大行程纳米级共平面二维精密工作台的研究

　　大行程、高分辨率的超精密工作台在精密测量、精密加工、微机电控制系统以及半导体光刻等技术中占有重要的地位。近年来，国内外专家学者对大行程高精度位移技术进行了大量的研究。

　　目前，实现大行程高精度位移主要有两种方法，一种采用压电陶瓷线性纳米电机作为驱动器满足大行程和高精度的要求[1]，该方法的缺点是对机械装置和控制系统的要求高; 另一种采用宏/微两级驱动[2，3]，宏驱动完成大行程而高精度由微驱动实现，微驱动机构高精度的定位能力可以对宏驱动运动中带来的误差进行补偿，降低了系统对宏驱动定位精度的要求。

　　笔者介绍了一种大行程纳米级共运动平面二维精密工作台，该工作台采用宏/微两级驱动，宏驱动采用滚动导轨承导、直流无刷电机经连轴节带动精密丝杠驱动，微驱动则由压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链结构来实现。工作台在X、Y 方向分别装有衍射光栅计量系统，宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量。

　　1 工作台结构及工作原理

　　大行程共运动平面二维精密工作台结构如图1所示。

　　该工作台包括宏、微两级驱动装置、计量光栅位移传感器、光栅信号处理电路、压电陶瓷驱动电路和电机驱动电路等组成。该二维工作台在X、Y 方向采用宏、微两级驱动，并分别装有反射衍射光栅计量系统。X，Y 方向宏驱动均采用直流无刷电机配合精密丝杠和直线导轨进行驱动，驱动范围为0 ～50 mm。微定位工作台是通过线切割方法在一块弹簧钢板上切割成内外两层叠层式平行平板柔性铰链结构。直流无刷电机通过连轴节与精密丝杠连接，精密丝杠通过连接副与平行平板柔性铰链相连，平行平板柔性铰链的两侧通过精密导轨副与工作台底座相连，压电陶瓷微位移器安装在平行平板柔性铰链上。平板柔性铰链整体由直流无刷电机带动，上面的可动部分由压电陶瓷微位移器驱动。在压电陶瓷微位移器驱动下，微定位工作台可产生相互正交的运动。微定位工作台的内层作为目标工作台与两路衍射光栅通过刚性连接件固连在一起，光栅随目标工作台的移动而移动。微驱动采用压电陶瓷进行驱动，其驱动范围为0 ～ 25 μm。宏微驱动的位移测量系统采用同一光栅计量系统，可有效地避免测量误差。

　　该精密工作台宏驱动的X、Y 导轨在同一平面内，使工作台实现X、Y 向共运动平面运动，可以减小运动轴与计量光栅的距离，减小阿贝误差。在工作过程中，整个工作台的移动分两级进行，微米级以上的移动由直流无刷伺服电机带动精密丝杠实现，微米级以下的移动由压电陶瓷微位移器带动平行平板柔性铰链实现，经过宏微两级驱动，整个工作台即可实现大量程纳米级的工作范围。