摘要：研制了一种六维宏微位移可控精密工作台。设计中采用粗精分离的原则，有利于提高工作台的精度，并减小了研制难度。宏位移使用精密燕尾导轨结构。微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制，使系统具有极高精度的补偿定位能力。该工作台可在 100mm 范围内运动，平移分辨力为 0.05μm，转动分辨力为 0.3″。
引 言
随着科学技术的发展，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，需要高性能的超精密定位工作台技术支持，尤其是多自由度纳米级微定位工作台越来越受到重视[1-2]。为此，我们研制了宏微位移可控精密六维工作台，采用粗精分离的原则，宏移部分保证大范围运动，微定位部分确保高的定位精度和分辨力。
1 总体设计方案
1.1 机械结构方案
旧微动工作台采用精密丝杆副及滚动或滑动导轨，精密螺旋楔块机构、齿轮—杠杆机构等机械传动式微位移驱动器。由于机械摩擦，间隙爬行等原因，其运动精度、定位精度很难达到亚微米、纳米量级。压电陶瓷则可以实现高分辨的运动，而且没有空回、粘滑等现象。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形，它具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点。采用中科院光电所自适应光学国家重点实验室自行研制的高精度压电陶瓷驱动器，行程为±5μm，驱动电压为700V，分辨力为5nm。
在机械结构上，大行程采用粗动工作台，在粗动工作台上面加微动工作台。微定位工作台驱动耦合采用整体三维平移柔性铰链，以及三个转动(绕 X，Y，Z 轴)的单轴转动柔性铰链。QBe2 是含有少量镍的铍青铜，力学，物理和化学的综合性能良好;经淬火调质后，具有高强度，硬度，弹性，耐磨性，疲劳强度，耐热性和耐寒性，同时还具有高的导热性，并且无磁性。选择其作为柔性铰链机构。整体机构原理如图1 所示：宏移部分由精密燕尾导轨副和螺旋推动的导柱导套实现，微位移部分由压电陶瓷驱动器和柔性铰链实现精确定位。宏移到位后需锁紧导柱导套及燕尾导轨，以消除间隙对微动部分(精调)的影响[3]。
1.2 微动工作台控制系统
微动工作台控制系统如图2 所示，采用纳米电容测微仪检测，通过计算机给出数字信号，经 D/A转换并放大，产生 0--700V,步长为 1V 的可变电压，驱动压电陶瓷伸缩，然后再由压电陶瓷带动柔性铰链微动工作台作微位移。
1.3 微动工作台的机构分析
单个的平行四杆机构沿运动方向产生一个位移时，在运动方向的垂直方向上有一个耦合位移，从而造成机构的误差，而采用图3(b)所示的两侧对称四杆机构，可以有效地消除这种耦合位移带来的误差，进一步提高定位精度。
Z 向微定位机构可简化为图3(a)所示的对称八杆机构。同样由能量法可得Z 向微定位机构刚度为
式中LZ为Z 向连杆的垂直分量，如图3(a)所示。
转动部分(X、Y、Z)：采用三组单轴转动柔性铰链操作组件结构，安装在X、Y、Z 三轴侧方向，以推动载物台的转动(三根转动轴垂直相交于一点)，在弯矩 Mj 的作用下产生的转角位移为[7]
2 宏移导轨的设计分析
为满足大行程的要求，采用了宏移导轨结构。根据变形最小原则和基面合一原则，采取了以下一些措施：1) 合理安排布局;2) 避免经过变形环带;3)提高系统的刚度：(a)根据许用变形量来确定系统的刚度，构件截面形状和尺寸;(b)根据运动部件不出现爬行的条件来确定传动系统刚度，即满足
式中K，Klim为传动系统的当量刚度;C，Clim为传动系统的当量扭转刚度;M 为运动件质量 ;V，ω 为运动件速度、角速度;J 为系统的当量转动惯量; 系数; F， M 为静动摩擦力之差及力矩之差。
根据微动量进给的灵敏度来确定传动系统的刚度，如果传动系统刚度不够，则在进给量很小时，部件出现爬行现象，降低了微动灵敏度，为此，对有微量进给要求的精密机械，其传动系统刚度应满足：
式中F0为静摩擦力; 为所需最小进给量之半。实际的宏移结构中，Z 向(升降)采用导柱导套和螺杆来进行平移，X,Y,Z 向采用燕尾槽导轨来实现(如图4 所示)。宏移部分的定位监测采用位移传感器光栅开环控制。
3 检测与结果
1)摆动测量：如图5 所示。将一反射镜粘于六维台的工作上，对各维调节螺杆进行调节，用测微准直仪测出其摆动。测量结果如图6 所示。从图可以看出，X 向和 Z 向水平、垂直摆动均小于7″，满足规定的技术要求。
2)三维转角分辨力的检测 将一反射镜粘于六维台的工作上，对各维微驱动器施加电压，以每2-3V 为单元递增，采用 Veeco 公司的WYKO RTI12100 干涉仪检测出矢高，求得分辨力。计算公式为
式中D 为镜面直径，h 为倾斜矢高。结果如表1。
从表1 结果可以看出，该装置三维转角分辨力变化的线性良好，满足分辨力≤0.3″的技术要求。
4 结 论
六维宏微位移工作台的误差源主要有机械结构加工误差、微位移检测传感器误差、量化误差、环境温度变化和振动引起的误差等几部分，可通过对整个宏微位移系统进行标定来确定系统的性能。该工作台的实测指标如下：Z 方向工作范围 100mm，位置的重复性好;X，Y，Z 向粗调范围：平移±5mm，分辨力≤1μm。转动±50，分辨力≤30″;X，Y，Z 向精调范围：平移±5μm，分辨力≤0.05μm。转动±30″，分辨力≤0.3″;X，Y，Z向的交叉耦合：小于 7″。
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基金项目：中国航天集团五院资源卫星 CCD 关键技术项目
作者简介：施宁平(1962-)，男(汉族)，江苏南通人，硕士，主要从事微驱动与精密定位技术研究. E-mail：snp120@126.com
