PI: actuateurs piezos, platines et electroniques

 
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Théorie du Piézo
 
Caractéristiques et Applications des Systèmes de Positionnement Piézos
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Fondamentaux des Actuateurs  Piézoélectriques
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Fondamentaux Electriques des Actuateurs Piézos
Contrôle des Actuateurs  et Platines Piézos
Conditions Environnementales et Influences
Conception Basique des Systèmes de Positionnement Piézos
Cinématique / Métrologie Parallèlles et Série
PMN Comparés aux  PZT
Résumé
Guide de Montage et de Maniement des Translateurs Piézos

THÉORIE DU PIÉZO


 

Cinématique / Métrologie  Parallèles  et  Séquentielles
 

Métrologie  Directe  et  Indirecte 
Des capteurs sans contact sont utilisés pour obtenir les valeurs de position les plus précises possibles pour les systèmes à servocommande de position. Des capteurs capacitifs à deux plaques installés directement sur la plate-forme mobile et mesurant dans l'axe du mouvement, offrent les meilleures performances. La résolution et la répétabilité peuvent atteindre  0,1 nanomètre   avec de tels systèmes. La métrologie indirecte —mesurant la déformation à un certain point du système d'entraînement  — ne peut être utilisée dans les systèmes exigeant une précision très élevées.

Cinématique  Parallèle  et Séquentielle
Il existe deux  façons  basiques pour concevoir des systèmes de positionnement  multi-axe: Cinématique séquentielle et cinématique  parallèle. Les cinématiques séquentielles sont plus simples à concevoir et à fabriquer et peuvent fonctionner avec des contrôleurs plus simples. Néanmoins, elles présentent un grand nombre de désavantages par rapport aux systèmes à cinématique parallèle plus performants. Dans un système à cinématique  séquentielle multi axial, chaque actuateur est affecté exactement à un degré de liberté. S'il existe des capteurs de position intégrés, chacun d'eux est aussi affecté à une commande et ne mesure que le déplacement réalisé par cette commande et dans la direction du déplacement. Tout déplacement indésiré (erreur de guidage) dans les autres cinq degrés de liberté ne sont pas vus et donc ne sont pas corrigés dans la servo boucle, entraînant ainsi une erreur cumulative.  

Dans un système à cinématique parallèle multi-axial, tous les actuateurs agissent  directement sur la même plate-forme mobile. 
C'est la seule  façon d'obtenir la même fréquence de résonance et le même comportement dynamique pour les axes X et Y. Il est aussi facile d'inclure une métrologie parallèle dans les systèmes à cinématique  parallèle. Un capteur de métrologie parallèle visualise la totalité du déplacement dans sa direction de mesure, et pas seulement celui d'un actuateur. Ainsi les erreurs provenant de tous les actuateurs peuvent être compensées en temps réel (contrôle actif de trajectoire). Il en résulte considérablement moins d'erreurs par rapport à la trajectoire idéale, une meilleure répétabilité et une meilleure planéité, voir Fig. 51.

Exemples:
P-734, P-561, p. see link dans la section  “ Nanopositionneurs Piézos &   Systèmes de Balayage” 

 

        Fig. 50 a. Working principle of a stacked XY piezo stage (serial kinematics). Advantages: Modular, simple design. Disadvantages compared with parallel kinematics: More inertia, higher center of gravity, moving cables (can cause friction and hysteresis). Integrated parallel metrology and active trajectory control (automatic off-axis error correction) are not possible.
Fig. 50 a. Principe de fonctionnement d'une  platine piézo empilée XY (cinématique séquentielles).
Avantages: Conception modulaire simple. Désavantages par rapport  à la cinématique parallèle: Plus d'inertie, centre de gravité plus haut, des câbles mobiles (pouvant entraîner friction et   hystérésis). La métrologie parallèle intégrée et le contrôle actif  de trajectoire  (correction automatique de l'erreur hors d'axe)  ne sont pas possibles.


        Fig. 50 b. Working principle of a nested XY piezo stage (serial kinematics). Lower center of gravity and somewhat better dynamics compared with stacked system, but retains all the other disadvantages of a stacked system, including asymmetric dynamic behavior of X and Y axes.
Fig. 50 b. Principe de fonctionnement d'une platine piézo XY emboîtée (cinématique séquentielle). Centre de gravité plus bas et   dynamique meilleure par rapport aux systèmes empilés, mais conserve  tous les autres désavantages  des systèmes empilés, y compris le comportement dynamique asymétrique des axes X et Y. 
        Fig. 50 c. Working principle of a monolithic XY<font face=symbol>q</font><sub>Z</sub> parallel kinematics piezo stage. All actuators act directly on the central platform. Integrated parallel metrology keeps all motion in all controlled degrees of freedom inside the servo-loop. The position of the central, moving platform is measured directly with capacitive sensors, permitting all deviations from the prescribed trajectory to be corrected in real-time. This feature, called active trajectory control, is not possible with serial metrology.
Fig. 50 c. Principe de fonctionnement d'une platine piézo  XYqZ à monolithique cinématique parallèle . Tous les actuateurs agissent directement sur la plate-forme centrale. Une métrologie parallèle intégrée maintient tout mouvement dans tous les degrés de liberté contrôlés à l'intérieur de la servo boucle. La position de la plate- forme mobile centrale est mesurée directemment avec des capteurs capacitifs, permettant  de corriger en temps réel toutes déviations par rapport à la  trajectoire prescrite. Cette caractéristique, appelée contrôle actif de trajectoire, n'est pas possible avec la métrologie séquentielle.


        Fig. 51. Flatness (Z-axis) of a 6-axis nanopositioning system with active trajectory control over a 100 x 100 µm scanning range. The moving portion of this parallel metrology positioner is equipped with ultra-precise parallel metrology capacitive sensors in all six degrees of freedom. The sensors are continually measuring the actual position against the stationary external reference.<br><br>A digital controller compares the six coordinates of the actual position with the respective target positions. In addition to controlling the scanning motion in the X and Y directions, the controller also ensures that any deviations that occur in the other four degrees of freedom are corrected in real-time.
Fig. 51. Planéité (Z-axe) d'un système de nanopositionnement   6 axes avec un  contrôle actif de  trajectoire  sur une plage  de balayage de 100 x 100 µm. La partie en mouvement de ce positionneur à  métrologie parallèle est équipée  de  capteurs capacitifs de métrologie parallèle ultra précis dans tous les 6 degrés de liberté. Les capteurs mesurent continuellement la position réelle par rapport à la référence externe stationnaire. Un contrôleur numérique  compare les six coordonnées de la position réelle aux positions cibles respectives. En plus du contrôle du mouvement de balayage dans les directions X et Y, le contrôleur assure aussi que toutes  déviations produites dans les  quatre autres degrés de liberté sont corrigées en temps réel.
 

     

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