大行程纳米级分辨率超精密工作台的发展方向

　　高精度和高分辨率的超精密工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平。同时,它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。

　　超精密工作台系统的定位精度和行程范围直接影响生产加工的精度。同时,工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响设备的效率,成为系统的重要指标。这些一次定位的精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类:小行程、极高精度的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内,但位移分辨率可高达1 nm。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上,但定位精度略低于小行程系统的工作台系统。它大多采用直线电机或摩擦　　式驱动方式,运动分辨率大多在10 nm左右[1]。大行程超精密工作台主要的类型有直线电机驱动、摩擦驱动式,也有采用两级进给的方式,即采用粗动与精动两套系统,以同时兼顾大行程、高响应速度和高定位精度。

　　1　直线电机式超精密工作台

　　东京工业大学研制了具有纳米级分辨率的一维直线电机驱动超精密工作台(图1)。它采用气浮导轨导向,行程300 mm,导轨的垂直刚度600 N/μm,水平刚度220 N/μm。工作台重19.6 kg,全部采用氧化铝陶瓷材料。直线电机驱动力160 N,最大加速度6.4 m/s2,最大速度320 mm/s。反馈测量系统采用激光干涉仪,激光干涉仪的分辨率为0.63nm。控制系统采用带前馈补偿的PID控制器。它最的特点是配置了一部电流变阻尼器,可以主动控制系统的动静态特性。系统可以实现2 nm的步进定位[2]。直线电机式工作台也可以设计成二维运动一体化的工作台。住友重工公司开发的直线电机驱动的X-Y工作台具有快速运动响应。2.54 mm的步进运动只需37 ms就可使定位误差在±10μm以内。快速响应对于激光加工和半导体生产是非常关键的[3]。

　　为了实现平面内的转动而研制了三自由度的二维直线电机式工作台(图2)。定位工作台由3个空气轴承垫在底板上导向,通过合成3个直线电机的驱动力而产生3自由度(x,y,θ)的运动。工作台重5.9 kg,它在x和y方向上均具有30 mm的行程。激光干涉仪用作工作台的定位反馈。实验测得工作台在x,y和θ方向上的定位分辨率分别为15.7,9.5nm和0.104μrad,最大速度为150 mm/s,频响宽度为105 Hz[4]。

　　2　摩擦式驱动超精密工作台

　　法国Mekid研制的摩擦驱动工作台重100 kg,通过液体静压导轨支撑,工作台的行程为220 mm。直线工作台的定位精度可达16 nm,最大速度为10mm/s(图3)[5]。