CN1956106B - 一种大行程精密工件台装置与驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明的大行程精密工件台装置能广泛应用于精密测量和精密运动控制领域。本发明的精密工件台装置的流体动力驱动的精动机构(501)由负载连接头(502)连接在粗动机构后面，粗动机构(503)由负载连接头(504)连接于承载平台(506)，粗动机构(503)和承载平台(506)的运动导轨(507)、(508)起与固定定导轨(509)形成相对运动副，位置检测器(511)、固定导轨(509)和精动机构(501)固定在底座(510)上，先由控制器(512)控制粗动机构(503)进行位置的粗定位，当达到设定的位置范围后，启动精动机构(501)进行精确定位，最终达到定位目标。

Description

一种大行程精密工件台装置与驱动方法

技术领域

本发明属于精密测量和精密运动控制领域。具体涉及粗动机构和通过流体动力控制压力变形体变形的精动机构串接的大行程的精密工件台装置与驱动方法。

背景技术

精密工件台为光刻机、精密测量、纳米表面形貌测量和纳米加工、生物芯片技术、高精数控加工，以及光纤对接、微型机械零件的操作和装配等领域提供了一个能够实现精密定位和快速运动的载物平台。

精密工件台主要由驱动源、进给机构、载物平台和直线导轨、控制器和位置检测器等组成。如附图1所示，文献《微纳米加工中的精密工件台技术》(刘俊标，薛虹，顾文琪 编著，北京工业大学出版社2004出版的)一书的第2页，有相关技术的较详细的介绍。典型的传统的结构例子，就是驱动源为电机带动进给机构滚珠丝杠，推动承载物件的载物平台在直线导轨上精确运动，激光干涉仪等位置检测器将位移量实时反馈给控制器，控制器依据指令要求和反馈量，以及控制算法对载物平台或所承载的物件进行精确的运动控制。

精密工件台直接决定了整套设备的生产效率和精度，精密工件台正朝大行程、高速、高精度的方向发展。如：目前在光刻设备中，要求精密工件台的行程能够满足加工直径300mm以上的生产需求，其加速度要求在1g以上。这对实现工件台直线运动的驱动系统，无疑提出了很高要求：

加速度要大

工件台的行程一般为几百毫米，在高速下，只有能瞬间达到高速和瞬间停止，高速运动才有意义；

系统的动态性能要好

能实现快速的伺服控制和误差补偿，达到高精度定位。

精密工件台的高速度与高精度的要求往往是矛盾的，大行程的精密工件台更为突出。为此，目前的大行程的精密工件台多采用了多层结构形式。如附图2所示，也可参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第119页。

大行程的精密工件台的整个工件台由粗动机构、微位移机构(本发明所指的精动机构)组成。附图2所示的粗动机构由驱动电机带动X-Y移动平台组成，用来完成高速运行，以满足系统对速度的要求。它的定位精度可以低一些，允许定位误差为几微米甚至几十微米，而更高精度可由附图2中所示的微位移机构米完成定位。微位移机构有机械传动式、扭轮摩擦传动式、电热变形致动式、弹性变形式、直线电机式和柔性铰链等微位移机构等形式。

多层结构的特点是：a)由于粗、精定位是串行进行的，使所有工件台速度的提高受到一定的限制；b)采用叠层式结构后，各层之间容易产生运动干扰，因而对控制提出很高要求。可参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第119页介绍。“粗、精定位是串行”是指定位控制的动作按串联顺序。

单层结构工件台能够使得在不同方向上的运动都有一个共同的平面，工件台的高度低、结构紧凑，结构上就不存在各层之间的运动干扰。单层结构工件台的不同方向上的运动(X→Y向、Y→X向)是靠切换装置来切换的。

无论是单层结构，还是多层结构，驱动技术都直接决定了工件台的速度、精度、行程和个设备的效率。

精密工件台的间接驱动方式是指，通过丝杠螺母副将驱动元件的旋转运动变为工件台所需的直线运动。驱动元件常采用直流伺服电机、交流伺服电机，有时也采用步进电机。这种方式最为常见，但存在不足：由于传动链长，系统结构复杂，附加惯量大，刚度降低；由于传动链长，较多的零部件的弹性变形会影响精度，摩擦磨损将导致精度渐变；即使采用了液体静压丝杠，其轴向刚度和承载能力也较小，而制造和装配难度增大。可参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第69～82页介绍。

通常的精密工件台的直接驱动方式，是利用直线电机直接驱动载物平台，取消了电机到载物平台之间的传动环节，实现“零传动”。与间接驱动方式相比更易于实现高速度和高加速度的运动，同时再配合高精度的导轨就可以实现亚微米和纳米级的定位精度，但也存在不足：a)存在端部效应和齿槽效应；b)存在冷却问题；c)存在法向磁吸力；d)伺服控制难度更大；e)存在隔磁与防护问题；f)存在垂直进给时的重力加速度问题；g)启动推力受电源电压影响大。可参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第85页介绍。

压电直线电机的直接驱动，是另一种利用压电材料的逆压电效应的直接驱动，它把电能转换为弹性体的机械振动，并通过接触摩擦传动或其他媒介物质传动的方式获得运动和力(矩)。依靠摩擦力传递运动使得：a)摩擦发热问题严重；b)摩擦磨损导致寿命缩短；c)摩擦磨损引起的颗粒污染。可参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第87页介绍。

压电材料是常被选做驱动源使用的驱动器之一，近年来的研究多采用材料变形的结构方式，以柔性结构设计能够放大位移的机构，这种方式虽拥有非常高的定位精度，但是行程较短，驱动力较小，还有亚微米和纳米定位时陶器材料的迟滞效应、蠕变性和非线性等。驱动电源的纹波电压直接影响压电、电致伸缩微位移器的微位移精度。

常规的液压直接驱动技术由于其高精度控制困难，压力脉动、振动、发热、噪音、泄漏污染等常见问题使得其在中、小负载下的高精度定位控制中难以较多地应用。高精度、高频响、高刚度的定位要求也使得气压驱动难以实施。

其他目前常用的，机械传动式、扭轮摩擦传动式、电热变形致动式、弹性变形式、直线电机式和柔性铰链等微位移机构形式，都难以或很复杂地实现大位移的精确运动控制。

由此可见，对于大行程的精密工件台而言，高精度、高速度、高加速度的总体要求使得精密工件台的结构形式、驱动方式的选择都存在一定难度。

本发明的大行程精密工件台的流体动力驱动的基本思想，是在粗动机构的后面，串接了带有压力变形体的新型流体动力驱动器的精动机构来产生微位移，大位移的粗定位由传统结构形式的粗动机构完成，精密微定位由新型的流体动力驱动器的精动机构完成，最终实现高精度定位、高速运动、高刚度定位和高刚度运动。

本发明的大行程精密工件台是基于新型的流体动力控制的大行程精密工件台，具有传动关系明确、无传动空程、良好的控制性能，本发明正是为了实现高精度、高频响、高刚度的精密驱动控制而提出的，本发明的驱动技术同时还很适合作为新型的小位移的微驱动机构，该驱动方式有望能在超精密领域得到广泛应用。

本发明所提出的大行程精密工件台的驱动方法是一种新型大位移或微位移的精密驱动方法，从理论上和实验上是可行的，较目前现有的驱动技术是有益的补充，对我国相对落后的超高精密加工设备的研制具有较重要的独创性的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种大行程、高精度、高频响、高刚度的精密工件台装置和驱动方法。

本发明所提出的精密工件台装置和驱动方法，能够提供解决传统工件台装置在当前大行程、高精度、高频响、高刚度要求下出现的控制困难、装置复杂等许多问题的一种新的途径。

本发明的技术方案是：

本发明的一种大行程精密工件台装置，它是由驱动源、进给机构、载物平台和导轨、控制器和位置检测器组成，驱动源提供驱动动力给进给机构，进给机构带动载物平台在导轨上运动，位置检测器检测出承载了物件的载物平台的位置量，控制器依据控制算法和位置检测器反馈的运动参数，对物件或载物平台的运动进行控制。本发明的进给机构由粗动机构、精动机构串接组成，粗动机构安装在载物平台和精动机构之间，粗动机构推动载物平台，精动机构推动粗动机构和载物平台，载物平台和粗动机构都有运动导轨与固定导轨形成相对运动，精动机构和固定导轨都固定在底座上。

本发明的一种大行程精密工件台装置，其粗动机构完成工件台的大行程的粗定位，粗动机构通过负载连接头连接载物平台一起在同一固定导轨上进行运动，精动机构完成工件台的最终的精确定位。

本发明的一种大行程精密工件台装置，其进给机构的精动机构是流体动力驱动源驱动的，且精动机构由压力变形体、压力变形腔、流体动力联接头、负载联接头组成。精动机构的压力变形体的壁，在内部压力作用下产生的材料弹性变形量和内部压力的变化量成对应关系。压力变形体的内部是中空的可存储流体介质的压力变形腔，压力变形体的壁的形状、厚度和变形体材料特性决定了压力变形体端部输出的驱动力的方向和大小。

本发明的一种大行程精密工件台装置，精动机构是流体动力动力驱动源驱动的，流体动力动力驱动源是由多个面积成比例关系的膜片缸组成，每个的膜片缸的作用外力作用于膜片缸的膜片上并使得膜片变形，每个膜片缸的流量输出决定于相应作用外力的大小，总的流量输出是各膜片缸的流量输出的和。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法：控制器依据指令及位置检测器检测出的位置量而得到偏差值，根据控制算法先对粗动机构进行粗定位的位置控制；当达到设定的位置范围内后，启动精动机构并根据控制算法进行精确定位控制，达到最终的定位目标。

本发明的一种大行程精密工件台装置，它是由驱动源、进给机构、载物平台和导轨、控制器和位置检测器组成。在单层结构时，如果需要不同方向上运动(X→Y向、Y→X向)还需要添加相应的切换装置。

本发明中的粗动机构如果选择直接驱动方式，进给机构可以是附图1中所示的(电磁型、压电型)直线电机，或者液压驱动的“油压源+阀控油缸”机构，或者气压驱动的“气源+阀控气缸”机构。

本发明中的粗动机构如果选择间接驱动方式，进给机构可以是附图1中所示的“旋转电机+滚珠丝杠螺母副传动方式”，或者“旋转电机+静压螺旋传动方式”，或者“(直流伺服、交流伺服、步进等)电机+(滑动、滚动、静压、磁性等)丝杠或摩擦轮、齿轮齿条、凸轮装置等”

对应上述两类粗动机构的驱动源是指附图1中所示的直线电机、油压源、气源、电机、伺服电机、步进电机等驱动动力源。

载物平台是指承接负载或承接被加工物件在导轨上移动的平台。常见的单层结构工件台中的十字滑块结构的X-Y移动台(可见参考文献《微纳米加工中的精密工件台技术》一书的第110页图5-1)就是一种载物平台。

导轨主要是支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动的部件。两个做相对运动的部件构成一对导轨，其中不动部件称为固定导轨或静导轨，运动部件称为运动导轨。在本发明中，精动机构、固定导轨都固定在底座上，载物平台和粗动机构都有运动导轨与固定导轨形成相对运动，粗动机构推动载物平台，精动机构推动粗动机构和载物平台。

在本发明中，物件作为最终的需要精确定位的对象，被安装在载物平台上，控制了载物平台的定位精度也就控制了物件的定位精度，载物平台承载着物件一起运动。

在本发明中，位置检测器可以实时地或静态检测出载物平台或者载物平台上的物件的运动过程或静止时的位置量，并进行实时的处理和反馈给控制器，控制器依据目标值和控制算法对载物平台和其上安装的物件进行位置的精确控制。

本发明中粗动机构可以选择前述传统意义上的直接驱动方式或间接驱动方式，目的是完成大行程的一定精度的定位，但不是最终要求的精确定位。但是，精动机构要完成最终要求的高精度的精确定位，达到系统的指标要求，也就是达到了最终的整个精密工件台的定位要求的目标，即最终的定位目标。

本发明中的精动机构是一种流体动力驱动的直接驱动方式，中间没有其他传动环节，流体动力驱动源通过管道、流体连接头，将流体压力传输到压力变形体的压力变形腔中，引起压力变形体的壁产生微量的材料弹性变形，并通过压力变形体的外端部的负载连接头推动粗动机构和载物平台产生微小位移，达到精确定位的目的。粗动机构分别同精动机构和载物平台之间都是通过负载连接头紧密连接在一起。

本发明中的精动机构的压力变形体的材料弹性变形是微量的，是在压力变形体材料的弹性变形范围内的受力变形。本发明中的这种弹性变形不同于宏观结构的弹性变形，例如；弹簧、波纹管器件等弹性元件的大伸缩量的结构性的变形。

本发明中的驱动精动机构的流体动力驱动源，是由多个面积成比例关系的膜片缸组成，每个的膜片缸的作用外力作用于膜片缸的膜片上并形成膜片的变形，每个膜片缸的流量输出决定于相应作用外力的大小，总的流量输出是各膜片缸的流量输出的和。流体动力可以通过管道远距离方便地传输，管道布置灵活、动力传输快捷。

本发明中的“动力传递和结构”方式是独特的。

本发明中的精动机构和粗动机构之间的传动关系是由动力传递和结构的方式决定的。本发明中的精动机构一端固定在底座上，当精动机构开始位置控制时，流体动力驱动的精动机构的压力变形体的内部流体压力，使得压力变形腔材料弹性膨胀而产生指向粗动机构的推力，这一推力是由压力变形腔内部端面的流体压力与压力变形体的壁的材料弹性变形回复力之差。压力变形体的推力是通过负载连接头传递给粗动机构的，推动粗动机构在导轨上运动，此时的载物平台和载物平台上的物件也随粗动机构一起在导轨上运动。也就是说，精动机构推动的对象是所有粗动机构、载物平台和载物平台上的物件。

本发明中的精动机构和粗动机构之间的传动关系是不同于说明书第一页(第1页倒数第6行)所列举的‘多层结构的特点是：a)由于粗、精定位是串行进行的，…’中的“串行”，多层结构的“串行”是指粗定位进行后，再精确定位，只是动作上的先后次序的串行，结构上和动力传递上是粗、精定位机构分别在不同层上进行的、互不相干进行的。

本发明中的“动力传递和结构”方式是指：

1.在结构上是“串接”的

从载物平台和物件、粗动机构、连接头、精动机构、底座，这之间是串联连接的，也就是本发明所指的“串接”。物件固定在载物平台上，载物平台和粗动机构连接，粗动机构通过负载连接头和精动机构连接，精动机构固定在底座上，以上是按顺序“串联”在一起的。当然，相互之间连接要可靠、无间隙、连接的刚度要高。这就使得本发明中的进给机构可在“单层”结构上实现了‘传动关系的串行方式’，本质上不同于其他工件台装置的传动关系的‘多层结构的粗、精定位的串行方式’。单层结构工件台的不同方向上的运动(X→Y向、Y→X向)是靠切换装置来切换的。

2.动力传递的顺序是“并行”的

动力是由流体动力源到精动机构，再推动粗动机构和载物平台和物件，而同时粗动机构也可以施加作用于载物平台和物件，动力传递是“并行”的顺序的，即：精动机构和粗动机构的力可同时段、可并列地作用于载物平台和物件。而现有的‘多层结构’的工件台装置的粗动机构、精动机构是互不相干地进行的，其两套机构是在两层上分别进行控制的，按先粗后精的串行地、顺序地进行的，作用力是分时段分别作用于载物平台和物件的。而本发明中的上述这种结构上的“串接”关系保证了动力传递的“并行”关系，两机构的作用力可同时段同时作用于载物平台和物件。

本发明的精密工件台的结构布局是具有独特的结构特点的，也正因为这种“串接”关系，保证了本发明所提的一种大行程精密工件台装置可实现单层结构下的直接驱动，且传动可靠、定位精确、系统刚度大、反应快。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，可以如下实现：先由粗动机构进行工件台的大行程的粗定位，在达到指定位置范围后启动精动机构完成工件台的最终的精确定位。在本发明的大行程精密工件台装置的驱动方法的驱动控制过程中，精动机构、粗动机构的动作顺序可以象现有的上述的‘多层结构’的“串行”方式，即：先粗定位，再精定位，还可以在设定位置范围后同时进行定位控制，先粗定位，再精定位或者在粗定位同时的某个时段也预先进行精定位。这种驱动方法包含了粗动机构、精动机构可能在同时进行定位控制的情况，可见本发明的定位控制过程相对于现有技术更加灵活。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，也可以如下实现：首先精动机构不进行位置控制，而是由粗动机构完成工件台的大行程的粗定位，控制器依据指令和位置检测器检测出的位置量得到偏差值，再启动精动机构并根据控制算法进行最终的精确定位控制，达到最终的定位目标。

上述的最终的定位目标，是指载物平台和物件在一定时间内稳定地达到系统要求的定位精度。

由于本发明的一种大行程精密工件台装置的进给机构由粗动机构、精动机构串联连接组成，精动机构的驱动源为流体动力驱动源，使得结构紧凑、传动可靠，可以实现工件台的单层结构形式，同时可实现直接驱动方式；由于压力变形腔体的结构刚度和材料的强度大，使得流体动力驱动器的回程力大、刚度大、频响高、反应速度快；由于压力变形腔体的材料的弹性模量大，单位受力变形量很小，可以实现微米、纳米级的精确定位；由于压力变形腔体的结构设计灵活多变，可没计成多种运动形式的驱动器。

本发明的上述特点和独特结构说明了它是一种能实现大行程的精密工件台装置，是不同于现存结构的精密工件台装置的运行思路的精密工件台装置，并且能够实现现有的结构的精密工们台装置功能和性能的新型装置。

本发明的精密工件台装置能够成为一种单层的、大行程、高精度、高频响、高刚度、单层结构、直接驱动的精密工件台可选方案。

附图说明

图1为精密工件台的基本组成框图；

图2为多层结构的大行程精密工件台的结构示意图；

图3为流体动力驱动器的原理图；

图4为流体动力旋转位移驱动器原理图；

图5为流体动力驱动的大行程精密工件台的结构示意图；

具体实施例

本发明的关键是流体动力驱动源驱动的精动机构部分，这部分问题解决后，整个工件台才能真正达到高精度定位、高速运动、高刚度定位和高刚度运动。

本发明所指的流体动力驱动器结构原理如附图3所示，其结构没计为内部中空的压力变形体303，流体动力驱动源304的流体动力通过管道305、流体连接头302传输到压力变形体303的压力变形腔的内部，在内压作用下压力变形体的壁产生膨胀和伸长的微小变形，压力变形体的外端部因压力变形体的壁随压力变化的微小的材料弹性变形产生相应的微小位移。同样，当压力变形腔的内部压力减小时，压力变形体的外端部因压力变形体的壁的材料弹性变形的回复力向反方向产生相应的微小位移。

压力变形体的外端部的推、拉的驱动力的输出大小，对应于压力变形体的内部压力产生的膨胀伸长量和减压收缩量，这种推、拉的驱动力通过负载连接头301带动所连接的粗动台或者是其他负载的运动。

内部流体压力的大小、变形体的结构刚度和材料强度决定了驱动力的大小和变化的快慢，以及负载的运动刚度。有效控制流体压力的大小和变化，即可精确地、快速地控制工件台负载的微位移的变化。

附图3中所示的符号的含义如下：驱动器压力变形腔外端部面积为A₁，内部单端面积为A₀，压力变形腔内部压力为P，压力变形腔长度为l、压力变形体的压力变形腔的壁的变形量为ε，作用外力为F_k(k＝1，2，……，n)。

本发明所指的流体动力微驱动器结构原理如附图3所示。附图3中的驱动器结构为对称的结构，此时，压力变形体的压力变形腔的壁的变形量ε就等于内部压力变化所引起的对应的压力变形体的外端部的直线方向的微位移σ。

本发明所指的流体动力微驱动器由流体动力驱动源304、管道305、流体连接头302、压力变形体303、负载连接头301组成。

本发明给出了一种流体动力驱动源的结构和动力控制模式。附图3中所示的流体动力驱动源304由多个(1，2，……，k，n个)膜片缸(类似油缸结构，只是端部由外力作用下可变形的金属膜密封)组成。可以通过施力装置连续施加作用外力到膜片缸的膜片上，膜片向内变形压缩缸内流体介质产生流体压力和流体流量输出。调节单个的小直径的膜片缸，可以得到细小的压力和流量地变化值。也可分别由多个(1，2，……，k，n个)作用面积不等，比如：面积成1∶2∶4∶…2″比例关系的膜片缸组合产生。

本发明给出的流体动力驱动源304，是由多个面积成比例关系的膜片缸组成，每个的膜片缸的作用外力作用于膜片缸的膜片上并形成膜片的变形，每个膜片缸的流量输出决定于相应作用外力的大小，总的流量输出是各膜片缸的流量输出的和。其中的“面积”是指膜片缸内部直径对应的缸的截面积。

某个膜片缸起作用，就会产生与其作用面积大小、膜片的作用外力相对应的体积的流体量(即：流量)的输出。多个膜片缸起作用时，总的输出给压力变形腔的流体的流量是各膜片缸流体流量输出之和。

当需要较大流体动力或流体流量时，可用多缸联合控制方式的输出控制；当需要较小流体动力流体流量时，可单缸或双缸或多缸直接细调。

单个的流体动力驱动器的流体压力可以通过调整作用外力F_k大小来调整，改变膜片的变形量，进而改变单缸输出流体的多少，最终改变流入压力变形腔的流体的量，进而改变流体动力驱动器的压力变形体的壁的变形量ε。外力F_k可以通过电磁铁、压电、电机等施力装置来产生，施力装置可以连续、快速而精确地调节外力大小。当然，本发明的流体动力驱动器仍然遵循常规液压传动的基本原理：系统工作压力最终决定于系统的负载压力，外力F_k的改变也就是要按系统的要求去适应系统的负载的变化。

本发明的流体动力驱动器没有了常规液压传动的泵油源，压力在密闭腔体之间通过短管道连接来传输，压力传输平稳、快捷。密闭腔体内的起始压力可自主设定，而且材料的强度可以选得较大，从而可以保证流体动力驱动器的静刚度很大，由于液体的压缩性很小，传输的管道可以尽可能地短小，其进给刚度也可以做到很高。本发明的流体动力驱动器的动力源还可以采用其他结构形式的无源流体动力源。

针对本发明的流体动力驱动器，可以假定驱动器压力变形腔外端部面积为A₁、内部单端面积为A₀、压力变形腔内部压力为P、压力变形腔长度为l、压力变形体的压力变形腔的壁的变形量为ε，从而有：

ε＝(P×A₀×l)/E(A₁-A₀)

E——驱动器压力腔材料的弹性模量。

由于驱动器结构为对称的结构，此时，压力变形体的压力变形腔的壁的变形量ε就等于内部压力变化所引起的对应的压力变形体的外端部的直线方向的微位移σ。

σ＝ε＝(P×A₀×l)/E(A₁-A₀)

由此可见：设定压力变形腔外端部面积A₁、A₀，压力变形腔长度l，可很方便地通过控制P米改变压力变形体外端部的微位移σ。压力变形腔的材料的弹性模量可选择范围很大，弹性模量E为10⁵MPa量级，如果A₀/(A₁-A₀)为1/10量级，驱动器长度l为1/10米级，则压力变化1MPa，变形量ε的量变化在0.1微米级。而1MPa压力变化量的控制是十分容易的，进一步提高到0.1MPa难度也不是很大，再合理设计A₀/(A₁-A₀)和长度l、选择高弹性模量E的材料，变形量ε的量的变化控制在纳米级或更高，所以对压力变形体外端部的微位移σ控制在微米级、纳米级，在理论上看是可以实现的。

对于旋转方向驱动的微位移机构，以及微位移机构还常常要包括的θ修正作用，只要将附图4所示的压力变形体401的单边强度差增大，即(Δ₁一Δ₂)厚度差加大，就可以构成旋转位移驱动器，图4中的Δ₁、Δ₂分别为压力变形体401的压力变形腔的对称位置的壁厚。如附图4所示，在内压作用下，驱动器的外端面在内压作用下就会向单边强度大的另一边旋转，实现高刚度的θ修正，无需辅助装置。内部压力减小后，在材料弹性同复力的作用下，旋转方向的位移又可反向回转。

本发明的流体动力驱动技术还很适合作为新型的小位移的微驱动机构，该驱动方式有望能在超精密领域得到广泛应用。

本发明的一种大行程精密工件台装置，它是由驱动源、进给机构、载物平台和导轨、控制装置和位置检测器组成。附图5给出了流体动力驱动的大行程精密工件台的结构示意图。

附图5中，整个精密工件台的结构形式为单层结构，粗动机构503负责大位移的粗定位，流体动力驱动的精动机构501通过负载连接头502连接在粗动机构后面，流体动力驱动的精动机构501固定在底座510上。

物件505安装在承载平台506上，承载平台506通过负载连接头504连接在粗动机构503上，粗动机构503通过负载连接头502连接在精动机构501上，粗动机构503和承载平台506的运动导轨507、508一起与固定导轨509形成相对运动副，位置检测器511固定在底座510上，连同控制器512和其他辅助元件构成完整的大行程精密工件台。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，可以如下实现：先由粗动机构503进行工件台的大行程的粗定位，控制器512依据指令和位置检测器511检测出的位置量得到偏差值，根据控制算法由粗动机构503进行粗定位的位置控制，当达到设定的位置范围内后，启动精动机构501并根据控制算法进行最终的精确定位控制，达到最终的定位目标。本发明的这种大行程精密工件台装置的驱动方法的驱动控制过程中，精动机构、粗动机构的动作顺序可以象现有的上述的‘多层结构’的“串行”方式，即：先粗定位，再精定位，还可以在设定位置范围后同时进行精定位、粗定位控制。这种驱动方法包含了粗动机构、精动机构可能在同时进行定位控制的情况，可见本发明的定位控制过程更加灵活。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，也可以如下实现：先精动机构501不进行位置调整，依据控制器512发出的指令和位置检测器511检测出的位置量相减得到偏差值，根据选定的控制算法由粗动机构503进行前期的粗定位，当达到设定的位置范围内后，再启动精动机构501并根据设定的控制算法进行最终的精确定位控制，达到定位目标。

本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，如果要实现“单层”结构时，还应该有驱动方向的切换装置和相应的切换动作。

附图5中，“位置信号”框是表示对位置检测器511的位置检测信号进行信号处理和传输的环节，使得控制器512能够得到“位置信号”环节输出的准确的位置信息。

附图5中，“压力信号”框是表示对“流体动力”产生的环节的压力信号检测和信号处理和传输的环节，使得控制器512能够得到“压力信号”环节输出的准确的压力信息。

附图5中，“流体动力”框是表示按控制器512的要求产生相应大小流体动力的装置。

附图5中，“施力装置”框是表示按控制器512的要求给“流体动力”环节施加相应大小的外力的装置。

“施力装置”产生可调整大小的作用外力F_k，改变流体动力驱动源304的膜片缸的膜片的变形量，进而改变单缸输出流体的多少，最终改变“流体动力”环节中的流入压力变形腔的流体的压力和流量，进而改变流体动力驱动器的压力变形体的壁的变形量。外力F_k可以通过电磁铁、压电、电机等施力装置来产生，施力装置可以连续、快速而精确地调节外力大小。此过程中，“位置信号”环节、“压力信号”环节实时地检测物件位置、流体变形腔内的压力，作为控制器512实施控制算法的依据。

通过附图5的大行程精密工件台装置的系统，将能够实现本发明的一种大行程精密工件台装置的驱动方法。

实现本发明的关键技术需要对流体动力机构的静、动态特性进行正确分析，掌握精密定位系统的控制策略。本发明主要涉及到流体动力传动、自动控制、弹性力学和材料力学、机械制造、信号检测与处理等理论知识，是一个交叉性很强、创新性突出的课题。但是，本发明的研究手段和研究方法没有超出相关的现有技术范围，设计加工工艺、检测装置等都有现有范例和产品可参考和选型，可预见性的，在理论分析和实际实施中将能够保证是可行的。

本发明的主要创新之处在于：用流体动力控制方式实现了单层结构的大行程、高精度、高速度、高刚度、直接驱动方式工件台的驱动。其中可以实现单层结构、直接驱动、高刚度、大行程是显著特点。

实现超精密加工系统的首要任务之一就是开发和研制高速、高定位精度、高响应速度、高稳定性及大行程的定位加工平台。目前市场上相似功能的典型产品有Nanoplane Series Model SBS-1200、NanoplaneSeriesModel SLHU-300、荷兰ASML光刻机的ETS和ASML的工件台、中科院光电技术研究所研制的DJ-2型微米级可变矩形电子束曝光机、中科院长春光机所的准分子激光光刻机上的磁悬浮纳米级精密工件台。国内外的目前大多数工件台采用了多层结构，多层结构的工件台速度的提高受限、叠层式结构运动干扰、控制复杂等问题靠此结构形式内本身解决困难、技术复杂。精密工件台的高速度与高精度的要求往往是矛盾的，大行程的精密工件台更显得突出，而工件台技术作为一项关键单元技术，涉及了机械、控制、检测、计算机等众多领域的知识，具有很强的挑战性。

本发明的利用流体动力驱动技术的独特优点，提出了适合大行程精密工件台的单层结构、直接驱动方式，有望同时获得高精度、高刚度、高频响的驱动，实现精密工件台的大行程范围得精确控制。本发明提出的驱动方式，是在精密、超精密领域现有驱动方式中还没有的新型驱动方式，原理上、实验上都具有较强的原创性，可望能够在该领域得到大力开发和广泛应用。

Claims (4)

1.一种大行程精密工件台装置，它是由驱动源、进给机构、载物平台和导轨、控制器和位置检测器组成，驱动源提供驱动动力给进给机构，进给机构带动载物平台在导轨上运动，位置检测器检测出承载了物件的载物平台的位置量，控制器依据控制算法和位置检测器反馈的位置量，对物件或载物平台的运动进行控制，其特征在于：进给机构是由粗动机构、精动机构串接组成，粗动机构安装在载物平台和精动机构之间，粗动机构推动载物平台，精动机构推动粗动机构和载物平台，载物平台和粗动机构都有运动导轨与固定导轨形成相对运动，精动机构和固定导轨都固定在底座上。

2.权利要求1所述的一种大行程精密工件台装置，其特征还在于：粗动机构完成工件台的大行程的粗定位，粗动机构通过负载连接头连接载物平台一起在同一固定导轨上运动，精动机构完成工件台的最终的精确定位。

3.权利要求1所述的一种大行程精密工件台装置，其进给机构是由粗动机构、精动机构串接组成，精动机构是流体动力驱动源驱动的，其特征在于：流体动力驱动源是由多个面积成比例关系的膜片缸组成，每个膜片缸的作用外力作用于膜片缸的膜片上并使得膜片变形，每个膜片缸的流量输出决定于相应作用外力的大小，总的流量输出是各膜片缸的流量输出的和。

4.权利要求1所述的一种大行程精密工件台装置的驱动方法，控制器依据指令及位置检测器检测出的位置量而得到偏差值，根据控制算法先对粗动机构进行粗定位的位置控制；当达到设定的位置范围内后，启动精动机构并根据控制算法进行精确定位控制，达到最终的定位目标，其特征在于：精动机构当需要较大流体动力或流体流量时，用多缸联合控制方式的输出控制；当需要较小流体动力流体流量时，用单缸直接细调。

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