六维宏微位移可控精密工作台的研制

　　引 言

　　随着科学技术的发展，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，需要高性能的超精密定位工作台技术支持，尤其是多自由度纳米级微定位工作台越来越受到重视[1-2]。为此，我们研制了宏微位移可控精密六维工作台，采用粗精分离的原则，宏移部分保证大范围运动，微定位部分确保高的定位精度和分辨力。

　　1 总体设计方案

　　1.1 机械结构方案

　　旧微动工作台采用精密丝杆副及滚动或滑动导轨，精密螺旋楔块机构、齿轮—杠杆机构等机械传动式微位移驱动器。由于机械摩擦，间隙爬行等原因，其运动精度、定位精度很难达到亚微米、纳米量级。压电陶瓷则可以实现高分辨的运动，而且没有空回、粘滑等现象。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形，它具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点。采用中科院光电所自适应光学国家重点实验室自行研制的高精度压电陶瓷驱动器，行程为±5μm，驱动电压为700V，分辨力为5nm。

　　在机械结构上，大行程采用粗动工作台，在粗动工作台上面加微动工作台。微定位工作台驱动耦合采用整体三维平移柔性铰链，以及三个转动(绕 X，Y，Z 轴)的单轴转动柔性铰链。QBe2 是含有少量镍的铍青铜，力学，物理和化学的综合性能良好;经淬火调质后，具有高强度，硬度，弹性，耐磨性，疲劳强度，耐热性和耐寒性，同时还具有高的导热性，并且无磁性。选择其作为柔性铰链机构。整体机构原理如图1 所示：宏移部分由精密燕尾导轨副和螺旋推动的导柱导套实现，微位移部分由压电陶瓷驱动器和柔性铰链实现精确定位。宏移到位后需锁紧导柱导套及燕尾导轨，以消除间隙对微动部分(精调)的影响[3]。

　　1.2 微动工作台控制系统

　　微动工作台控制系统如图2 所示，采用纳米电容测微仪检测，通过计算机给出数字信号，经 D/A转换并放大，产生 0--700V,步长为 1V 的可变电压，驱动压电陶瓷伸缩，然后再由压电陶瓷带动柔性铰链微动工作台作微位移。

　　1.3 微动工作台的机构分析

　　单个的平行四杆机构沿运动方向产生一个位移时，在运动方向的垂直方向上有一个耦合位移，从而造成机构的误差，而采用图3(b)所示的两侧对称四杆机构，可以有效地消除这种耦合位移带来的误差，进一步提高定位精度。

　　Z 向微定位机构可简化为图3(a)所示的对称八杆机构。同样由能量法可得Z 向微定位机构刚度为