[发明专利]一种超精密工作台

说明书

技术领域

本发明涉及超精密工作台领域，具体为包含气浮支承和电磁驱动的超精密工作台。

背景技术

在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域，需要十分精确的定位和非常精细的运动，因此高性能的超精密定位工作台成为了这些领域的技术支持。实现亚微米甚至纳米级的定位，常规的驱动和传动方式不再适合。比如，通常为了实现常规精密定位，往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案，然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在，其定位精度一般只能达到微米级。因此，寻求特殊的驱动和传动方式，以使工作台实现亚微米甚至纳米级的运动定位成为了必须。

空气轴承是利用空气的粘性，将外部的压缩空气充分干燥并过滤后通过一些开在轴承表面上的节流器导入空气轴承间隙中，使空气轴承的工作面之间充满着具有压缩性的空气，并借助形成的压力气膜来支承负载并实现平稳动作。因其摩擦阻力小、磨损率近乎为零、噪音低、震动小、运动平稳、精度高，而被成功应用在诸多的领域。根据压力产生的原理，气体轴承一般分为动压型、静压型和压模型三种，目前广泛使用的是动压型和静压型。气浮导轨属于静压空气轴承，在精密直线运动系统中，有着广泛的应用。在大行程精密工作台中多采用气浮导轨，气浮导轨是由导轨和滑块组成的滑动副，导轨和滑块之间为气膜润滑。气浮导轨在工作过程中具有无直接接触、摩擦阻尼小且近似恒定、工作温度范围宽、环境适应能力强、精度高、寿命长等特点，因此广泛应用于超精密测量和微纳加工装备的导轨系统中。然而气浮导轨有一个缺点，即在运动过程中阻尼过小导致运动能量无法及时衰减，导致较大的能量传递给其它结构部件，从而引用变形和振动。

与传统进给驱动相比，直线电机驱动具有以下优点：省略了中间转换机构，减少了机械磨损，系统运行时可以保持高增益，实现精确的进给前馈，对给定的加工路径可以用高速进行准确跟踪，从而保证了机床的高精度和使用寿命。运行时，直线电机不像旋转电机那样会受到离心力作用，因此其直线速度不受限制。直线驱动的惯性主要存在于滑台，因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动，故系统噪声很小，改善了工况环境。平面电动机则直接利用电磁能产生平面运动，具有出力密度高、低热耗、高精度的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点。然而，鉴于当前技术，若仅采用直线电机或平面电机，实现亚微米甚至纳米级大行程高速度运动定位具有较大技术难度。

压电材料是一种同时兼具正逆压电效应的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，由压电材料制成的微位移作动器、传感器具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点，同时它没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。因此，压电材料在精密机械中有着巨大的应用潜力。

作为精密机械与精密仪器的关键技术之一——微位移工作台技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。柔性支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构，它的特点是结构紧凑、体积很小、可以做到无机械摩擦、无间隙、具有较高的位移分辨率，可达1nm。使用压电材料作为驱动元件，不仅控制简单(只需要控制外加电压)，而且可以实现亚微米甚至纳米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适用于各种工作环境，是精密机械中理想的微位移机构。文献《A new piezodriven precision micropositioning stage utilizing flexure hinges》中提出一种采用结合柔性铰链和压电材料的微位移工作台，该微位移工作台可以实现X、Y两个方向的平面运动。但这种工作台工作行程极小，无法满足大行程、超精密加工的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超精密工作台，该工作台可以满足大行程和超精密加工的需求。

本发明公开了一种超精密工作台，其特征在于，该超精密工作台包括宏运动平台与微位移工作台，其中宏运动平台的导轨采用气浮导轨，微位移工作台与宏运动平台连接，并随宏运动平台一起沿X向、Y向移动。