ボールねじ駆動によるサブナノメートル分解能位置決めのための振動抑制手法の探求

滚珠丝杠传动亚纳米分辨率定位振动抑制方法探索

基本信息

批准号：
22K03996
负责人：
深田茂生
金额：
$ 1.91万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

剛性と精度の両立が要求される事例では，位置決め駆動要素としてボールねじを用いる場合が最も多い．高分解能化への要求の高まりとともに，ボールねじを用いた位置決め機構においても，サブナノメートルレベルの位置決め分解能の実現が期待されている．本研究は，サブナノレベルにおいて効果的かつ実用的な振動抑制手法を構築することを目的とし，令和4年度は実験装置の構築を行うとともに，受動的制振機構の効果について実験的に検討した．また，内部センサ情報に基づく状態フィードバック制御による振動抑制法について基礎的検討を行い，受動的方法との比較を行った．まず，ストローク200mmのエアスライドで案内されるステージを，ボールねじ（ねじ軸外径20mm，リード5mm，オーバサイズボール予圧型）と定格出力130WのDCサーボモータで駆動する位置決め実験システムを構築した．ステージ変位を分解能0.06nmのリニアエンコーダで，ねじ軸回転角度を0.0227μradのロータリエンコーダで検出する．本位置決め機構を集中定数モデルで表現し，周波数応答実験により検証した結果，本機構は6慣性の集中定数モデルでノミナルに記述されることを確認した．次に本位置決め機構をステージ変位の直接フィードバックのみで位置決めした場合の残留振動を実験により測定した．その結果，残留振動は移動ステージ質量と出力端剛性で決まる固有振動成分によって支配されていることが分かった．以上の知見に基づいて，シリコンオイルを用いたオイルフィルムダンパをステージ端に設置したところ，残留振動（RMS値）を約1／3に低減することができた．さらに本機構の簡易な2慣性系モデルについて，状態フィードバック制御系を構成し，シミュレーションと実験によりその制振効果を検討した．その結果，残留振動の低減は認められたが，受動ダンパの制振効果には及ばなかった．

如果需要刚性和准确性，则最常将球螺钉用作定位驱动元件。随着对更高分辨率的需求的增加，即使在使用球螺钉的定位机构中，也将实现次级级级定位分辨率。这项研究旨在在子纳米水平上创建一种有效且实用的振动抑制方法，并在2022年构建了一个实验装置，并通过实验检查了被动振动抑制机制的影响。此外，使用基于内部传感器信息的状态反馈控制对振动抑制方法进行了基础研究，并将其与被动方法进行了比较。首先，我们构建了一个定位实验系统，在该系统中，该阶段是由以200毫米触频的空气滑动为指导的，由球螺钉（外径为20毫米的外直径为20毫米，导线为5毫米，超大球预努力类型）和DC伺服电动机，并具有130 W的额定输出。使用级别的置换量。使用分辨率为0.0227μRAD的旋转编码器检测到螺杆。这种定位机制在一个恒定模型中表达，并通过频率响应实验进行了验证，并证实该机制是用六个惯性的名义模型写入的。接下来，当仅使用阶段位移的直接反馈对位置机理定位时，通过实验测量残留振动。结果，发现残留振动受自然振动组件的控制，由移动阶段质量和输出端子刚度确定。基于上述发现，当在舞台边缘安装了使用硅油的油膜阻尼器时，残留振动（RMS值）减少到约1/3。此外，对于该机制的简单两惯例模型，构建了状态反馈控制系统，并通过模拟和实验检查了振动阻尼效应。结果，残余振动减少了，但是被动阻尼器的振动阻尼效果不如振动阻尼器好。