超精密气浮工件台误差建模

具有气浮润滑结构的超精密工件台被广泛应用于超精密加工与制造领域。超精密工件台的性能将直接影响光刻机等精密设备的加工能力［１］。随着光刻等超精密制造系统对生产效率和加工精度要求的进一步提高，超精密工件台需要能实现更大行程、更高加速度，同时还要保证极高的轨迹跟踪精度和定位精度［２－３］。因此设计者必须考虑到各种因素的综合作用对系统最终性能的影响。

静态误差就是一类重要的影响因素，通常是系统中以远低于控制带宽频率出现的系统级误差，是多种静态、准静态因素综合作用的结果。静态误差存在于超精密工件台的各个环节，综合作用于系统的工作点，如光刻机工件台的曝光点等。静态误差不仅会直接影响系统的静态精度和轨迹跟踪精度，还会导致冗余动作和运动耦合，对工件台最终高动态性能、高运动精度的获得造成影响。为了合理的抑制静态误差，必须分析广泛分布于系统中的误差因素的作用原理，建立静态误差模型，计算其对最终精度点综合作用效果的最大值，才能找到主要作用因素，为误差补偿及结构优化奠定基础。早在１９８１年，Ｐａｕｌ［４］就提出了利用刚体运动学中描述机器人的运动链模型；Ｓｌｏｃｕｍ［５］提出采用该方法描述运动系统的静态误差，并提出建立误差预算（ｅｒｒｏｒ　ｂｕｄｇｅｔ）指导设计的思想；虽然有不少学者提出了改进的误差建模方法［６］，但基于刚体运动学的建模方法，因具有简单、便于计算等优点已经为大家所广泛接受。目前，方法的应用对象主要集中于各类机床系统，研究重点则集中于分析和定量估计机 床中 可能存 在的各类 因 素 造 成 的 综 合 影响［７－１１］。而超精密微动台采用了气浮润滑等结构以保证高精度运动的获得，在高加速、大行程的条件下，系统中造成误差的主要原因也与机床有很大区别，因此不能直接套用机床误差的研究分析方法，而该方面的研究则很少见到。本文建立了超精密气浮工件台的静态误差解析模型，并定量分析了系统在高加速、大行程工作条件下各类影响因素的综合作用效果，为设计及优化提供了理论依据。

１　超精密气浮工件台结构

超精密气浮工件台是为了实现双台交换曝光而设计的。其中基本运动单元如图１所示。该结构可以实现平面内ｘ、ｙ方向的大行程、高加速度的运动，主要包括下层的基块和上层的推杆，基块沿下层导轨移动实现ｘ方向的运动，推杆沿基块的导轨移动从而实现ｙ方向的运动，推杆末端为最终精度位置。

由于上层推杆竖直方向的运动受到约束，因此，将超精密工件台的拓扑结构抽象为平面十字形运动单元，如图２。如此抽象不仅不会影响到模型的精度，还会使建模更简单，更能突出主要影响因素。