摘 要：通過(guò)分析超精密工件臺(tái)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題及電流變液ERF的機(jī)理和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出 “基于ERF半主動(dòng)阻尼的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮導(dǎo)軌”納米級(jí)超精密工件臺(tái)系統(tǒng)。介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，分析了此工件臺(tái)系統(tǒng)具有的特性及尚待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：超精密工件臺(tái)；電流變液ERF；半主動(dòng)阻尼

中圖分類號(hào)：TN305.7;TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-353X(2004)03-0011-02

1 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)零件的制造和加工效率提出了越來(lái)越高的要求。作為工作母機(jī)的機(jī)床，特別是超精密加工機(jī)床（如光刻機(jī)）的加工速度和加工等性能指標(biāo)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要方面。而成功實(shí)現(xiàn)超精密加工系統(tǒng)的首要任務(wù)之一就是開(kāi)發(fā)和研制高速、高定位、高響應(yīng)速度、高穩(wěn)定性及大行程的定位加工平臺(tái)。

2 超精密加工平臺(tái)的現(xiàn)狀和發(fā)展

傳統(tǒng)“伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)定位平臺(tái)存在以下問(wèn)題：（1）絲杠側(cè)隙及滯后，系統(tǒng)非線性，控制環(huán)節(jié)多；（2）接觸引起機(jī)械摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲鈍，定位時(shí)間較長(zhǎng)；（3）摩擦產(chǎn)生金屬粉塵或?yàn)闇p小摩擦磨損采用油脂潤(rùn)滑等帶來(lái)了粉塵及油脂污染，嚴(yán)重影響了微電子產(chǎn)品的質(zhì)量；（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的彈性致使連接剛度差，高速易發(fā)生振動(dòng)等缺點(diǎn)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高定位速度和高定位。如Nano-plane Series Model SBS-1200 定位只有0.1mm。

“直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌”傳動(dòng)定位平臺(tái)的特點(diǎn)：

（1）直線驅(qū)動(dòng)能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，避免了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)彈性、側(cè)隙及摩擦帶來(lái)的問(wèn)題，從而起動(dòng)推力大、傳動(dòng)剛度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位高、行程長(zhǎng)度不受限制；(2)由于直線電機(jī)無(wú)離心力作用，故直線移動(dòng)速度可以不受限制；(3)其加速度非常大，可達(dá)10 g（g＝9.8m／s），能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停；（4）氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌消除了摩擦和傳動(dòng)裝置變形帶來(lái)的負(fù)面影響，適合超凈環(huán)境等。以上優(yōu)點(diǎn)使其在國(guó)內(nèi)外得到重視和應(yīng)用。如Nanoplane Series Model SLHU-300定位提高到40nm。

然而，與傳統(tǒng)的“伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)-絲杠-接觸支撐導(dǎo)軌”平臺(tái)相比，“直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌”傳動(dòng)阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅(qū)動(dòng)功率的增大而變得更差。因?yàn)楦蓴_力和負(fù)載變化直接影響“直線驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌”傳動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能，而其固有的高機(jī)械剛度不足以與之抗衡，地影響了高定位和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。為提高其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和控制，可采取完全主動(dòng)控制，提高增益來(lái)實(shí)現(xiàn)高伺服剛度并進(jìn)行速度反饋以提高系統(tǒng)的阻尼。然而低速階段難以得到速度的值。另外，由于計(jì)算機(jī)和放大器的時(shí)間延遲，高增益使控制系統(tǒng)極不穩(wěn)定甚至振動(dòng)。因此很難同時(shí)得到高增益和良好的穩(wěn)定性。

為解決直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的上述問(wèn)題，提出基于半主動(dòng)阻尼的直線電機(jī)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌定位平臺(tái)。半主動(dòng)阻尼系統(tǒng)因其具有被動(dòng)阻尼的可靠性和主動(dòng)控制需要的可調(diào)性，同時(shí)不造成大的功耗且軟硬件簡(jiǎn)單目前在國(guó)內(nèi)外引起研究熱點(diǎn)，并得到一定程度的應(yīng)用。通過(guò)半主動(dòng)阻尼結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高速段小阻尼定位段大阻尼的綜合阻尼特性。未來(lái)基于半主動(dòng)阻尼的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)加工平臺(tái)應(yīng)具有以下特性：(1)工作臺(tái)及導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)高剛度，重量輕，熱膨脹小，阻尼可控；(2)電機(jī)和控制實(shí)現(xiàn)高定位，高響應(yīng)速度，高運(yùn)動(dòng)速度，良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

增加可控阻尼結(jié)構(gòu)是有效解決上述問(wèn)題的有效途經(jīng)，目前可控阻尼有油阻尼、電渦流阻尼、空氣阻尼及ERF/MRF智能材料阻尼等。

3 ERF阻尼器研究現(xiàn)狀

電流變液ERF(electrorheological fluid)通常是指具有高介電常數(shù)的固體粒子均勻分散于低介電常數(shù)的絕緣液體介質(zhì)中所形成的一類穩(wěn)定懸浮液。在足夠大的外加電場(chǎng)作用下，其粘度在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)急劇增大，同時(shí)伴隨著屈服應(yīng)力、彈性模量的顯著增加，在極端情況下液體甚至發(fā)生固化，其行為表現(xiàn)為賓漢流體特征；一旦撤去外加電場(chǎng)，又迅速恢復(fù)至液體狀態(tài)，回復(fù)牛頓流體特征[1]。

由于ERF液固態(tài)轉(zhuǎn)換快速（毫秒級(jí)）、可控可逆、黏度可無(wú)級(jí)連續(xù)變化且能耗極低，自80年代無(wú)水電流變液材料發(fā)現(xiàn)以來(lái)，很快在世界范圍掀起一個(gè)熱潮。一些發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等）均競(jìng)相投入人力、物力進(jìn)行科研和開(kāi)發(fā)工作，有關(guān)ERF智能材料的學(xué)術(shù)會(huì)議和產(chǎn)品層出不窮。我國(guó)許多高校（如北京理工大學(xué)、清華大學(xué)等）及企業(yè)近年來(lái)也逐漸認(rèn)識(shí)到ERF廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究連續(xù)得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。ERF半主動(dòng)阻尼控制裝置（如變孔徑ER阻尼器、變剛度阻尼器、ER 隔振器等）因其既具有被動(dòng)阻尼的可靠性又具有主動(dòng)控制需要的可調(diào)性，同時(shí)不造成大的功耗且軟硬件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在汽車、航空航天及民用基礎(chǔ)設(shè)施中得到應(yīng)用。

4 超精密定位平臺(tái)ERF阻尼器

ERF理論及產(chǎn)品的研究雖然越來(lái)越熱，但關(guān)于超精密定位平臺(tái)ERF阻尼結(jié)構(gòu)的理論及產(chǎn)品相關(guān)報(bào)道卻很少。Naoyuki Takesue應(yīng)用電流變液于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)上[2]，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變阻尼，明顯縮小電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間與振動(dòng)幅值。Hitoshi Hashizume應(yīng)用電流變液于納米定位工作臺(tái)上[3，4] ，從試驗(yàn)方面證實(shí)了電流變液可控阻尼可有效地提高響應(yīng)速度和定位。然而兩者均未涉及動(dòng)態(tài)模型和控制策略等理論問(wèn)題。同時(shí)國(guó)際上真正有實(shí)用價(jià)值的超精密加工平臺(tái)ERF半主動(dòng)阻尼裝置尚屬鳳毛麟角，分析其原因主要有以下幾點(diǎn)。

（1）ERF阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有許多關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決，有待進(jìn)一步研究。比如ERF阻尼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型的建立問(wèn)題。ERF在外加電場(chǎng)作用下經(jīng)歷屈服前和屈服后兩種狀態(tài)，大部分阻尼裝置（如阻尼器、離合器、閥）工作時(shí)，ERF處于屈服后狀態(tài)，其屈服特性是非線性的，需要基于流體理論的連續(xù)性模型來(lái)表達(dá)這種非牛頓流體特性。以前常用的賓漢塑性模型由于簡(jiǎn)單被廣泛用于場(chǎng)依賴流體，然而此模型假設(shè)流體屈服后仍呈現(xiàn)牛頓流體特性，黏度不變，這與實(shí)際不符。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流動(dòng)模態(tài)基礎(chǔ)上，關(guān)于剪切模態(tài)、擠壓模態(tài)及組合模態(tài)模型報(bào)道很少，而大部分用于超精密定位平臺(tái)的ERF阻尼結(jié)構(gòu)希望ERF處于剪切工作模式。

（2）相關(guān)的控制模型及控制策略未得到很好解決。比如ERF阻尼結(jié)構(gòu)控制模型建立問(wèn)題，響應(yīng)線性化控制策略問(wèn)題以及控制方法的選擇與比較等，這些都需要進(jìn)一步研究。

（3）ERF液體本身的原因有電致屈服應(yīng)力偏低，造成體積過(guò)大或力調(diào)節(jié)范圍不足；基礎(chǔ)液黏度不夠低；液體性能受溫度影響嚴(yán)重等。

（4）超精密定位平臺(tái)本身研究的限制同時(shí)制約了ERF半主動(dòng)阻尼結(jié)構(gòu)在其上的理論及應(yīng)用研究。

以上幾點(diǎn)因素阻礙了超精密定位平臺(tái)ERF阻尼結(jié)構(gòu)的理論研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，同時(shí)也是對(duì)從事此研究工作的科研人員的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌平臺(tái)基礎(chǔ)上增加電流變半主動(dòng)阻尼結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于ERF半主動(dòng)阻尼的直線電機(jī)-氣浮/磁浮支撐導(dǎo)軌定位平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高定位、高響應(yīng)速度、高運(yùn)動(dòng)速度及良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。目前對(duì)電流變液體已從其機(jī)理、材料性能和應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究并取得一定的進(jìn)展。但關(guān)于超精密定位平臺(tái)ERF阻尼結(jié)構(gòu)的理論及產(chǎn)品相關(guān)報(bào)道還較少，許多關(guān)鍵問(wèn)題如ERF阻尼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型的建立；相關(guān)的控制模型及控制策略等，還有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。