基于电流变效应的超精密工件台研究与展望

摘 要：通过分析超精密工件台系统的研究现状和存在问题及电流变液ERF的机理和应用现状，提出 “基于ERF半主动阻尼的直线电机驱动-气浮/磁浮导轨”纳米级超精密工件台系统。介绍了国内外相关研究，分析了此工件台系统具有的特性及尚待解决的问题。

关键词：超精密工件台；电流变液ERF；半主动阻尼

中图分类号：TN305.7;TH112 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)03-0011-02

1 引言

现代科学技术的飞速发展，对零件的制造和加工效率提出了越来越高的要求。作为工作母机的机床，特别是超精密加工机床（如光刻机）的加工速度和加工等性能指标已成为衡量一个国家科学技术水平的重要方面。而成功实现超精密加工系统的首要任务之一就是开发和研制高速、高定位、高响应速度、高稳定性及大行程的定位加工平台。

2 超精密加工平台的现状和发展

传统“伺服电机驱动传动定位平台存在以下问题：（1）丝杠侧隙及滞后，系统非线性，控制环节多；（2）接触引起机械摩擦，动态响应迟钝，定位时间较长；（3）摩擦产生金属粉尘或为减小摩擦磨损采用油脂润滑等带来了粉尘及油脂污染，严重影响了微电子产品的质量；（4）驱动系统的弹性致使连接刚度差，高速易发生振动等缺点难以同时实现高定位速度和高定位。如Nano-plane Series Model SBS-1200 定位只有0.1mm。

“直线电机驱动-气浮/磁浮支撑导轨”传动定位平台的特点：

（1）直线驱动能将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构，避免了中间转换机构弹性、侧隙及摩擦带来的问题，从而起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位高、行程长度不受限制；(2)由于直线电机无离心力作用，故直线移动速度可以不受限制；(3)其加速度非常大，可达10 g（g＝9.8m／s），能实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停；（4）气浮/磁浮支撑导轨消除了摩擦和传动装置变形带来的负面影响，适合超净环境等。以上优点使其在国内外得到重视和应用。如Nanoplane Series Model SLHU-300定位提高到40nm。

然而，与传统的“伺服电机驱动-丝杠-接触支撑导轨”平台相比，“直线电机驱动-气浮/磁浮支撑导轨”传动阻尼小，抗干扰能力较差，并随驱动功率的增大而变得更差。因为干扰力和负载变化直接影响“直线驱动-气浮/磁浮支撑导轨”传动平台的动态性能，而其固有的高机械刚度不足以与之抗衡，地影响了高定位和动态稳定性的实现。为提高其动态稳定性和控制，可采取完全主动控制，提高增益来实现高伺服刚度并进行速度反馈以提高系统的阻尼。然而低速阶段难以得到速度的值。另外，由于计算机和放大器的时间延迟，高增益使控制系统极不稳定甚至振动。因此很难同时得到高增益和良好的稳定性。

为解决直线电机驱动-气浮/磁浮支撑导轨结构的上述问题，提出基于半主动阻尼的直线电机-气浮/磁浮支撑导轨定位平台。半主动阻尼系统因其具有被动阻尼的可靠性和主动控制需要的可调性，同时不造成大的功耗且软硬件简单目前在国内外引起研究热点，并得到一定程度的应用。通过半主动阻尼结构与控制系统，可实现高速段小阻尼定位段大阻尼的综合阻尼特性。未来基于半主动阻尼的直线电机驱动-气浮/磁浮支撑导轨结构加工平台应具有以下特性：(1)工作台及导轨实现高刚度，重量轻，热膨胀小，阻尼可控；(2)电机和控制实现高定位，高响应速度，高运动速度，良好的动态稳定性。

增加可控阻尼结构是有效解决上述问题的有效途经，目前可控阻尼有油阻尼、电涡流阻尼、空气阻尼及ERF/MRF智能材料阻尼等。

3 ERF阻尼器研究现状

电流变液ERF(electrorheological fluid)通常是指具有高介电常数的固体粒子均匀分散于低介电常数的绝缘液体介质中所形成的一类稳定悬浮液。在足够大的外加电场作用下，其粘度在几毫秒的时间内急剧增大，同时伴随着屈服应力、弹性模量的显著增加，在极端情况下液体甚至发生固化，其行为表现为宾汉流体特征；一旦撤去外加电场，又迅速恢复至液体状态，回复牛顿流体特征[1]。

由于ERF液固态转换快速（毫秒级）、可控可逆、黏度可无级连续变化且能耗极低，自80年代无水电流变液材料发现以来，很快在世界范围掀起一个热潮。一些发达国家（如美国、日本、英国、法国、德国等）均竞相投入人力、物力进行科研和开发工作，有关ERF智能材料的学术会议和产品层出不穷。我国许多高校（如北京理工大学、清华大学等）及企业近年来也逐渐认识到ERF广阔的应用前景，相关基础理论和应用研究连续得到国家自然科学基金等项目的资助。ERF半主动阻尼控制装置（如变孔径ER阻尼器、变刚度阻尼器、ER 隔振器等）因其既具有被动阻尼的可靠性又具有主动控制需要的可调性，同时不造成大的功耗且软硬件简单等优点在汽车、航空航天及民用基础设施中得到应用。

4 超精密定位平台ERF阻尼器

ERF理论及产品的研究虽然越来越热，但关于超精密定位平台ERF阻尼结构的理论及产品相关报道却很少。Naoyuki Takesue应用电流变液于直接驱动电机上[2]，通过调节电压来改变阻尼，明显缩小电机的响应时间与振动幅值。Hitoshi Hashizume应用电流变液于纳米定位工作台上[3，4] ，从试验方面证实了电流变液可控阻尼可有效地提高响应速度和定位。然而两者均未涉及动态模型和控制策略等理论问题。同时国际上真正有实用价值的超精密加工平台ERF半主动阻尼装置尚属凤毛麟角，分析其原因主要有以下几点。

（1）ERF阻尼结构的设计有许多关键问题尚未解决，有待进一步研究。比如ERF阻尼结构动态模型的建立问题。ERF在外加电场作用下经历屈服前和屈服后两种状态，大部分阻尼装置（如阻尼器、离合器、阀）工作时，ERF处于屈服后状态，其屈服特性是非线性的，需要基于流体理论的连续性模型来表达这种非牛顿流体特性。以前常用的宾汉塑性模型由于简单被广泛用于场依赖流体，然而此模型假设流体屈服后仍呈现牛顿流体特性，黏度不变，这与实际不符。其它如Herschel-Bulkley模型等也均具有局限性 [5,6]。另外大量的模型建立在ERF流动模态基础上，关于剪切模态、挤压模态及组合模态模型报道很少，而大部分用于超精密定位平台的ERF阻尼结构希望ERF处于剪切工作模式。

（2）相关的控制模型及控制策略未得到很好解决。比如ERF阻尼结构控制模型建立问题，响应线性化控制策略问题以及控制方法的选择与比较等，这些都需要进一步研究。

（3）ERF液体本身的原因有电致屈服应力偏低，造成体积过大或力调节范围不足；基础液黏度不够低；液体性能受温度影响严重等。

（4）超精密定位平台本身研究的限制同时制约了ERF半主动阻尼结构在其上的理论及应用研究。

以上几点因素阻碍了超精密定位平台ERF阻尼结构的理论研究及产品开发，同时也是对从事此研究工作的科研人员的一项挑战。

5 结束语

在直线电机驱动-气浮/磁浮支撑导轨平台基础上增加电流变半主动阻尼结构，构建基于ERF半主动阻尼的直线电机-气浮/磁浮支撑导轨定位平台，可实现高定位、高响应速度、高运动速度及良好的动态稳定性。目前对电流变液体已从其机理、材料性能和应用等方面进行了大量的研究并取得一定的进展。但关于超精密定位平台ERF阻尼结构的理论及产品相关报道还较少，许多关键问题如ERF阻尼结构动态模型的建立；相关的控制模型及控制策略等，还有待进一步的研究和改进。