[实用新型]基于压电陶瓷的精密工作台

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于压电陶瓷的精密工作台，属于精密工程技术领域。

背景技术

国外现行的精密工作台一般精度都达到了纳米级，尤其是美国、韩国以及日本等国在高新技术处于领先地位的国家，其生产的精密工作台已经能对目标实现高速、精准的定位。其衍生的技术应用于航天、航空以及电子等代表国家科技前沿的科技领域中。国内许多单位(如清华大学、哈尔滨工业大学、长春光机所等)也在从事这方面的工作,也已研制出行程在几十至几百微米精密工作台,定位精度达到±0.05μm。

东京工业大学采用气浮导轨导向，直线电机驱动的结构研制成功了具有纳米级分辨率的超精密工作台，在300nm的总行程中，实现2nm的步进定位。为了补偿直线电机的波动、底座的振动和达到快速响应的目的，其控制系统采用的是具有电流变液(Electrorheological Fluid)阻尼器的前馈补偿PID控制器，可以通过调节电场强度来实时调节系统的阻尼，以达到主动控制系统的动静态特性。为了使工作台稳定达到上述定位精度，最小化热误差，使用了低热膨胀系数的氧化铝陶瓷(Alumina-ceramics)材料制成工作台和多孔静压轴承导轨。

法国Compiégne工业大学的SamirMekid无刷直流电机摩擦传动、液体静压支承构成了高精度直线滑台。并采用内模控制的方法实现了在220mm的总行程上定位精度达16nm的纳米级定位，最大速度为10mm/s。为了避免热漂移现象，实验装置采用了两个措施，其一、使用热膨胀系数为0.05um/℃的Zerodur材料制成滑台导轨最小化温度引起的热误差大小；其二、为了减小轴承元件的热漂移，运用开式油循环方式与10l/min流量的温控水在水/油热交换器内热交换后将流入滑台的油温保持低于外界环境温度5℃以内，流出滑台的油温接近于环境温度(18-20℃)。在整个测量过程中外界环境温度的变化量保持在0.6℃之内。

自从上世纪八十年代，A.Sharon提出宏、微双层结构以来，国外学者对宏、微双重驱动技术进行了深入的研究。将系统划分为宏动和微动两个部分，宏动定位机构实现大范围、高速的粗定位，微动定位机构补偿系统的定位误差实现高精度定位，从而有效提高系统的分辨率和定位精度，增加了系统的响应速度。

韩国汉城大学的Heui Jae Pahk等，将压电陶瓷驱动的微定位工作台安装在基于电机驱动的宏定位工作台上，使用激光干涉仪实现两工作台的闭环控制位置反馈，在200mm的行程上实现了10nm的定位精度。宏动是基于直流电机伺服放大器、旋转编码器和DSP实现的，其中旋转编码器用于宏定位的位置反馈，采用的是PID算法。微动机构包含动态PZT放大器以及激光干涉仪和D/A接口卡，其中激光干涉仪用于最终精确位置的反馈。

在国内，哈尔滨工业大学是对大行程纳米定位技术研究较为深入的单位之一。哈工大王立松等人研制的宏微两级驱动双定位工作台采用直线电机进行大行程驱动，电致伸缩微位移器完成精定位，单频激光干涉仪实现闭环位置反馈，采用PID控制方法，实现了500mm工作行程内小于20nm的重复定位精度。

清华大学与上海微电子装备有限公司合作开展研究，搭建了国内第一套以10nm运动精度为目标的气浮运动试验台，并进行超精密测量和运动控制的研究。超精密工作台试验系统的直线运动系统由粗动与精动系统组成。并由双频激光干涉仪提供位置检测和闭环运动反馈，检测精度可达到2nm。长行程超精密导轨、气浮滑块、直线电机、直线光栅组成的大行程粗动系统实现300mm以上的行程，2g以上的加速度和1000m/s以上的速度。在上述大行程运动系统的气浮滑块上叠加安装了超精密气浮微动台，以对粗动精度进行微动补偿。微动台采用音圈电机驱动，电容传感器进行微动位置检测，实现10nm乃至更高的运动精度。为了保证超精密工作台的机械精度、测量精度和系统稳定性，专门建造了一个超精密净化、恒温、隔振实验室。实验室的净化等级达到了千级，恒温精度达到了±0.03℃。

中国科学院电工研究所在研究环境因素对微纳米加工中精确定位的影响上，通过对激光干涉仪测量原理的分析，提出一种实时的补偿方法去消除底座、工作台以及光学器件热膨胀引起的工作台定位误差。在工作台的x、y方向上将定位误差从5μm减小到0.6μm以内。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有精密工作台行程和测量距离比较小、测量精度不够的问题。