[實用新型]一種帶氣浮支承和電磁驅動的超精密工作臺

有效

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• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN202317689U
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 陳學東;李巍;羅欣;李小平
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23Q1/25
• 分類號: B23Q1/25;B23Q1/26;B23Q1/38
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本實用新型涉及超精密工作臺領域，具體為包含氣浮支承和電磁驅動的超精密工作臺。

背景技術

在半導體光刻、微型機械、精密測量、超精密加工、微型裝配、生物細胞操縱和納米技術等領域，需要十分精確的定位和非常精細的運動，因此高性能的超精密定位工作臺成為了這些領域的技術支持。實現(xiàn)亞微米甚至納米級的定位，常規(guī)的驅動和傳動方式不再適合。比如，通常為了實現(xiàn)常規(guī)精密定位，往往采用伺服電機驅動和精密絲杠傳動的方案，然而此種定位方式由于螺紋空程和傳動摩擦的存在，其定位精度一般只能達到微米級。因此，尋求特殊的驅動和傳動方式，以使工作臺實現(xiàn)亞微米甚至納米級的運動定位成為了必須。

空氣軸承是利用空氣的粘性，將外部的壓縮空氣充分干燥并過濾后通過一些開在軸承表面上的節(jié)流器導入空氣軸承間隙中，使空氣軸承的工作面之間充滿著具有壓縮性的空氣，并借助形成的壓力氣膜來支承負載并實現(xiàn)平穩(wěn)動作。因其摩擦阻力小、磨損率近乎為零、噪音低、震動小、運動平穩(wěn)、精度高，而被成功應用在諸多的領域。根據(jù)壓力產生的原理，氣體軸承一般分為動壓型、靜壓型和壓模型三種，目前廣泛使用的是動壓型和靜壓型。氣浮導軌屬于靜壓空氣軸承，在精密直線運動系統(tǒng)中，有著廣泛的應用。在大行程精密工作臺中多采用氣浮導軌，氣浮導軌是由導軌和滑塊組成的滑動副，導軌和滑塊之間為氣膜潤滑。氣浮導軌在工作過程中具有無直接接觸、摩擦阻尼小且近似恒定、工作溫度范圍寬、環(huán)境適應能力強、精度高、壽命長等特點，因此廣泛應用于超精密測量和微納加工裝備的導軌系統(tǒng)中。然而氣浮導軌有一個缺點，即在運動過程中阻尼過小導致運動能量無法及時衰減，導致較大的能量傳遞給其它結構部件，從而引用變形和振動。

與傳統(tǒng)進給驅動相比，直線電機驅動具有以下優(yōu)點：省略了中間轉換機構，減少了機械磨損，系統(tǒng)運行時可以保持高增益，實現(xiàn)精確的進給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進行準確跟蹤，從而保證了機床的高精度和使用壽命。運行時，直線電機不像旋轉電機那樣會受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅動的慣性主要存在于滑臺，因此加工時可以有很高的加速度。直線電機靠電磁推力驅動，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工況環(huán)境。平面電動機則直接利用電磁能產生平面運動，具有出力密度高、低熱耗、高精度的特點，因省去了從旋轉運動到直線運動再到平面運動的中間轉換裝置，可把控制對象同電機做成一體化結構，具有反應快、靈敏度高、隨動性好及結構簡單等優(yōu)點。然而，鑒于當前技術，若僅采用直線電機或平面電機，實現(xiàn)亞微米甚至納米級大行程高速度運動定位具有較大技術難度。

壓電材料是一種同時兼具正逆壓電效應的智能材料，若對其施加作用力，則在它的兩個電極上將感應產生等量的異種電荷。反之，當它受到外加電壓的作用時，便會產生機械變形。基于這一特性，由壓電材料制成的微位移作動器、傳感器具有結構緊湊、體積小、分辨率高、控制簡單等優(yōu)點，同時它沒有發(fā)熱問題，故對精密工作臺無因熱量而引起的誤差。因此，壓電材料在精密機械中有著巨大的應用潛力。

作為精密機械與精密儀器的關鍵技術之一——微位移工作臺技術，近年來隨著微電子技術、宇航、生物工程等學科的發(fā)展而迅速地發(fā)展起來。柔性支承微動機構是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機構，它的特點是結構緊湊、體積很小、可以做到無機械摩擦、無間隙、具有較高的位移分辨率，可達1nm。使用壓電材料作為驅動元件，不僅控制簡單(只需要控制外加電壓)，而且可以實現(xiàn)亞微米甚至納米級的精度，同時不產生噪聲和發(fā)熱，可適用于各種工作環(huán)境，是精密機械中理想的微位移機構。文獻《A?new?piezodriven?precision?micropositioning?stage?utilizing?flexure?hinges》中提出一種采用結合柔性鉸鏈和壓電材料的微位移工作臺，該微位移工作臺可以實現(xiàn)X、Y兩個方向的平面運動。但這種工作臺工作行程極小，無法滿足大行程、超精密加工的需求。

發(fā)明內容

本實用新型的目的在于提供一種超精密工作臺，該工作臺可以滿足大行程和超精密加工的需求。

本實用新型公開了一種超精密工作臺，其特征在于，該超精密工作臺包括宏運動平臺與微位移工作臺，其中宏運動平臺的導軌采用氣浮導軌，微位移工作臺與宏運動平臺連接，并隨宏運動平臺一起沿X向、Y向移動；所述宏運動平臺包括工作臺基座，第一、第二Y向直線電機定子，第一、第二Y向直線電機動子，X向直線電機定子，連接機構以及X向直線電機動子；