精密定位技术研究

　　1　引　言

　　精密定位技术广泛应用于精密仪器、机械和机床、IC工艺制造设备、计算机外围设备。其特点是精度和分辨率高,包含一维到多维直线位移或角位移运动,台面尺寸从小到大,惯量增大,品种繁多,大多有自动化操作要求,需要集成许多高性能高品质机械零部件、高分辨力检测元器件,因此制作难度大,投资大。过去,其精度和分辨率,已从50年代大型工具显微镜和精密机床的毫米量级,60年代万能测量显微镜、坐标镗床和坐标磨床的微米量级,提高到70~80年代数控机床和图形发生器的亚微米量级。进入90年代以来,无论是生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工、还是采用扫描电子显微镜进行纳米操作,尽管精度量级要求各不相同,但在硬件装备中均有一项共性的关键技术,那就是需要解决载物台或其相应设备的高精度的自动测量和精密定位技术,定位精度和分辨力要求提高到了几十纳米和纳米量级。

　　一维纳米定位技术的研究,是多维运动的基础,由一维运动的直线位移或角位移工作台组合而成,大行程的精密载物台,常常包括宏动和微动2部分,亦即是在宏定位控制的基础上,叠加微动定位控制,最后实现载物台的大行程运动和纳米级精密定位技术。另外,为了提高定位精度,众多的研究采用了直线电机、液体静压丝杠或摩擦传动等作为系统的驱动装置,但是这样会增加制造、调整和维护上的困难。

　　目前,国外在精密定位技术方面的研究成果较多,国内对大行程精密定位研究工作也很重视。从发展情况来看,日本东京工大的研究中定位精度达到±2 nm[1],韩国汉城大学研制的宏微结合的200 mm行程精密工作台,以激光干涉仪作为位置反馈元件,定位精度达到10 nm[2]。这一类叠加式宏微组合的精密工作台,更具实用性,现已成为研制大行程精密定位技术的热点,文献[3]和文献[4]采用了不同的检测元件和不同的传动装置与控制系统,获得了纳米量级定位精度。本文概述了获取高精度定位精度的支撑关键技术,介绍了基于宏微二级叠加方式的大行程精密载物台的研究。

　　2　精密定位的关键支撑技术

　　精密定位的实现,依赖于精密驱动定位方法、位移测量、控制方法及精密加工设备等支撑技术。

　　2.1　驱动方式

　　常用的驱动方式主要分为机械式和机电式2类(图1)。

　　(1)机械式包括:丝杠2螺母机构、杠杆机构、楔块机构、弹性机构等。机械式驱动的特点是可靠性较高,是最为常用的传统方式。

　　(2)机电式主要有:电热式、电磁式和压电式3种。其中的PZT压电陶瓷广泛应用于微纳米量级的微进给驱动器中,成为近年来的研制热点。