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．

在同时要求刚性和精度的情况下，最常使用滚珠丝杠作为定位驱动元件。随着对更高分辨率的需求不断增加，预计使用滚珠丝杠的定位机构将能够实现亚纳米级的定位分辨率。本研究的目的是构建一种有效实用的亚纳米级振动抑制方法，并于2020年搭建了实验装置并实验研究了被动减振机构的有效性．我们还对基于内部传感器信息的状态反馈控制的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，其中由行程为 200 mm 的空气滑块引导的工作台由滚珠丝杠（丝杠轴外径 20 mm，导程 5 mm，超大滚珠预压型）和 DC 伺服驱动电机额定输出130W。平台位移采用分辨率为0.06 nm的线性编码器检测，丝杠轴旋转角度采用分辨率为0.0227 μrad的旋转编码器检测。该定位机构被表示为集总参数模型，并通过频率响应实验验证其结果，确认该机构可以用具有6个惯量的集总参数模型名义上描述。接下来，我们仅使用平台位移的直接反馈来实验测量该定位机构定位时的残余振动。结果发现，残余振动主要由移动平台质量和输出端刚度决定的固有振动分量决定。基于上述知识，通过在平台边缘安装使用硅油的油膜阻尼器，我们能够将残余振动（RMS值）减少到约1/3。此外，我们针对该机构的简单二惯量系统模型构建了状态反馈控制系统，并通过仿真和实验研究了其阻尼效果。结果发现，残余振动有所减少，但不如被动阻尼器的减振效果有效。