具有无摩擦驱动器的压电纳米定位和扫描系统提供了卓越的性能

具有无摩擦挠度引导的PI纳米定位和扫描系统绝对优于具有传统引导系统的定位器(交叉滚子轴承等)在分辨率,可重复性,直线度和平坦度方面。由于其固有的摩擦和有限的引导精度,传统的定位器最适用于需要重复性的0.1的可重复性µM,即使编码器读数可以指示更高的分辨率。相反,PI压电驱动的弯曲纳米定位器可以容易地在亚域仪领域中实现可重复性和最小增量运动。

更高的速度

使用压电驱动器,能够加速度高达10,000克,并且其低移动质量,这种压电阶段可以提供明显更高的扫描速度,而不是电动系统。

为什么柔性?

弯曲运动基于弹性变形(flexing)固体材料。完全消除摩擦和沉降,柔性具有高刚度,负荷能力和抗冲击和振动的抵抗力。柔性是免维护,不受磨损。

它们是真空兼容的,在宽温度范围内操作,既不需要润滑剂也不需要压缩空气进行操作。

漫长的旅行(10 mm)多维Roberts-Linkage弯曲系统可防止XYZ定位应用中的平行线误差。

图1。 Long-travel (10 mm)多维Roberts-Linkage弯曲系统可防止XYZ定位应用中的平行线误差。

出色的指导精度

MultiLink柔性引导系统最多使用 PI压电纳米定位器 (Fig. 2)消除余弦误差并在纳米或微火线范围内提供双向平坦度和直线度。这种高精度意味着即使是最苛刻的定位任务也可以双向运行以获得更高的吞吐量。

线EDM切割过程提供紧凑型压电纳米定位阶段的最高精度弯曲引导系统

图2。线EDM切割过程提供紧凑型压电纳米定位阶段的最高精度弯曲引导系统

寿命/ PICMA压电执行器

PI PZT纳米定位系统 采用屡获殊荣的PICMAR压电执行器,唯一具有COFired陶瓷封装的执行器。 PIMCA Pizo技术由PI专门开发'S压电陶瓷分部在纳米定位应用中提供更高的性能和寿命。

多层压电致动器类似于陶瓷电容器,不受磨损的影响。 PI纳米定位系统设计用于在比大多数其他压电系统的较低电压下驱动(100 V vs. 150 V)。研究文献,pi'S自己的测试数据和30年以上的经验都确认了较低的平均电场,导致寿命更长。

测量纳米:阶段计量选择

实现纳米和亚域仪精度需要更多的压电阶段能够在这种精确度刻度上进行移动。

阶段内部计量系统还必须能够测量纳米级的运动。选择阶段计量系统时需要考虑的五个主要特征是线性,灵敏度(resolution),稳定性,带宽和成本。其他因素包括直接测量移动平台的能力,并接触与非接触式测量。三种类型的传感器通常用于压电纳米定位应用 - 电容性,应变和LVDT。

表1总结了每个传感器类型的特性。

表格1。 传感器特性

传感器类型

*灵敏度
(Resolution)

线性*

*稳定 /
Repeatability

*带宽

计量类型

励磁信号

电容性

最好的

最好的

最好的

最好的

直接的 /
Non-Contact

AC.

拉紧

更好的

好的

好的

更好的

推断**
(indirect)/
Contact

DC.

LVDT.

好的

好的

更好的

好的

直接的 /
Non-contact

AC.

* 笔记。评级描述了传感器对整个纳米定位系统的性能的影响。 PI产品数据表中的规格表明,PI产品数据表中的规格表示完整系统的性能,包括控制器,力学和传感器。它们使用外部纳米例学设备进行验证(Zygo Interferometers)。重要的是不要仅将这些数字与单独的传感器的理论性能混为一组。

**应变型传感器(金属箔,半导体或压阻)从应变中推断出位置信息。

电容传感器

PI电容传感器根据电容测量两个板之间的间隙。这些传感器可以设计成成为纳米定位系统的组成部分,几乎没有对尺寸和质量的影响(inertia)。电容传感器提供最高分辨率,稳定性和带宽。它们能够直接测量移动平台并不接触。

电容传感器还提供最高线性(accuracy). PI'S电容传感器/控制电子设备 使用高频交流激励信号,以增强带宽和无漂移的测量稳定性。 PI.'S独家ILS线性化系统进一步提高了系统线性度。如果与pi一起使用'S的数字控制器,Mechence和电子的数字多项式线性化使得整体系统的线性度优于0.01%。电容传感器是最苛刻的应用的首选计量系统。

应变计传感器

应变计传感器是粘合到压电堆叠的电阻膜或 - 用于增强精度 - 弯曲级的引导系统。它提供高分辨率和带宽,通常选择用于成本敏感的应用。作为接触式传感器,它间接测量,因为从杠杆,弯曲或堆叠的测量中推断出移动平台的位置。 PI使用每轴具有多个应变仪的Quarbridge实现,以增强热稳定性。 PI.'S PICMA驱动技术还实现了致动器施加的应变计传感器的更高性能。

LVDT.传感器

LVDT.传感器测量线圈中的磁能。附接到移动平台的磁芯在连接到框架的线圈内移动,该框架产生相当于位置变化的电感的变化。 LVDT传感器提供非接触,直接测量的位置。它们具有成本效益,提供高稳定性和可重复性。

PI纳米定位阶段对方波控制信号的响应清楚地示出了真正的子NM位置稳定性,增量运动和双向可重复性。用外部电容表,20 PM分辨率测量。

图3。 PI纳米定位阶段对方波控制信号的响应清楚地示出了真正的子NM位置稳定性,增量运动和双向可重复性。用外部电容表,20 PM分辨率测量。

并行和串行设计,控制器选择

平行和串行运动学机制

有两种方法可以实现多轴运动:并行和串行运动学。串行运动学(嵌套或堆叠系统)实现更简单,更昂贵,但与并行运动学系统相比,它们具有一些限制。

在多轴串行运动学系统中,每个执行器(通常每个传感器)被分配到一个自由度。在并行运动学多轴系统中,所有执行器直接在同一移动平台上行动(relative to ground),实现尺寸和惯性,以及消除由移动电缆引起的微抗冲击(Fig. 4)。这样,对于X和Y轴,可以获得相同的谐振频率和动态行为。该优点是动态和扫描速率较高,轨迹引导更好,以及更好的再现性和稳定性。

PIXYθz的原理,最小惯性质量,单片,平行运动学纳米定位系统。精度,响应性和直线度/平坦度远远大于堆叠的多轴(串行运动学)系统。

图4。 Principle of a PI XYΘz,最小惯性质量,单片,并联运动学纳米定位系统。准确性,响应性和直线度/平坦度远优于堆叠的多轴(serial kinematics) systems.

直接平行计量

相对于固定参考的多轴测量

平行运动学促进了直接平行计量的实施 - 相对于地面的所有受控自由度的测量。这是一个更困难的设计,但它导致明确的性能优势。并行计量传感器在其测量方向上看到所有运动,而不仅仅是一个执行器的运动。这意味着所有运动都在伺服回路内,无论哪个致动器都可能导致它,导致卓越的多轴精度,可重复性和平坦度,如图5所示。直接并行计量也允许更快的伺服设置更快回复。缺陷扰动 - 外部或内部,例如由一个轴的快速步骤引起的诱发振动 - 可以被伺服阻尼。

有效轨迹控制的纳米定位阶段的平整度超过100 x 100µM扫描范围约为1nm。

图5。 有效轨迹控制的纳米定位阶段的平整度超过100 x 100µM扫描范围约为1nm。

模拟和数字控制器

PI生产各种模拟和数字纳米定位控制器。最先进的PI数字控制系统提供多种优点,可提供模拟控制系统:坐标转换,实时线性补偿和消除某些类型的漂移。

数字控制器还允许几乎瞬间更改不同的负载条件等伺服参数等。但是,并非所有数字控制器都是相等的。较差的实现可以添加噪音并缺乏设计良好的模拟实现的某些功能,例如快速稳定时间,与先进前馈技术的兼容性,稳定性和鲁棒操作。 PI数字控制器可以从ID-Chepequpped纳米定位阶段下载特定于设备的参数和校准信息,促进纳米机制和控制器的互换性。

所有PI纳米定位控制器(analog and digital)配备一个或多个用户可调槽滤波器。可以调整带有缺口滤波器的控制器以提供更高的带宽,因为在影响系统稳定性之前,可以抑制系统共振的SideEffect。对于最苛刻的步骤和解决申请,PI's exclusive Mach(TM)InputShaping实现可作为选项可用。

控制器/接口

数字动态线性化(DDL)

E-710 数字控制器具有内部算法,可以消除重复波形中的跟踪误差和非线性,以增加扫描应用中的线性度和有效带宽长达1000倍(Fig. 6a, 6b).

具有超级Invar 6D-纳米定位阶段的六轴数字压电控制器。所有PI纳米定位系统和控制器都是完全符合CE的。

图6A。 具有超级Invar 6D-纳米定位阶段的六轴数字压电控制器。所有PI纳米定位系统和控制器都是完全符合CE的。

使用E-710控制器和DDL选项快速扫描P-621.1CD(命令上升时间5 ms)的快速扫描运动。数字动态线性化几乎消除了跟踪错误(<扫描期间20nm)。经典PID控制器的改进高达3个级,并随扫描频率增加。

图6B。 P-621.1CD的快速扫描运动(命令上升时间5毫秒)使用E-710控制器和DDL选项。数字动态线性化几乎消除了跟踪错误(<20 nm)在扫描过程中。经典PID控制器的改进高达3个级,并随扫描频率增加。

接口选择:数字或模拟?

模拟接口提供高带宽,仍然是指挥压电运动系统的最常见方式。通常是选择应用中的控制信号以模拟形式提供的选择。模拟接口的关键优势是其内在的确定性(realtime)行为,符合当今多任务PC上准确定时高带宽通信的难度。

然而,当不可用模拟控制信号时,或者当控制信号源和纳米定位控制器之间的显着距离会影响信号质量时,数字接口不得与数字控制不混淆,是首选。

数字信号可以通过铜线传输,或通过光纤通过光纤传输。

五种类型的数字接口通常用于压电纳米定位应用:并行端口,RS-232,IEEE 488,USB,光纤链路,以及带有一些数字控制器的直接DSP链路。对于动态,高精度应用,接口的确切定时比数据传输速率更重要。

接口带宽与定时

压电驱动级可以在毫秒或微秒的时间尺度上响应运动命令。

这就是为什么运动命令和数据采集的同步对许多应用的质量产生高影响的原因,如成像或微机器。例如,USB旨在以高速转移巨大的数据块,但确切的时间是一个更大的问题。虽然在较不响应的定位系统中微不足道,但这种非确定性行为可能在高速跟踪或扫描应用中可能无法容忍。每个运动命令 - 仅包含几个字节 - 必须立即传输,无需延迟。具有较高时序精度的较低带宽总线可以在许多应用中更好地执行更好。

有几个因素会影响数字接口的响应:控制计算机上操作系统的定时精度;总线时序协议;公共汽车的带宽;并且,数字接口需要的时间(在压电控制器中)处理每个命令。

并行端口接口不需要命令解析,并提供吞吐量和定时精度的最佳组合。

此外,对于界面性质,纳米定位系统的带宽(mechanics and servo)事项。一个缓慢的系统(例如100 Hz谐振频率)不会像高速机制那样从响应界面中受益。

CE合规性

所有标准 PI纳米定位系统 是完全符合CE的。

测试和校准 - 为什么高质量的纳米学设备设备很重要

压电纳米定位系统是重大投资,PI相信优化每个客户的性能'S系统。 PI每阶段单独校准,并优化客户的动态性能'S应用。此外,PI对改进质量,高性能的纳米学设备进行了显着的持续投资,以便我们为客户提供更好的价值。

因为纳米机构只能与其调谐和测试的设备一样准确,所以PI闭环阶段专门校准着名的Zygo ZMI-2000和ZMI-1000干涉仪。 PI.'S纳米术校准实验室正在地震,电磁和隔离隔离,温度控制在0.25℃的温度下°/ 24小时。我们相信我们的校准能力和程序是行业的基准。

此外,作为我们持续改进哲学的一部分,正式的NIST可追溯性计划于2006年底建立。

此信息已被源,审查和调整PI提供的材料(Physik Instrumente)LP,压电纳米定位。

有关此来源的更多信息,请访问 PI (Physik Instrumente)LP,压电纳米定位.

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