三维精密位移系统的设计

　　1　引　言

　　现代科学技术正迅速向微小、超精密领域发展,微纳米技术的兴起,引发了制造、信息、材料、生物、医疗和国防等领域的革命性变化,对社会和人类生活质量产生了巨大影响。许多领域越来越迫切地需要微型系统或微动系统,如生物细胞、聚合物的各种操作,微外科手术,扫描探针显微镜SPM,光纤对接和微细加工等,因此,精密位移技术已成为前沿科学和工程技术领域的关键技术之一[1-5]。一般情况下,精密位移依靠精密工作台来实现,精密工作台主要包括一维、二维和三维工作台。一维、二维精密工作台不能满足精密位移在三维空间的运动要求,因此,三维精密工作台的研究越来越为人们所重视。

　　大行程、高分辨率和位移计量是精密位移对三维精密工作台的3个重要指标要求。由于工作台一般要采用粗、精两级驱动方式,因此,工作台存在粗、精两种运动,必须采用不同的驱动和传动元件。由于这两种运动在行程、精度、驱动和传动元件上的差异,对它们的位移检测控制也需要采用不同的传感器来实现,但两种传感器的分辨率、量程不同,粗、精运动分别计量、叠加,测量数据不易连续,不可避免会产生测量误差。目前,能够同时实现大行程和纳米级分辨率检测的传感器主要是激光干涉仪和精密光栅尺。激光干涉仪以激光在真空中的波长为测量基准,可达到纳米级的分辨率,但其使用时对环境中温度、湿度、气压、气流波动等方面的要求十分苛刻,且系统构成复杂、成本较高。光栅作为传统的精密测量元件,过去仅用于微米级精度的测量,然而其有众多优点,如结构、光路、电路和数据处理比较简单,结构紧凑、体积小、成本低、易于仪器化等。随着计算机技术和信号处理技术的进一步发展,通过软件细分技术,可将光栅测量分辨率扩展至纳米级。

　　现有的三维精密工作台难以兼顾大行程、高分辨率和位移计量这3个指标。为此,本文研制了一种新型三维精密位移系统,利用双光栅为计量标准器,对位移系统3个方向的位移进行实时采集测量,使三维精密位移系统形成一个闭环动控制系统,从而满足实际科研和生产中对三维工作台的大行程、高分辨率和自计量的要求。

　　2　精密位移系统的结构设计

　　为使精密位移系统结构设计模块化,3个方向的驱动机构采用了完全一致的设计结构,分别称为X、Y、Z向一维工作台。三维精密位移系统在X、Y、Z3个方向采用粗、精两级驱动,并分别装有计量光栅。其中X、Y两个方向的驱动机构水平放置且为上下层叠式,Z方向上的驱动机构垂直放置且安装在整个测量系统底座的立柱上。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行,精驱动采用压电陶瓷配合柔性铰链进行,每个方向的两级驱动共用一个计量光栅,如图1所示。