新型一维位移工作台的设计及特性分析

　　1　引　言

　　微电子工程、计量科学与技术、精密加工、纳米科学与技术等科技领域的发展,使微位移机构得到越来越广泛的应用。实际应用中除了要求有高的定位精度,同时也希望有较大的位移范围。但现有精密位移工作台一般存在工作范围大则精度低、定位速度慢,而定位精度高、速度快则工作范围小的问题。为了获得纳米级定位精度,目前国内外一维或二维的微位移工作台大多采用柔性铰链机构,以压电陶瓷作为驱动器[122]。压电陶瓷具有出力大、响应快、分辨率高等优点,但存在着非线性、迟滞等误差,同时它能实现的位移量很小;采用电机丝杠驱动可以实现较大的位移,但其定位精度较低。此外,作为工作台位移量的闭环测控系统的检测环节目前通常采用电容式或电感式传感器,大位移量工作台甚至采用激光干涉仪来完成位移检测任务[3],但电容式传感器本身也存在着量程小、非线性误差大的缺点,电感式传感器和激光干涉仪可实现较大位移量的测量,但其体积大,安装上很难符合阿贝原则。

　　本文介绍在研制垂直扫描白光干涉表面三维测试系统时设计的一种微位移工作台。该工作台采用了粗、精两级定位机构,测量时大范围的扫描由步进电机驱动精密丝杠机构完成,纳米级的定位则由压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链机构来实现;以衍射光栅作为位置测量传感器,反射式衍射光栅贴在工作台上,符合阿贝测量原则设计的工作台可以实现0~6 mm的位移范围,

　　1 nm的定位分辨力。本文介绍的工作台也适用于其它要求微位移和高定位精度的场合。

　　2　工作台系统设计

　　工作台包括粗、精两级定位机构、位置检测传感器、位移驱动器和信号处理与控制电路。图1是一维位移工作台的示意图。

　　工作台的精定位级采用压电陶瓷作为驱动器,推动四个对称设置的折叠式平行平板柔性铰链,使工作台只产生垂直方向的微位移。工作台的粗定位级由楔形块位移缩小机构及步进电机组成。步进电机通过丝杠推动上楔形块移动,该位移量以10∶1的缩小比例推动工作台沿滚动导轨在垂直方向产生位移。

　　作为位移测量传感器的衍射光栅固定在工作台上,这极大地减小了测量的阿贝误差。衍射光栅刻线密度为1200 l/mm,光栅常数d=0.833μm。光栅光路的设计使垂直入射的激光束经过两次衍射,采用±1级衍射光形成干涉条纹,因此,干涉条纹的周期为d/4=0.208μm[4],采用四倍频细分辨向电路对干涉条纹的光电转换信号进行初步细分,细分后的脉冲当量为0.208/4=0.052μm,该脉冲再送入计算机采用软件进行60倍细分,即可达到1 nm的分辨力。