考慮壓電遲滯與非線性摩擦力之微奈米級定位系統研究

一、 目的及重要性


  近幾年,隨著光電、通訊、半導體、生物科技等產品之精密化、微小化的趨勢,其零件精密細微,在檢查、組裝貨檢查時,所要求的定位精度極高。而設計組裝零件之機台,一般均會運用伺服馬達及滾珠螺桿所構成的移動檯,但隨著產品的微小化趨勢,所要求的定位精度越來越接近傳統定位機構之解析度的上限,且因伺服馬達及滾珠螺桿所構成的定位機構,欲達到如此高的精密定位精度,需克服螺桿所造成的被隙與摩擦等傳統控制難題。本研究主題針對精密定位控制系統的特點,可列舉如下:

1. 有別於一般傳統複雜的伺服機構,提供構造簡單之高精密定位裝置。
2. 因為使用壓電元件瞬間變形的特性,形成步階定位的控制系統,使得控制器之構成相對簡單。
3. 在作最後精密定位時,壓電元件是在不通電的狀態,控制器之構成亦相對簡單。
4. 衝擊力驅動裝置組合而成的滑動平台定位分解能可達到1 μm甚至10 nm的程度。此精度顯著超越任何伺服系統的定位精度。

  故比較參考現行組裝作業的現況,本計畫所組裝之機構優於目前所有之微步定位機構,像傳真機(FAX)用CCD電路板之光電元件、軟式或硬式磁碟機讀寫頭之類的精密零組件組裝…等等。針對壓電元件在精密定位控制之應用介紹,其應用範圍大致如下:

1. 磁碟機資料讀取的組裝
2. 傳真機用光學頭電路板的組裝
3. 半導體檢查裝置之光學系統的零件
4. 光纖的接續


二、 原理及說明


1.1 壓電致動器[1-3]


  壓電元件是指具有壓電特性的材料,壓電特性就是當材料通入一直流電壓時,材料的兩端會產生一個形變,形變的大小會隨著輸入的電流大小而不同,電流愈大形變愈大。具有壓電效應的材料如:聚合物之PVDF、複合材料的壓電元件PLZT、PBLN等。本計劃是使用陶瓷的壓電元件。此壓電元件(piezoelectric element)預估一次驅動之時間為10ms,即一秒內可驅動一百次,最大速率可達100μm/s以上。


  壓電性基本上是屬於機械能和電能間,能量轉換的一種現象。由於壓電材料受到外力作用所產生的電荷是與外力的大小與方向有關。當電荷產生時,即形成電場與電壓,在受到拉應力(Tensile Stress)與壓應力(Compressive Stress)時,其電場與電壓的方向恰好相反。此一現象亦是可逆的,亦即當壓電材料受到不同極性的電場時,將會導致其長度的增減。所以壓電效應可包括正電效應及逆電效應。(a)正壓電效應:當施一機械應力於壓電材料時,材料的兩端會伴隨產生一個電荷,其電荷的大小與施加應力大小成一比例。當施加應力方向相反時,電荷極性亦會變成相反。(b)逆壓電效應:當一直流電場加於壓電材料之兩端,材料會產生一個型變,其變形量會隨電場的大小而有所改變。但當加入一交流電場時,材料的變形方向也隨著電場正負變化而做縮收、拉長的交互變化。如果交流電場頻率等於材料的自然共振頻率,此時材料會產生共振現象,而導致壓電材料產生最大的變形量。


  利用壓電材料的壓電效應,可以設計感測器(Sensor),將機械能(信號)轉換成電能(信號),例如:加速規與壓力感測器等。應用壓電材料的逆壓電效應,則可以設計驅動器(Actuator)或換能器(Transducers)。將電能轉換成機械能,例如:印表頭、位移驅動器與超音波影像等等。壓電材料的應用領域可說是極其廣泛,例如:精密機械、化學、醫療、食品、電子等產業,可以說與日常生活息息相關。


1.1.1 壓電元件的分類


  一般壓電材料作為致動器時,使用上可分成兩種類型:第一種類型為,利用壓電元件的縱效應與橫效應,產生位移之單純線性位移型,其種類包含單層元件、積層元件與管狀元件等。第二種類型為,可產生較大之空間位移的複合彎曲位移型,為壓電元件與其他彈性材料之組合,其種類包含單壓電晶片(unimorph)、雙壓電晶片(bimorph)等。


  單層型壓電元件其構造簡單,但是可產生之位移量非常小,因此其工作範圍也相當小,在使用上受到相當大的限制。一般單層型壓電元件的厚度約在0.1~1mm之間,可產生之位移量約為100nm。近年來,隨著微機電系統之微細加工技術的蓬勃發展,可將壓電材料薄膜化,其響應頻率從100MHz到數GHz。單層型壓電元件,其驅動原理為在厚度方向,施加電壓極化壓電元件,使壓電元件產生伸縮變形的動作。


  積層型壓電元件基本上是由單層型壓電元件加以重疊所組成,每層間以薄膜絕緣,一般層數由數10至數百層,因此能夠得到比單層型壓電元件更大之位移量,其位移量從數微米到數10微米;並且擁有較大之能量轉換效率,約比單層型壓電元件多數十個百分比的能量轉換效率;其固有振動數約在數kHz到數10kHz,而驅動原理為在每個單層型壓電元件之間以電極間隔,並將每個單層型壓電元件的極化方向與相鄰的單層型壓電元件的極化方向反向,最後在每個單層型壓電元件同時施加電壓,則積層型壓電元件會在積層軸方向產生位移變化。積層型壓電致動器,具低消耗功率、發熱少、不會產生電磁信號之干擾、高精密度控制微小定位佳、響應速度快、轉換效率高、體積小與重量輕等優點,因此廣泛的使用在精密定位領域上。


  雙壓電晶片的構造基本上是由兩片長方向的壓電元件,中間黏合一彈性填隙片所組成,其驅動原理為一壓電元件伸長時另一壓電元件做相反之收縮動作,使整體產生彎曲位移之變形。


1.1.2 壓電元件的基本特性


  壓電元件為一種具有機械能與電能交換機能之材料,因此壓電元件具有機電能量轉移之性質,稱之為壓電效應。壓電元件因受本身材料遲滯現象與潛變的影響,所以在位移上所呈現之曲線並非完全線性。由於壓電元件有先天性遲滯現象,因而產生偏壓—變形時,會產生遲滯效應。遲滯效應會造成上升曲線與下降曲線不一致之情況產生,所造成之誤差因材質之不同約有2%~5%之誤差量。除上述遲滯現象之外,壓電元件存在潛變的現象,當施予壓電元件步階電壓時,壓電的位移量隨時間的增加而變大,此種現象稱為潛變。另外,當步階電壓為0V時,位移量並不會返回初使位置,而造成殘留位移量。


1.1.3 壓電元件的分析模型


  壓電性為一種機電能量互換的現象,因此,描述其物理現象一般可分為三類:(1)機械方式;(2)電氣方式;(3)機械—電器方式。如下說明:

(1) 機械方式:將壓電元件視為一彈性體,由一個質量、彈簧與阻尼所組合而成,由振動理論可將壓電元件等效為二階的振動系統,解其振動方程式可知力與位移之關係式。
(2) 電氣方式:將壓電元件視為由一電容、電感與電阻所組合而成的RLC電路,並由電路分析可得電壓與電流之關係。
(3) 機械—電氣方式:結合機械與電氣混合方式,可將積層壓電元件等效為一個具有電氣與機械能量轉換之變壓器、電容與阻抗之電氣迴路,利用此模式,可直接建立輸入電壓與壓電元件所產生力與位移間的關係。


1.2 壓電遲滯效應[4]


1.2.1壓電遲滯對系統的影響


  壓電陶瓷元件因本身為鐵電性材料組成,所以壓電陶瓷元件在對電場的反應中呈現非線性的曲線,我們將此存在於電場與位移或力量間的非線性關係,稱之為遲滯現象(hysteresis)。由於壓電元件的先天性遲滯現象,因而當給與周期性的輸入時,就會產生遲滯效應,遲滯效應會造成上升曲線與下降曲線不一致之情況產生,所造成之誤差因材質之不同約有2%~5%之誤差量。然而,壓電材料的遲滯現象,將造成IDM機構運動路徑可達10%~15%的誤差,為了達到高精度的定位,對於遲滯模型的建立與遲滯效應的補償都是必須且重要的。

  遲滯現象的非線性行為是影響定位性能的一項重要因素,從原點到極值範圍之間,由系統輸入給予遞增形式和遞減形式的訊號,則輸出訊號會以輸入之極值為轉折點,完成兩條不同的路徑,所形成封閉的曲線就稱為遲滯迴圈。遲滯現象自被發現以來,一直是學術界廣泛探討的議題,對於遲滯現象的數學建模,在歷來的研究中也被充分的討論與研究。


1.2.2 壓電遲滯模型的介紹


  回顧過去已發表的文獻資料,我們可將常見遲滯建模的方式與架構分為,以下三類: 1.微分方程式動態模型,2.Preisach遲滯系統模型,3.類神經網路遲滯模型,而以微分方程式來描述遲滯的行為中,又包括了簡化Dahl模型、Boun-wen遲滯模型、Backlash-Like遲滯模型、Maxwell遲滯模型、Polynomial Approximated …等。


1.2.2.1 麥斯威爾模型(Maxwell model)


  Michael和Nikola於1997年提出麥斯威爾模型用以描述遲滯現象,這個想法是根據十九世紀中一位數學家James C. Maxwell提出的廣義麥斯威爾滑動(Generalized Maxwell Slip)加以改良,並應用在描述壓電的遲滯行為上。其主要的描述是將遲滯的產生假設成為庫倫摩擦力的存在,如圖1(a)所示,一個不考慮質量的線性彈簧連接無質量滑塊且受庫倫摩擦力作用的單位元件,稱為彈滑元件(Elasto-slide),其行為可表示成:

 (1)

其中 表輸入位移,F為輸出力,k為彈簧常數, 是滑塊的最大靜摩擦力。當輸入值夠大時,輸出力與端點位移間的關係會有如圖5(b)中的初步遲滯現象


(a)       (b)
圖1•彈滑元件及其輸入輸出關係
 

若將多個彈滑元件並聯,如圖2(a)所示,且每一個元件的最大靜摩擦力呈漸增的趨勢,如此便可以分段線性的方式來模擬遲滯的曲線,整各模型系統的行為如圖2(b),其行為可表示:

(2)


(a)        (b)
圖2•n個彈滑元件並聯及其特徵曲線
 

由於麥斯威爾模型是以分段線性近似的觀念,模擬出遲滯曲線的參數,但是此模型所需的參數過多,往往會造成控制器設計上的困難。


1.2.2.2布斯溫模型(Bouc-Wen model)


此遲滯模型是由Wen首先提出,Bouc再加以改良,具有簡單的數學描述式。Bouc-Wen模型描述式如下所示:

 

其中z和x分別代表系統的輸入與輸出,參數 控制輸入的振幅大小,而 決定遲滯曲線的形狀, 則控制曲線由彈性至塑性的平滑度。Low和Guo於1995年簡化布斯溫模型,假設結構與材料為彈性,令n=1,則原式可簡化為[4]:

 

  使得布斯溫模型應用在控制問題時較易於與系統結合,方便控制器的設計,但是此模型中的輸入速率會強烈影響輸出,所以在輸入型態有所限制的情況下,造成此模型應用受限。


1.2.2.3 似齒隙之遲滯模型(Blacklash-Like Hysteresis model)


  此遲滯模型為一僅含三個參數的一階微分方程式所構成,並在1986年由Coleman及Hodgdon證實可適用不同的磁性材料,亦能描述遲滯現象,其輸入與輸出的關係式如下

 

其中uF分別為系統之輸入和輸出, 為待定參數,函數 可依遲滯曲線的外型任意選擇。


1.2.2.4 簡化之戴伊模型(Simplified Dahl model)


  文獻當中也有採用簡化的戴伊模型來模擬壓電材料的遲滯現象,其方程式可寫成為:

其中x和u分別為壓電致動器的位移量與輸入電壓, 為控制遲滯曲線的外型, 為固定常數。


1.2.2.5 Preisach模型


  另一種描述遲滯行為的建模方式,不同於之前的遲滯模型的微分方程式架構,Preisach遲滯系統模型數學式,是以積分的形式描述遲滯現象,且所表現的遲滯曲線並沒有一定的外型限制,其數學描述式如下:

為輸出響應, 稱為權重函數, 分別代表輸入切換值的上下界, 稱為遲滯操作子。我們由圖3的方塊圖,


圖3•Preisach遲滯模型示意圖

根據以上對遲滯模型的描述,我們可以比較各個遲滯模型之間的優缺點,如表1所示。以方便將來對遲滯模型的差異作更進一步的研究。
 

遲滯模型

優點

缺點

麥斯威爾模型

(Maxwell Model)

1.具有物理觀念

2.描述式簡單

對於遲滯行為的特性描述不完備

似齒隙之遲滯模型

適用描述磁性材料與壓電材料支遲滯行為

僅適用於固定之遲滯外型

簡化之戴伊模型

(Simplified Dahl Model)

1.將遲滯行為的產生以力的型式描述

2.易於控制器之設計

對於遲滯行為的特性描述不完備

Preisach遲滯模型

1.對於遲滯的特性描述完整

2.經改良後之模型透過圖形解釋觀念易懂

缺少物理意義的解釋

布斯溫模型

(Bouc-Wen Model)

1.模型參數少

2.易於控制器之設計

對於遲滯行為的特性描述不完備


表1•遲滯模型的比較

1.3 非線性摩擦力理論


1.3.1 非線性摩擦力的影響[6]


  在精密定位控制中,如何克服摩擦是一關鍵因素,而要克服摩擦首先必須瞭解靜摩擦的行為。因為傳統上靜摩擦的行為多以死區(dead zone)表示,但是靜摩擦的行為實際上是由兩種運動組合而成。他們分別是具有滑動及硬化特性的塑性變形,以及具有記憶與遲滯現象的非線性彈簧變形。其性質可簡述如下:

(1) 靜摩擦力是隨時間及位置變化的。這可以歸因於許多原因,例如溫度、負載變化等皆會造成摩擦力之變化。此特性加上死區的非線性行為是目前在定位控制上最難克服的盲點,無法保證其定位的重複率。
(2) 塑性變形:此一變形主要具有兩大特性—硬化與永久性滑動。這一現象簡單的說就是藉由滑動生成了永久性的位移,但這些位移將會在施力移除後仍然存在。
(3) 非線性彈性變形:此一現象主要就是遲滯曲線以及曲線轉折點之記憶與消除。一完整的遲滯迴圈,此遲滯迴圈上下施力範圍必不可超過原最大施力值。否則新的塑性位移將使得遲滯無法完成迴路,因此塑性行為與非線性彈性變形是兩個獨立的行為。當位移量很小時,非線性彈性變形將可視為一線性彈簧。此時配合材料本身的阻尼,整體系統就如標準的二階質量-彈簧-阻尼系統。


1.3.2 摩擦力模型的介紹[7]


  近年來,由於生化、半導體與光電產業的進展,對於機械精度的要求不斷地向上攀升,使得高精度機械控制成為相當重要的工業領域。至於在學術研究上,次微米(sub-micron)或奈米科技(nanotechnology)相關的研究已成為二十一世紀重要的學術指標。因此,對於機械系統長行程、高精度表現的研究已成為一個重要的方向。
當兩個機械元件(components)接觸且有相對運動時,摩擦力就會存在,如圖4所示:


4•摩擦力與外力的關係圖


  若高精度效能成為系統重要的指標時,摩擦力就成為影響系統精度的重要因素。基本上,摩擦力可慨略分為靜摩擦與動摩擦兩個區域[8]。基於兩區域內摩擦力行為的不同,描述摩擦力的數學模型也會不同。許多研究結果顯示,摩擦力行為屬於非線性的動態行為;且因為摩擦力不均勻分佈的特性,使得摩擦力同時擁有時變性與隨位置改變的特性(time varying and position varying property)造成摩擦力在定量分析上難以得到高重複性的結果。雖然定量分析如此,但在定性上卻可以發現一個廣泛且通用的行為準則,而圖5為一般常見的摩擦力模型。


圖5•一般常見之摩擦力模型


為了能更進一步了解摩擦力的動態行為,以下舉三種摩擦力模型作為本研究方向:


1.3.2.1 Karnoop摩擦力模型[9]


   基於移動檯沿著接觸面,以水平方向運動,因此在圖6中,平檯與接觸面之間的黏滯-滑動(stick-slip)摩擦力 ,可以假設成Karnopp模式[10]:

其中

 


分別表示庫倫動摩擦力和最大靜摩擦力;而 為其摩擦係數。上述的模式允許我們去計算,在停止與滑行運動時,所產生的摩擦力。經由黏滯-滑動摩擦補償器,參數 看作是零;但為了使數值積分演算法保持穩定,在使用數值模擬時,把參數a當成是非零的值。


圖6•Karnoop摩擦力模型

 

1.3.2.2 LuGre摩擦力模型[11]


  LuGre摩擦力模型用一個假想的狀態變數z來描述靜摩擦力的非線性行為,並在結合戴伊模型與摩擦力的Stribeck效應,建構出一個具有完整描述任何狀態下的摩擦力行為,其模型的數學描述式如下:

10

其中

 

11

分別表示庫倫動摩擦力和最大靜摩擦力, Stribeck速度,而v為物體移動的速度, 為指數的任意變數。


圖7•刺毛理論分析模型


  經由這種塑性變形的結果,來加以描述靜摩擦力的動態行為,而此時的物體移動的速度幾乎趨近於零,我們可以想像成物體表面因塑性變形而黏滯住,直到達到最大的塑性變形時,物體才會產生移動速度,如圖8可說明之。


圖8•狀態變數z與速度的關係圖


而單純動態下的摩擦力模型,可由 ,我們可以簡化模型成為

12


此時的摩擦力就變成我們一般常見的,考慮Stribeck效應而產生指數遞減以及等斜率上升的曲線,如圖9所示


圖9•動態的摩擦力模型


若當物體的速度 v 趨近為零時,則 亦會為零,此時的靜態摩擦力可簡化成為:

13


此時的狀態變數z所造成的靜摩擦力與物體的位移量會成為遲滯的曲線,如圖10所示,而並非以前所認為的與作用力成反力。


圖10•靜態的摩擦力模型圖

 

1.3.2.3 Leuven摩擦力模型[12]


  Leuven摩擦力模型最先是由Jan Swevers等人於2000年所提出的,並在2002作模型的修正,其數學的描述式與LuGre類似,都是用兩個聯立的微分方程式所構成[13]:

14

其中

 

15

分別表示庫倫動摩擦力和最大靜摩擦力, 為Stribeck速度,而v為物體移動的速度, 為指數的任意變數。


  Leuven摩擦力模型與LuGre摩擦力模型主要的不同之處,在於對靜摩擦力的動態作更廣義的闡述。直接將靜摩擦力假設成為遲滯力,並利用麥斯威爾的遲滯模型來描述此遲滯靜摩擦力,如圖11所示:


圖11•麥斯威爾滑動模型


而遲滯靜摩擦力 的數學描述式為:

16

其中

 

,則

反之,則

 

1.4 衝擊力驅動機構[14-17]


  衝擊力驅動機構(Impact Drive Mechanism, IDM)是利用壓電元件瞬間變形所產生的衝擊來達到微小定位的目的。此機構僅由一個壓電元件,一個主移動體,以及一個慣性體所構成,不需複雜的機構,就能達到理論上能達到的無限行程之微動能力。


1.4.1 緣由


  針對利用衝擊力作為精密定位裝置的研究,發展至今較有系統成效者,首推東京大學T口教授在1984年所提出的構想。最先提出的方案,是將電磁線圈(Electromagnetic Coil)安裝在固定壁,利用電容瞬間放電所產生的衝擊力,用以驅動物體來做精密定位。後來將電磁線圈安裝在移動體上,構成具自走功能的精密定位機構,其驅動原理為利用瞬間的電磁衝擊力,同時驅動移動體M及慣性體m分別向前移動及向後壓縮彈簧,等彈簧完全吸收慣性體的動能後,慣性體會被彈回並再次與移動體碰撞,造成多次的微動。雖然此裝置可獲得微米以下的微動步幅,但因線圈會發熱,以及需大容量的電容等問題,因此無實用化的報告。1985年,積層型的壓電元件開始在市面上販賣,以此為契機 乃建構以壓電元件代替電磁力及彈簧的驅動方式。並在1988年發表「利用壓電元件的急速變形之超精密定位機構」,此驅動方式稱之為衝擊力驅動機構,隨後對其特性亦做更廣泛的探討。衝擊力驅動裝置的微動步幅可達奈米級,定位精度可達10奈米,相較於電磁力的驅動方式,性能上相當優異,且無發熱的問題。


1.4.2 驅動原理


  主移動體藉由自重或外摩擦力調整機構,安裝在滑動導引面上,而慣性體不與導引面接觸 其驅動原理,乃利用圖12所示之電壓波形,使壓電元件產生衝擊力,並造成微動。電壓波形中No.1為使壓電元件瞬間膨脹的波形,No.2為使壓電元件緩慢收縮和停止的波形,No.3是將上述兩者合併而成的波形。No.3的波形所產生的步幅會大於其他兩者的波形。首先主移動體向左微動時的過程為例 說明如下

(1) 驅動前,壓電元件是在自然的收縮狀態。
(2) 施予壓電元件瞬間變形的電壓波形(如電壓波形No.1)使其產生衝擊力,並克服作用在滑動平面上的摩擦力,使移動體及慣性體分別向左及向右移動。
(3) 以緩慢的電壓波形(如電壓波形No.2)控制壓電元件收縮,此時控制慣性體的收縮速率為定速,因加速度為零不產生慣性力,所以受摩擦固定的主移動體可保持在已移動後的位置上。
(4) 當壓電元件收縮致其原來尺寸的瞬間,因為供給驅動電壓降為零,慣性體的收縮動作會突然停止,此時慣性體產生之慣性力會再次敲擊移動體使其微動。
(5) 當壓電元電收縮至原來尺寸後,即完成單次的驅動動作。另外,驅動主移動體向右微動之驅動過程,與上述原理相似,唯在開始的步驟中,壓電元件是在伸長的狀態。


圖12•驅動電壓的波形


利用上述的驅動原理,主移動體可達到極為精密的微動步幅。若連續驅動主移動體向左移動,則只需重複施加相同的電壓波形至壓電元件。脈衝自走機構每次驅動時所產生的位移量可從數奈米到數微米。


1.4.3 衝擊力驅動機構之靜態特性及動態特性


   此實驗之目的乃為確認滑動平檯最佳的定位精度,以及測試滑動平檯最終的收斂速度。所謂靜態特性為單次驅動壓電元件時的移動特性,而動態特性為連續驅動壓電元件時的移動特性。

 


圖12•驅動電壓的波形


如圖13所示,在靜止的狀態時,摩擦力支撐的移動體(即Mass部分),而慣性體(即Weight部分)為附著於壓電材料另一端之質量塊。此時即可將定位機構視為一衝擊力驅動機構,具左右微動的功能。其驅動原理,參考圖16之驅動電壓的波形以及圖14之驅動原理,描述如下:

(a)驅動前壓電元件是在收縮的自然狀態。
(b)施於壓電元件瞬間膨脹的電壓波形(如電壓波形的No.1部分)使其產生衝擊力,並克服作用在滑動平檯上的摩擦力,使移動體M及慣性體m分別向左及向右移動。
(c)以緩慢的電壓波形(如電壓波形的No.2部分)控制壓電元件收縮,此時控制慣性體的收縮速率為定速,因加速度為零不產生慣性力,所以受摩擦固定的移動體可保持在已移動後的位置上。
(d)當壓電元件收縮至其原來尺寸的瞬間,因為供給驅動電壓降為零(如電壓波形的No.3部分),慣性體的收縮動作會突然停止,此時慣性體產生之慣性力會敲擊移動體使其再次微動。
(e)當壓電元件收縮至其原來尺寸後,即完成單次的驅動動作。另外,驅動滑動平檯向右微動之驅動原理,與上述原理相似,唯開始之步驟中,壓電元件是在膨脹的狀態。


向左移動               向右移動

圖14•自走機構(IDM)之驅動原理


利用上述之驅動原理,滑動平檯可達到極為精確的微動步幅。若連續驅動滑動平檯向左,則重複施於壓電元件相同的電壓波形,可獲得良好的動態移動特性。根據IDM驅動裝置的實驗結果報告,分解能可達1奈米,定位精度可達10奈米。


1.4.4 XY二自由度定位系統建立


1.4.4.1 定位系統架構


  由於現在的產品是越來越精小,因此加工機台的功能及速度快速的提升,對於XY平台也隨之耍求功能提升。XY精密定位滑台,在設計階段須考慮外形結構的簡單化、運動本體的輕量化、及低慣性矩、滑台本體的高剛性、高響應性、熱變形小及長時間使用壽命等特性。以往在XY平台中,常使用導螺桿來驅動,一般都是用旋轉感應馬達帶動導螺桿,將旋轉運動直接轉變為直線運動。但是,以導螺桿之滑台運動速度在配合旋轉式感應馬達後,其速度受限的最大瓶頸是在於導螺桿本身能承受之最大速加度。隨著滾珠導螺桿轉速的提高,將逐漸接近螺桿的自然頻率,但若引起共振現像,而不能繼續轉動。所以使用導螺桿的轉速,必須受限在共振的臨界轉速以下。而且導螺桿在和齒輪或其他零件配合傳轉時,有導螺桿背隙及導螺桿彈性變形所產生的誤差。因此,此種的驅動方式對現在耍求的精度難以達到。


  以目前搭配線性滑軌的XY滑台,有利用滾動軸承及氣壓軸承兩種,設計時必須考慮的因素有噪音、潤滑保養時效、高速運轉時精度保持、耐衝擊特性、空氣壓源穩定和散熱條件。另外考慮滑台結構在啟動或停止時之高加減速運動或高速運轉時,所產生之低頻共振現像,由於此現像成造成滑台定位精度的漂移,所以設計階段可利用頻率響應法量測此低頻共振點,在設計控制器時可供參考。
在對單一自由度下的衝擊力驅動裝置作整個系統最佳化設計後,我們在建立出XY二自由度定位平台的架構,並進行加工與接下來的研究項目。此定位系統目前將初步設計為兩組衝擊力驅動裝置結合而成,每一組驅動裝置掌控單一自由度的定位,整個定位系統架構如圖15所示:


圖15•二自由度定位平台架構圖

 

1.4.4.2 實驗裝置建立


  此二自由度實驗裝置之重要課題是,如何以較經濟之設備成本,構築最佳的控制模式,達到迅速定位之目的,以提供產業實際應用。預定之初期目標為,在10秒內達成10 nm之定位精度。在本階段所設計之具奈米級的定位系統,平面上二自由度移動的控制關係,因為每一軸(例如X軸)的單純運動,有可能會造成另一軸的干涉運動。若考慮干涉運動時的控制模式極為複雜,因此,本階段主要探討的課題,是如何以最有經濟及最有效率的控制方式,達到高精度及高定位速率的要求。本階段乃規劃PC-Based的控制系統,利用各種不同的控制策略,比較其在自動定位性能上的優劣。另外,此移動檯的驅動原理,乃是利用壓電元件瞬間變形所產生的衝擊力。其實驗架構圖如圖16所示:


圖16•定位系統實驗架構圖

 

三、 工程應用

  本研究為典型「機電整合」之課題,亦即包含機械元件之基本設計、製造,機電能轉換元件之分析及應用,感測器與控制系統的整合,電腦介面設計,以及智慧型控制系統之導入等綜合技術的應用。因此,對於參與之工作人員,能在機電整合領域上得到完整的訓練,並能使其體認精密電機與機械在國家科技發展上的重要性。尤其,本研究具實用價值,所培養之技術,能結合學界與產業界共同進行應用研究,並提供開啟對奈米世界序幕的基礎技術,對推動我國未來精密工業的發展,提升國際競爭力必有貢獻。

 

參考文獻

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