纳米级大行程多维运动平台的方案研究

　　由微传感器、微执行器、微处理器组成的微型机电系统目前正在成为欧洲、美国、日本等发达国家争先投资开发的热点。这些微机电系统都是由微结构组成的。微结构的加工方法很多，但是如光刻等的一些工艺方法主要局限于平面图形加工。而未来具广泛应用前景的新器件(如光子晶体、生物技术、3D波导技术)、微机电系统(如PowerMFM5)等需通过微尺度复杂三维结构加工来实现。目前，实现复杂三维结构微部件加工的各种方法中，高能束加工，如微细电火花加工、实时原位双光子三维加工方法等展现良好的技术前景。这些加工方法虽然工艺不同，但是由于要获得高能束，所以加工头较复杂。这样在加工过程中，一般是加工头不动（或只有一个方向的运动），而需要一个微进给平台使工件运动，来实现三维的微结构成形。微进给平台的性能对微加工的质量影响很大，本论文就是针对这一点，提出几种微进给平台设计方案。它们可以广泛适用于各种高能束加工的三维成形运动，其特点是行程较大，而精度可达纳米量级。

　　1.国内外进给平台的研究现状

　　国内外微进给平台的驱动方式有弹性变形、热变形、直线电动机、伺服电动机、电磁力驱动、压电驱动(电致伸缩)等。但是比较成熟的方案主要有以下三种。

　　1.1伺服电动机加机械传动

　　这种情况是用伺服电动机作为动力元件，采用机械传动将转动变成平动，一般是采用精密滚珠丝杠。并且伺服电动机一般有自己的反馈控制，还可利用光栅作为整个运动平台的反馈元件，实现闭环控制，提高运动精度。这种方法行程大，成本较低，技术成熟，而且可以方便地组合成三维的运动平台。但是运动精度不高，有爬行、热膨胀、磨损等问题。一般国内产品的分辨率只能达到0.5μm，重复定位精度只能达到3μm；；而国外如德国PI公司的PM500—L型进给平台采用DCseromotor，百毫米行程的定位精度可达0.5μm，尤其值得一提的是，在由一维运动平台通过机械方法组合而成多维平台时，会引入很大的阿贝误差，其大小与一维平台的运动精度为同一数量级，所以这种方式的三维进给平台的精度比一维平台要低的多。

　　1.2直线电动机

　　直线电动机直接将电磁力转化为直线运动。由十减少了机械传动环节，行程大、高频响、精度高、运动速度快，因此在高精度机床及高速机床上已有广泛的应用。由于采用磁悬浮轴承或磁悬浮导轨，所以成本高，易发热，控制复杂，隔磁等方ICI仍有问题。其精度一般只能在微米量级，通过机械方式组合成多维运动平台，则同样有阿贝误差的问题，所以精度也不高。