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納米位移臺多軸平臺間如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同掃描?

納米位移臺系統(tǒng)中,多軸平臺間實(shí)現(xiàn)協(xié)同掃描(synchronized scanning or coordinated motion),是實(shí)現(xiàn)二維或三維精密定位與成像(如掃描電鏡、原子力顯微鏡、光學(xué)系統(tǒng)等)中的關(guān)鍵技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)有效、穩(wěn)定、同步的協(xié)同掃描,通常需要從控制系統(tǒng)、運(yùn)動指令、反饋機(jī)制和系統(tǒng)架構(gòu)幾個層面進(jìn)行配合。以下是核心方法與實(shí)施建議:
一、使用多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動控制器(Motion Controller)
現(xiàn)代納米位移臺通常配備多軸同步控制器,具備以下能力:
多軸實(shí)時插補(bǔ)(real-time interpolation);
支持路徑規(guī)劃(掃描軌跡);
支持閉環(huán)控制(如基于位置或速度);
內(nèi)部自動時間同步,各軸指令執(zhí)行完全一致。
做法:
選用支持 XY 或 XYZ 協(xié)調(diào)控制的控制器(如 PI、Aerotech、Physik Instrumente、Mad City Labs 等);
在控制軟件中配置多軸聯(lián)動模式(如 Line Scan、Raster Scan、Spiral Scan);
指定統(tǒng)一的時間步長和分辨率,防止一個軸先跑完、另一個軸延遲。
二、統(tǒng)一規(guī)劃掃描軌跡(路徑生成)
通過軟件或控制腳本,提前規(guī)劃出完整的協(xié)同運(yùn)動路徑。
1. 線性柵格掃描(Raster Scan):
適合二維成像或激光掃描:
X軸往復(fù)線性運(yùn)動;
每行掃描結(jié)束后,Y軸步進(jìn)一個行高;
XY軸通過時間協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)同步走線與換行。
2. 勻速同步掃描:
適合連續(xù)同步采樣:
例如 X、Y 按 45°方向協(xié)同前進(jìn)(X 和 Y 同步變化);
Z 軸用于高度補(bǔ)償或表面跟蹤。
三、使用同步觸發(fā)機(jī)制(硬件觸發(fā))
為保證采集與運(yùn)動同步,平臺通常提供外部觸發(fā)功能:
一軸運(yùn)動到位時輸出 TTL 脈沖,觸發(fā)其他軸開始下一步;
或所有軸由統(tǒng)一時鐘或外部信號觸發(fā)執(zhí)行下一步運(yùn)動;
可與數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)或圖像采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“位置觸發(fā)成像”。
四、速度與加減速參數(shù)匹配
即便軌跡規(guī)劃一致,如果各軸的速度、加減速設(shè)定不一致,也會造成實(shí)際軌跡偏離。
建議:
在設(shè)置每個軸的 velocity、acceleration、jerk 參數(shù)時保持一致;
在有閉環(huán)反饋的系統(tǒng)中,適當(dāng)調(diào)節(jié) PID 參數(shù)以平衡各軸響應(yīng)速度;
在使用壓電驅(qū)動器的系統(tǒng)中,注意電壓控制波形是否同步(特別是在高頻掃描下)。

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