辨率。
　　3)可重复性，可重复性是指系统多次运动到同一个指定点的实际位置变化情况。好的可重复性表明无论用何种路径规划重复达到指定位置，系统的实际位置与指定位置的偏差变化都不大，也即具有较高的重复精度。重复精度一般要高于系统精度。
　　除以上三点外，还需要考虑一些指标如系统尺寸、电气性能、热效应和成本。