CN102189413B - 一种超精密工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密工作台，它包括宏运动平台与微位移工作台，其中宏运动平台的导轨形式采用气浮导轨，微位移工作台与宏运动平台连接，并随宏运动平台一起沿X向、Y向移动。微位移工作台中包含压电智能结构，其中该压电智能结构既能感知外界对其施加的力、位移等信号，又能主动地对外界施加力、位移等。此外，压电智能结构不仅可以用于超精密工作台的微位移工作台中，而且也可以制成类似弹簧-阻尼系统的俘能机构，应用在超精密工作台中。本发明可以广泛应用于超精密机床、超精密测量、微电子制造等领域。

Description

一种超精密工作台

技术领域

本发明涉及超精密工作台领域，具体为包含气浮支承和电磁驱动的超精密工作台。

背景技术

在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域，需要十分精确的定位和非常精细的运动，因此高性能的超精密定位工作台成为了这些领域的技术支持。实现亚微米甚至纳米级的定位，常规的驱动和传动方式不再适合。比如，通常为了实现常规精密定位，往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案，然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在，其定位精度一般只能达到微米级。因此，寻求特殊的驱动和传动方式，以使工作台实现亚微米甚至纳米级的运动定位成为了必须。

空气轴承是利用空气的粘性，将外部的压缩空气充分干燥并过滤后通过一些开在轴承表面上的节流器导入空气轴承间隙中，使空气轴承的工作面之间充满着具有压缩性的空气，并借助形成的压力气膜来支承负载并实现平稳动作。因其摩擦阻力小、磨损率近乎为零、噪音低、震动小、运动平稳、精度高，而被成功应用在诸多的领域。根据压力产生的原理，气体轴承一般分为动压型、静压型和压模型三种，目前广泛使用的是动压型和静压型。气浮导轨属于静压空气轴承，在精密直线运动系统中，有着广泛的应用。在大行程精密工作台中多采用气浮导轨，气浮导轨是由导轨和滑块组成的滑动副，导轨和滑块之间为气膜润滑。气浮导轨在工作过程中具有无直接接触、摩擦阻尼小且近似恒定、工作温度范围宽、环境适应能力强、精度高、寿命长等特点，因此广泛应用于超精密测量和微纳加工装备的导轨系统中。然而气浮导轨有一个缺点，即在运动过程中阻尼过小导致运动能量无法及时衰减，导致较大的能量传递给其它结构部件，从而引用变形和振动。

与传统进给驱动相比，直线电机驱动具有以下优点：省略了中间转换机构，减少了机械磨损，系统运行时可以保持高增益，实现精确的进给前馈，对给定的加工路径可以用高速进行准确跟踪，从而保证了机床的高精度和使用寿命。运行时，直线电机不像旋转电机那样会受到离心力作用，因此其直线速度不受限制。直线驱动的惯性主要存在于滑台，因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动，故系统噪声很小，改善了工况环境。平面电动机则直接利用电磁能产生平面运动，具有出力密度高、低热耗、高精度的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。然而，鉴于当前技术，若仅采用直线电机或平面电机，实现亚微米甚至纳米级大行程高速度运动定位具有较大技术难度。

压电材料是一种同时兼具正逆压电效应的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，由压电材料制成的微位移作动器、传感器具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点，同时它没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。因此，压电材料在精密机械中有着巨大的应用潜力。

作为精密机械与精密仪器的关键技术之一——微位移工作台技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。柔性支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构，它的特点是结构紧凑、体积很小、可以做到无机械摩擦、无间隙、具有较高的位移分辨率，可达1nm。使用压电材料作为驱动元件，不仅控制简单(只需要控制外加电压)，而且可以实现亚微米甚至纳米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适用于各种工作环境，是精密机械中理想的微位移机构。文献《Anew piezodriven precision micropositioning stage utilizing flexurehinges》中提出一种采用结合柔性铰链和压电材料的微位移工作台，该微位移工作台可以实现X、Y两个方向的平面运动。但这种工作台工作行程极小，无法满足大行程、超精密加工的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超精密工作台，该工作台可以满足大行程和超精密加工的需求。

本发明公开了一种超精密工作台，其特征在于，该超精密工作台包括宏运动平台与微位移工作台，其中宏运动平台的导轨采用气浮导轨，微位移工作台与宏运动平台连接，并随宏运动平台一起沿X向、Y向移动。

本发明提供的超精密运动定位平台的动子与定子间通过气浮隔离，动子依靠气浮支承在定子上，两者间实现无直接接触的相对运动，这种结构具有精度高、摩擦阻力小且近似恒定、工作温度范围宽、环境适应能力强、寿命长等优点。超精密运动定位平台的动子由电磁力驱动，实现相对于定子的运动。电磁力驱动直接将电能转化成直线或平面运动机械能，与传统驱动相比，它省略了中间转换机构，减少了机械磨损，系统运行时可以保持高增益，实现精确的进给前馈，对给定的加工路径可以用高速进行准确跟踪，从而保证了机床的高精度和使用寿命。另外由于依靠电磁力驱动，故系统噪声很小，从而改善了工况环境。然而，仅采用电磁驱动实现亚微米甚至纳米级定位具有技术难度。包含压电智能结构微位移工作台可以实现亚微米级甚至纳米级定位，但它运动行程极小，无法适应大行程、超精密加工。包含有压电智能结构的微位移工作台与采用气浮支承、电磁驱动的工作台相结合而组成的超精密运动定位平台，不仅可以实现高速大行程运动，而且可以实现亚微米级甚至纳米级超精密定位。此外，采用压电智能结构制成的俘能元件能够作为弹簧-阻尼系统并广泛应用于超精密工作台中。这种俘能元件结构紧凑、能量转换率高，能够改善运动系统的动态性能。因此，包含气浮支承、电磁驱动、压电智能结构的超精密运动定位平台可以广泛应用于超精密机床、超精密测量、微电子制造等领域。

附图说明

图1为本发明所述的H型工作台结构；

图2为直线电机驱动系统中动子安装在定子上的结构图；

图3为本发明所述的一种采用压电智能结构的微位移工作台；

图4为本发明所述的压电智能结构的实施例；

图5为本发明所述的一种平面工作台结构；

图6为平面工作台磁场阵列的布局形式；

图7为平面工作台线圈阵列的布局形式；

图8为采用平衡质量的工作台结构；

图9为一种包含压电智能结构的俘能装置。

具体实施方式

本发明的核心是提出采用气浮支承和电磁驱动的超精密大行程工作台。平台的运动定位形式采取两级运动定位方式，即采用宏运动平台和微位移工作台相结合，已实现高定位精度、高分辨率和大运动行程。其中宏运动平台的导轨形式采用气浮导轨，即通过静压气浮将宏运动工作台中的动子浮在宏运动平台中的定子上，实现两者间的非接触式相对运动。作为本发明技术方案的改进，微位移工作台中可以包含压电智能结构，其中压电智能结构作为微位移驱动元件实现小行程、高精度、高分辨率的运动定位。此外，压电智能结构不仅可以用于超精密工作台的微位移工作台中，而且也可以制成类似弹簧-阻尼系统的俘能机构，应用在超精密工作台中。由压电智能结构制成的俘能机构可以用于连接超精密工作台的平衡质量与基座，以减小超精密工作台运动过程中所产生的动能对工作台动态性能的影响。

图1表示在本发明所述的H型工作台结构。该超精密工作台为了实现大行程、高速度、高精密运动定位，采用了两套运动系统，即宏运动平台与微位移工作台。宏运动平台采用直线电机驱动系统实现，微位移工作台中包含压电智能结构。

宏运动平台包括工作台基座2，第一、第二Y向直线电机定子1a、1b，第一、第二Y向直线电机动子5a、5b，X向直线电机定子6，连接机构7以及X向直线电机动子3。

第一、第二Y向直线电机定子1a、1b分别位于工作台基座2的两侧，直线电机定子1a和1b中都均匀布置有永磁块4。Y向直线电机动子5a通过气浮支承安装在Y向直线电机定子1a上，并能够沿Y向运动；Y向直线电机动子5b通过气浮支承安装在Y向直线电机定子1b上，并能够沿Y向运动。X向直线电机定子6的两端分别与第一、第二Y向直线电机动子5a、5b相连。因此，当两个Y向直线电机动子5a和5b同步运动时，X向直线电机定子6会沿Y向跟随运动。X向直线电机动子3通过气浮支承安装在X向直线电机定子6上，并沿X向运动。X向直线电机动子3与微位移工作台8通过连接机构7连接在一起。因此，通过两套Y向直线电机驱动系统和一套X向直线电机驱动系统所构成的H型工作台结构，实现了对微位移工作台8的大行程宏运动。

图2表示图1所示各动子通过气浮支承安装在定子上的结构图；下面以Y向直线电机动子5a为例予以说明。

直线电机动子5a位于直线电机定子1a的上面。垂向气浮22a和22b将直线电机动子5a悬浮在直线电机定子1a上。水平向气浮24和25将直线电机动子5a与直线电机定子1a沿水平向分隔开。因此，整个直线电机动子5a与直线电机定子1a无接触。永磁块4布置在在直线电机定子的上部。

微位移工作台可以采用文献《A new piezodriven precisionmicropositioning stage utilizing flexure hinges》所述的结构形式，也可以采用其它形式。微位移工作台作动器可以采用现有的各种的压电作动器，或采用图4所述的压电智能结构代替所述的压电作动器，而微位移工作台的其它结构保持不变。图3表示本发明所列举的微位移工作台的一种构型方式。其中，微位移工作台包含第一、第二压电智能结构31、32。第一、第二压电智能结构31、32垂直布置，接口平台33位于微位移工作台的中间。第一压电智能结构31能够测量出接口平台33沿X方向的位移，并且能够根据其测得的信号驱动接口平台33沿X方向运动；第二压电智能结构32能够测量出接口平台33沿Y方向的位移，并且能够根据其测得的信号驱动接口平台33沿Y方向运动。因此，当第一、第二压电智能结构31、32协同作用时，能够测量出接口平台33在XY平面的运动，并能够驱动接口平台33在XY平面作二自由度超精密运动定位。图4表示本发明所示的压电智能结构的实施例。该压电智能结构包括第一、第二、第三绝缘层100、104、108，第一、第二、第三、第四电极层101、103、105、107，压电传感器层102，压电作动器层106。压电智能结构的最上面一层是第一绝缘层100，与第一绝缘层100接触并位于其下面的是第一电极层101，与第一电极层接触并位于其下面的是压电传感器层102，与压电传感器层102接触并位于其下面的是第二电极层103，与第二电极层103接触并位于其下面的是第二绝缘层104，与第二绝缘层104接触并位于其下面的是第三电极层105，与第三电极层105接触并位于其下面的是压电作动器层106，与压电作动器层106接触并位于其下面的是第四电极层107，与第四电极层107接触并位于其下面的是第三绝缘层108。压电传感器层102和压电作动器层106的位置可以互换。

其中，第一绝缘层100的作用是避免第一电极101与外界导体接触引起导电，第三绝缘层108的作用是避免第四电极107与外界导体接触引起导电；第一、第二电极层101、103为压电传感器层102的两个电极，通过导线分别连接第一、第二电极层101、103实现将压电传感器层102测得的电信号引出；第二绝缘层104的作用是避免第二电极103与第三电极104直接接触；第三、第四极层105、107为压电作动器层106的两个电极，通过导线分别连接第三、第四电极层105、107实现对压电作动器层106输入电信号。由于压电传感器层102能够测量沿垂向方向的力、位移、或者加速度，而压电作动器层106能够施加沿垂向方向的力、位移，因此采用控制系统对该压电智能结构实施主动控制，能够使得该压电智能结构既能感知外界对其施加的力、位移等信号，又能主动地对外界施加力、位移等作用。即实现该压电智能结构的智能性。

因此，图1所示的H型工作台结构既包含了可以实现大行程宏运动的宏运动平台，又包含了实现微运动的微位移工作台，从而H型工作台整体实现了大行程高精度运动定位。其中，微位移工作台可以采用图4所示的构型或者其它包含压电智能结构的微位移工作台构型。

图5表示一种平面工作台结构。其中，宏运动采用平面电机系统实现，微位移运动采用微位移工作台实现。平面电机由定子、动子和支承等部分组成，在支承的限制和电磁推力的作用下，平面电机的动子能够带动负载产生两维的直线运动。平面电机具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点，因此其在超精密二维平面定位装置具有广阔应用前景。如图4所示，平面电机系统包括平面电机定子41和平面电机动子43，平面电机定子41内部布置有永磁阵列(或者线圈阵列)；相应地，平面电机动子43内部布置有线圈阵列(或者永磁阵列)。

位于平面电机动子43下方的第一气浮44将平面电机动子43支承在平面电机定子41的上方。微位移工作台42位于平面电机动子43的上方，两者连接在一起。其中，微位移工作台可以采用图3所示的形式或者其它以压电智能元件作为驱动元件的微位移工作台形式。由于采用了宏运动和微运动相结合的运动定位方式，因此该平面工作台可以实现大行程、高速度、高精度的运动定位。

图6为平面工作台永磁阵列的布局形式。图4所示的平面电机定子44或平面电机动子41的永磁阵列可以布置为图5所示的形式或者其它永磁阵列布局形式。

图7为平面工作台线圈阵列的布局形式。图4所示的平面电机定子44或平面电机动子41的线圈阵列可以布置为图6所示的形式或者其它线圈布局形式。

图8为采用平衡质量的工作台结构；工作台包括工作台71、作动器72、平衡质量73、弹性元件74、基座75、第二、第三气浮76、77，以及弹簧-阻尼系统78。

工件70装夹在工作台71的上面，工作台71位于平衡质量73的上方，第二气浮76位于工作台71和平衡质量73之间。通过第二气浮76的支承作用，工作台71可以实现在平衡质量73上面且与平衡质量73非接触的平面运动。作动器72沿水平方向连接工作台71和平衡质量73，作动器72用来驱动工作台71在平衡质量73上做平面运动。作动器72可以采用电磁式直线电机、电磁式平面电机或其它形式的作动器。其中，工作台71可以是采用图3所示的微位移工作台形式或其它微位移工作台形式。因此，作动器72驱动工作台71实现大行程宏运动，工作台71驱动工件70实现小行程微运动，从而该工作台结构实现了大行程高精度的运动定位。平衡质量73位于基座75的上方，通过第三气浮77的支承作用，工作台73可以实现在基座75上面且与基座75非接触的平面运动。基座75由若干个主动减振器79支撑。弹性元件74和弹簧-阻尼系统78沿水平方向并联连接平衡质量73和基座75。弹性元件74可以是螺旋弹簧、折叠弹簧或其它形式的弹性元件。弹簧-阻尼系统78可以是包含压电材料的俘能装置、记忆合金等。工作台71在大行程宏运动时产生的反作用力作用在平衡质量73上，使平衡质量73产生与工作台71运动方向相反的运动。由于平衡质量73的质量远大于工作台71的质量，因此平衡质量73的反向运动幅值远小于工作台71的运动幅值。弹性元件74可以降低从平衡质量73到基座75的运动幅值。弹簧-阻尼系统78可以衰减从平衡质量73传递到基座75的动能。因此，引入平衡质量73、弹性元件74以及弹簧-阻尼系统78可以有效减小工作台71的运动对基座75造成的影响，该影响包括反作用力、振动等。

图9为一种包含压电智能结构的俘能装置，它可以作为图8中弹簧-阻尼系统78的一种实施例。采用金属制成的柔性块81的上部中间位置处开有一个方孔82，方孔82中安装有一个压电智能结构83。该压电智能结构83为图3所示的构型形式，它既能测量作用在其上的力、位移等信号，又能施加沿测量方向的力、位移等。折叠弹簧86和88在方孔82左右两侧对称布置，它们共同对压电智能结构83提供预压力，以防止压电智能结构83受到拉伸力时造成功能失效。柔性块81的下部分为两个左右对称布置的折叠弹簧87和89，它们具有垂直方向的弹性，可以作为弹性元件。作用在压电智能结构上的机械能可以转化成电能，如果将电能通过导线引入到电路中，可以有效储存或消耗能量，因此图8所示的装置即具有俘获能量的能力。压电智能结构83和折叠弹簧87、89的共同组成了一个弹簧-阻尼系统，它具有储存或消耗能量的能力。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种超精密工作台，其特征在于，该超精密工作台包括宏运动平台与微位移工作台，其中宏运动平台的导轨形式采用气浮导轨，微位移工作台与宏运动平台连接，并随宏运动平台一起沿X向、Y向移动；

所述宏运动平台包括工作台（71）、作动器（72）、平衡质量（73）、弹性元件（74）、基座（75）、气浮一、（76）、气浮二（77），以及弹簧-阻尼系统（78）；

工作台（71）位于平衡质量（73）的上方，用于装夹工件（70），气浮一（76）位于工作台（71）和平衡质量（73）之间；通过气浮一（76）的支承作用，工作台（71）能够实现在平衡质量（73）上面且与平衡质量（73）非接触的平面运动；作动器（72）沿水平方向连接工作台（71）和平衡质量（73），作动器（72）用来驱动工作台（71）在平衡质量（73）上做平面运动；平衡质量（73）位于基座（75）的上方，通过气浮二（77）的支承作用，工作台（73）能够实现在基座（75）上面且与基座（75）非接触的平面运动；基座（75）由若干个主动减振器（79）支撑；弹性元件（74）和弹簧-阻尼系统（78）沿水平方向并联连接平衡质量（73）和基座（75）。

2.根据权利要求1所述的超精密工作台，其特征在于，所述弹簧-阻尼系统（78）为俘能装置，其结构为：由金属制成的柔性块（81）的上部中间位置处开有一个方孔（82），方孔（82）中安装有一个压电智能结构（83）；第一、第二折叠弹簧（86、88）在方孔（82）左右两侧对称布置，它们共同对压电智能结构（83）提供预压力；柔性块（81）的下部分为两个左右对称布置的具有垂直方向弹性的第三、第四折叠弹簧（87、89），压电智能结构（83）和第三、第四折叠弹簧（87、89）共同组成了一个弹簧-阻尼系统。

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