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
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22K03996
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
深田 茂生 信州大学, 学術研究院工学系, 特任教授 (70156743)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | ボールねじ / 超精密位置決め / サブナノメートル / 振動抑制 / 高分解能 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究ではボールねじ駆動による超精密位置決め機構に着目し，変位センサとして分解能0.06nmの超高分解能リニアエンコーダを用いて実験的に検討を行ってゆく．現状では，ステージ変位をフィードバックして目標値をゼロ保持とした場合に，振幅が約1nmの定常振動が残留する．この定常振動を0.1nm程度まで低減することが本研究の目標である．そのために，サブナノメートルレベルの制振方法を理論と実験により検討し，次の三つの方法を比較して，最も効果的かつ実用的な方法を実証的に構築する．① 受動的ダンパを用いる方法，② 機構内のセンサ情報に基づく状態フィードバックによる方法，③ 能動的ダンパによる方法．
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| Outline of Annual Research Achievements |
剛性と精度の両立が要求される位置決め機構では，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ている．令和5年度は，前年度に構築された実験装置に関して，制御対象のモデル化を行い，機構内センサ情報に基づく状態フィードバック制御系を構築し，その制振効果をシミュレーションと実験により検討した．
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機構を制御対象とする．ステージ変位は分解能0.06nmのリニアエンコーダで，ねじ軸回転角度は0.0227μradのロータリエンコーダで検出される．本機構は6慣性の集中定数モデルでノミナルに記述できることを前年度に確認している．本年度はまず，M系列加振によるシステム同定を行った．M系列加振で得られた入出力データを部分空間法により解析し，状態空間モデルを同定した．その結果，本機構の低次元モデルとして2慣性系（4次）モデルが妥当であることを確認できた．また前年度に導出した集中定数モデルを2慣性系に縮退させた低次元モデルが実験同定モデルと等価になることを確認した．
次に，低次元化モデルにより，振動を低減するための極配置と最適レギュレータを併用した制御系を設計して，シミュレーションにより振動抑制効果を確認した．また設計した制御器を実装し，状態フィードバックによる制振効果を実験により検証した．その結果，極配置による振動抑制系がシミュレーションよりも振動的であることが確認された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は，サブナノメートルレベルの実用的な振動抑制手法を構築することを目的としている．振動抑制の方法には，ハードウェアダンパ要素を付加する方法と，内部センサ情報に基づくフィードバック制御手法がある．制振制御の適用に当たって，従来は実際の制御対象の操作による現場的なゲイン調整に頼る方法が実用的には多用されてきた．本研究では本実験装置を対象とする試行錯誤的な現場調整に頼ることなく，より一般的な手法で実機のモデル化を行い，それを元にモデルベースの制御系設計を行う．さらにその制振効果をシミュレーションだけではなく，実機による検証実験を行って，サブナノメートルレベルの実用的な振動抑制手法を実証的に提示する．令和5年度には，前年度に構築した実験装置機構部の運動方程式に基づく力学モデルを導出し，システム同定手法による実験結果と照合して2慣性（4次）低次元モデルの構築を完了した．
前年度に周波数応答実験により求めた動特性は，モータへの入力電流正弦波の周波数掃引により得られたノンパラメトリックモデルであり，状態フィードバック制御系の設計においては状態方程式で記述されたパラメトリックモデルが必要となる．また，実際にフィードバック信号として使用可能なセンサ情報は，ステージ変位とねじ軸回転角度およびそれらの１次差分から導出されるステージ速度とねじ軸角速度の４変数のみであり，前年度に導出した６慣性の力学モデルを低次元化する必要がある．そこで短時間での応答実験から動特性を同定可能なM系列加振による入出力データと部分空間法により状態空間モデルを同定した．その結果，本機構の低次元モデルとして2慣性系（4次）モデルが妥当であることを確認できた．次年度には本モデルに基づいて設計した制御系を実装して制振効果を実験的にさらに検討する．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，低次元化モデルを元に，振動を低減するための極配置と最適レギュレータを併用した制御系を設計して，シミュレーションにより振動抑制効果を確認している．しかし設計した制御器を実装し，状態フィードバックによる制振効果を実験により検証した結果，極配置による振動抑制系がシミュレーションよりも振動的であることが確認された．これまでに得ているモデルが実機特性のモデルとして妥当であるか，さらに検討する必要がある．そこで種々の条件によるシステム同定実験を行い，モデルの適用範囲を定める．本機構のサブナノメートルレベルの動特性に関しては，ボールねじと転がり軸受の転がり接触部における非線形ばね特性の効果が大きく影響し，入力振幅依存性が強い．さらに，繰返し加振することで接触部のばね特性が経時的に変化することも考えられる．そこで入力振幅と周期を種々の条件で変化させてモデルの適用範囲を明らかにして，よりロバストな制御系を構築し，令和４年度に受動ダンパにより得られた制振効果を超える振動抑制を目指す．
さらに最終年度となる令和6年度は，能動ダンパによる方法も検討し，研究全体のまとめを行う．非接触のボイスコイルモータ（VCM）を利用した能動ダンパをステージ端に設置し，その制振効果を実験により検証する．アクチュエータとしてねじ軸回転用モータとVCMを持つ2入力系となるので，前年度に検討した制御系を2入力系に拡張して制御ゲインを決定し，能動ダンパによる制振効果を実験により検証する．最後に，①受動ダンパ，②状態フィードバック，③能動ダンパの三つの方法による振動抑制効果を比較して考察する．またそれぞれの方法を併用した場合の効果についても検討し，実用的かつ効果的な振動抑制手法を提案する．
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
