專利名稱：：非接觸長行程多自由度納米精密工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種精密工作臺，特別涉及一種采用電磁驅(qū)動器進(jìn)行閉環(huán)主動控制與靜壓空氣止推軸承混合支承的非接觸長行程多自由度納米精密工作臺。
背景技術(shù)：
：近年來，半導(dǎo)體工藝技術(shù)不斷發(fā)展，目前大規(guī)模集成電路線寬僅有數(shù)十納米，同時為了提高工藝效率，晶元的尺寸不斷增大，目前己經(jīng)達(dá)到12英寸一16英寸，因此在半導(dǎo)體加工曝光設(shè)備中要求相應(yīng)的長行程多自由度納米精密i:作臺。該工作臺不僅要將晶元準(zhǔn)確地固定在預(yù)定的位置，而且要對晶元的垂直位置和姿態(tài)實施微小調(diào)整，校準(zhǔn)和運動控制精度進(jìn)一步提高，工作環(huán)境更加苛刻。長行程多自由度納米精fi工作臺還廣泛用于超精密加工與測量，如液晶顯示器加工工藝設(shè)備和光學(xué)鏡頭加工，原子力顯微鏡等納米操控系統(tǒng)，和光學(xué)裝置校準(zhǔn)系統(tǒng)等。總之，大行程多自由度納米精密工作臺是半導(dǎo)體加工工藝設(shè)備、超精密加工與測量和未來納米技術(shù)發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。庫侖摩擦力是實現(xiàn)納米精.密工作臺的主要障礙，往往采用接觸式的粗精兩極運動方式或非接觸方式，避免或極大地降低庫侖摩擦。粗精兩極運動方式由有庫侖摩擦粗運動機構(gòu)(包括回轉(zhuǎn)電機驅(qū)動、絲杠螺母傳動和導(dǎo)軌)實現(xiàn)大行程運動，再疊加一個無庫侖摩擦電致伸縮陶瓷(PZT)達(dá)到運動控制精度的要求。粗精兩極方式兩個驅(qū)動器的暫態(tài)過程限制了系統(tǒng)總的閉環(huán)帶寬，而且這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)定困難，制造成本高。靜壓空氣懸浮或磁浮是兩種實現(xiàn)非接觸工作臺的技術(shù)，由于沒有接觸，庫侖摩擦力非常小，或者完全避免了庫侖摩擦力，可以實現(xiàn)納米精密工作臺。首先被應(yīng)用于納米精密工作臺的是靜壓空氣導(dǎo)軌，實現(xiàn)長行程納米精度運動。粗靜兩極運動方式和靜壓空氣導(dǎo)軌只能實現(xiàn)單軸平動工作臺，兩軸工作臺由兩個相互垂直的單軸平動系統(tǒng)構(gòu)成，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，多個移動部件增大了移動質(zhì)量和系統(tǒng)慣性，對于加工、裝配和標(biāo)定有很高的精度要求。為了克服以上問題，已有的研究提出了靜壓空氣止推軸承和磁懸浮技術(shù)，這兩種方式都可以實現(xiàn)單級即單一移動質(zhì)量、長行程和多自由度的納米精密工作臺。靜壓空氣止推軸承不需要閉環(huán)控制，工作臺姿態(tài)和垂直方向3個自由度是被動的，取決于軸承的設(shè)計和加工，平面3軸由3軸平面電機驅(qū)動，實現(xiàn)平面3軸長行程納米精密;工作臺(H.Shinno,H.Hashizume，H.Yoshioka,andet.al.X-Y隱6nano-positinoingtablesystemforamothermachine.AnnalsoftheCIRP,.vol.53(1),pp.337-340，2004.)。磁懸浮工作臺利用磁懸浮技術(shù)和平面驅(qū)動技術(shù)(CarterFM,GalburtDN,RouxS.Magneticallylevitatedanddrivenreticlemaskingbladestagemechanismhavingsixdegreesfreedomofmotion.USPatent6,906,789;2005.，李黎川，集成電路光刻設(shè)備的磁懸浮精密工件臺，中國發(fā)明專利200310108549，2003)，實現(xiàn)6自由度長行程納米精:蜜工作臺，包括工作臺姿態(tài)和垂直方向3軸和平面3軸。與磁懸浮技術(shù)相比，靜壓空氣止推軸承工作臺，不需要閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，被動器件不發(fā)熱，分析和設(shè)計技術(shù)成熟，制造成本低，已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)墓I(yè)應(yīng)用。其主要缺點是，1)工作臺姿態(tài)角和垂直方向位移不可控，支承精度取決于軸承的設(shè)計和加工；2)使用真空負(fù)壓預(yù)載調(diào)節(jié)靜壓空氣軸承的剛度和承載力；3)產(chǎn)生靜壓氣膜的高壓氣體對工作臺的白噪聲擾動使工作臺發(fā)生自激振動，具有原理性機械振動噪聲，限制了運動分辨率的進(jìn)一步提高。為了將主動控制和靜壓空氣懸浮的優(yōu)點結(jié)合起來，提出了電磁靜壓空氣混合精密軸承，通過電磁驅(qū)動器對靜壓空氣軸承進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了高回轉(zhuǎn)精度(HalemKhanfir,MareBonis,PhilippeRevel.Improvingwavinessinultraprecisionturningbyoptimizingthedynamicbehaviorofaspindlewithmagneticbearings.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2005(45):841-848)。韓國科技高等學(xué)院(KAIST)SQLee和DGGweon提出了一種采用3個混合支承的三角形精密工作臺(Anew3-DOFZ-tiltsmicropositioningsystemusingelectromagneticactuatorsandairbearings.PrecisionEngineering24(2000)24-31.)，每個混合支承是一個一體化的電磁驅(qū)動器與靜壓空氣止推軸承，其支承面為圓形，在圓心安裝了位移傳感器，圍繞圓心均勻安裝了4個電磁驅(qū)動器，每個電磁驅(qū)動器由一套鐵心和線圈構(gòu)成，在每個電磁驅(qū)動器的中心加工了4個節(jié)流孔構(gòu)成靜壓空氣止推軸承。通過每個混合支承的位移傳感器檢測工作臺垂直位移并進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)工作臺垂直位移和姿態(tài)3軸閉環(huán)控制。該工作臺的主要缺點是1)由控制3個混合支承垂直位移實現(xiàn)工作臺垂直和姿態(tài)3軸閉環(huán)控制，被控的動力學(xué)耦合給系統(tǒng)建摸和控制器綜合與分析帶來困難，影響工作臺的動態(tài)性能和運動控制精度。2)為了獲得載荷和動特性的對稱性，工作臺形狀只能為等邊三角形，而應(yīng)用中往往要求工作臺形狀為對稱的矩形或正方形。3)—體化的電磁驅(qū)動器與靜壓空氣止推軸承混合支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析、加工、和安裝困難。4)每一個混合支承有1個位移傳感器和4個圍繞位移傳感器均勻安裝的電磁驅(qū)動器，閉環(huán)控制時需將4個電磁驅(qū)動器等效為一個在圓心上的電磁驅(qū)動器進(jìn)行控制，這種等效對電磁驅(qū)動器電磁參數(shù)一致性和安裝精度要求很高。這些缺點限制了這種工作臺的精度和實際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種主動型電磁驅(qū)動器與靜壓空氣止推軸承混合支承非接觸長行程多自由度納米精裙rc作臺，工作臺為矩形、含正方形或圓形，采用4個獨立電磁驅(qū)動器和i個靜壓空氣止推軸承氣浮塊，工作臺在垂直方向的位移和姿態(tài)由4個位移傳感器檢測，進(jìn)行閉環(huán)控制。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明包括工作臺基座，與工作臺基座相配合的工作臺動件，在工作臺動件下表面固定有位移傳感器，在工作臺動件下表面還固定有線圈，位移傳感器和線圈交替均勻布置。工作臺動件下表面中心固定有氣浮塊。位移傳感器輸出電信號輸入帶有模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D)和數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換(D/A)的控制計算機，控制計算機輸出電信號輸入功率放大器，功率放大器輸出電信號到線圈。其中，4個獨立的線圈和4個位移傳感器對稱交替安裝在工作臺動件的支承面(與工作臺基座相對的面)上，氣浮塊安裝在同一面的中心。當(dāng)高壓空氣經(jīng)送氣管由管接頭通入氣浮塊時，在工作臺基座與氣浮塊之間形成一個氣膜，使工作臺動件懸浮于工作臺基座上。4個位移傳感器輸出工作臺動件和基座的相對距離，通過與位移傳感器安裝位置對應(yīng)的坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為工作臺垂直位移和姿態(tài)3軸的位移反饋。3個軸的控制輸出通過與線圈安裝位置對應(yīng)的坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為4個電磁驅(qū)動器線圈的電壓或電流，功率放大后送至線圈，實現(xiàn)工作臺垂直位移和姿態(tài)3軸的閉環(huán)控制。工作臺基座和工作臺動件均使用鐵磁材料。本發(fā)明通過電磁驅(qū)動器閉環(huán)控制和靜壓空氣止推軸承，可以對單級(單一移動質(zhì)量)大行程工作臺垂直位移和姿態(tài)3個軸閉環(huán)控制，電磁驅(qū)動器發(fā)熱小、開環(huán)穩(wěn)定，工作臺控制精度分辨率提高，動特性和穩(wěn)定性好，不需要真空預(yù)載。本發(fā)明同時具有靜壓空氣止推軸承和磁懸浮工作臺的優(yōu)點，主要特點如下1)使用電磁驅(qū)動器對軸承垂直方向位移和姿態(tài)3軸進(jìn)行閉環(huán)控制，對工作臺平面3軸的行程沒有限制，如果采用平面驅(qū)動技術(shù)，可以實現(xiàn)單級單一移動質(zhì)量6自由度長行程納米精霜工作臺，移動部件質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單；2)本發(fā)明工作臺6軸性能均取決于伺服系統(tǒng)的性能，具有一致的運動控制性能，并隨著伺服系統(tǒng)性能的提高而提高；3)電磁力預(yù)載，靜壓空氣軸承的剛度和承載力等可調(diào)，無需真空預(yù)載負(fù)壓；4)電磁驅(qū)動器主動控制可以抑制靜壓空氣止推軸承的機械振動噪聲，進(jìn)一步提高運動分辨率。5)由于使用了靜壓空氣止推軸承，電磁驅(qū)動器開環(huán)穩(wěn)定(磁懸浮工作臺開環(huán)不穩(wěn)定)，所以工作臺承載力大，發(fā)熱小，穩(wěn)定性好。圖1是本發(fā)明的原理框圖及座標(biāo)定義圖，其中，圖1(a)是本發(fā)明的原理框圖；圖l(b)是本發(fā)明的座標(biāo)定義圖。圖2是本發(fā)明工作臺動件2支承面的示意圖。具體實施例附圖是本發(fā)明的具體實施例，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明參照圖1所示，本發(fā)明包括工作臺基座1和與工作臺基座1相配合的工作臺動件2，在工作臺動件2下表面固定有位移傳感器3—6，在工作臺動件2下表面還固定有線圈7—10，位移傳感器3—6和線圈7—8交替均勻布置。工作臺動件2下表面中心固定有氣浮塊11。位移傳感器3-6輸出電信號輸入帶有模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D)和數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換(D/A)的控制計算機12，控制計算機12輸出電信號輸入功率放大器13，功率放大器13輸出電信號到線圈4-7。本發(fā)明的工作原理是工作臺動件2在外部壓縮空氣氣源給氣浮塊11供氣的情況下，懸浮于工作臺基座1上，位移傳感器3—6測量工作臺基座1與動件2的相對距離，位移傳感器3—6輸出平動位移Zl—Z4接入控制計算機12進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由座標(biāo)變換I計算出工作臺平動位移z和角位移oc，(3，控制器依據(jù)當(dāng)前位移計算出控制量電壓或電流Cz，ca，Cp，加上預(yù)載力電壓或電流C。，經(jīng)座標(biāo)變換II得到線圈7—10的控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后由控制計算機12接入功率放大器13，進(jìn)行功率放大后的控制量電壓或電流Cl—C4接入線圈7—10，對工作臺動件2垂直平動位移z和姿態(tài)角位移a，P進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了工作臺動件2的電磁驅(qū)動器和靜壓空氣止推軸承混合支承。由位移傳感器3—6輸出平動位移Zi—Z4計算工作臺動件2的平動位移z和角位移a，P軸當(dāng)前位移的座標(biāo)變換I為z=(zr^+Z3+Z4)/4a=(zi-z3)/2b(3=(z2-z4)/2a由控制量電壓或電流"，Ca，Cp計算線圈8—ll控制量電壓或電流C,一C4的座標(biāo)變換n為Ci=Cz+Ca-Cp-C0/4c2=cz+ca+cp-Co/4c3=cz_ca+Cp-C0/4C4=C「Ca—Cp-Co/4上式中2a為圖l(b)中線圈9、10的中心距，2b為圖l(b)中線圈7、8的中心距。工作臺基座1材料為含磁不銹鋼，整體加工，上表面平面刮研保證平面度和光潔度，也可以使用A3鋼或硅鋼片，這時表面需進(jìn)行防銹處理。硅鋼片能抑制電磁驅(qū)動器電渦流效應(yīng)，提高電磁驅(qū)動器動態(tài)響應(yīng)速度，但加工困難。參照圖2所示，從工作臺動件2的下表面，加工了4個安裝位移傳感器3—6的盲孔14-17。位移傳感器3—6固定完成后，其端面與工作臺動件2的下表面在同一平面上。從工作臺動件2的下表面，加工了4個安裝線圈7—10的環(huán)形盲孔14-17，中間的圓柱18-21是線圈7—10的鐵心。線圈7—10和工作臺動件2上的鐵心構(gòu)成4個獨立的電磁驅(qū)動器，電磁驅(qū)動器工作氣隙為鐵心圓柱頂面到工作臺動件2底面的距離。電磁驅(qū)動器鐵心與工作臺動件2—體化加工，材料采用電工純鐵DT4，工作氣隙取值范圍在0.2mm-0.4mm，使得電磁驅(qū)動器的安裝位置精度高，性能一致性好，輸出力大，動態(tài)響應(yīng)速度快，功耗小。線圈7一10固定完成后，其端面不高出工作臺動件2的下表面。線圈和鐵心也可以采用方形截面。工作臺動件2下表面的中央是一個空腔22，在空腔22中心安裝了氣浮塊11，固定完成后，其軸承面與工作臺動件2的下表面在同一平面上。工作臺動件2的四周加工了排氣孔23-26使工作臺動件2外部和空腔22相通，將空腔22中心氣浮塊11的氣體排出。具體實施例中，在兩個長邊加工了2個直徑為8mm的排氣孔。如果不加工排氣孔，氣浮塊ll排出的氣體將在工作臺動件2空腔外的環(huán)面和工作臺基座1上表面之間進(jìn)一步形成氣膜，產(chǎn)生靜壓浮力作為電磁驅(qū)動器的恒定載荷，使電磁驅(qū)動器的功耗和發(fā)熱增加。靜壓空氣止推軸承也可以采用圓形截面氣浮塊。工作臺動件2上表面是一個完整平面工作臺平面。本發(fā)明對于工作臺平動位移z和角位移a，p軸采用4個獨立電磁驅(qū)動器通過座標(biāo)變換進(jìn)行主動控制。4個獨立電磁驅(qū)動器是獲得對稱支承性能的最少個數(shù)。本發(fā)明的4個電磁驅(qū)動器是線圈7—10和加工在工作臺動件2上的鐵心，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在座標(biāo)變換計算中引入的誤差小，易于加工安裝。本發(fā)明電磁驅(qū)動器的磁場集中在工作臺基座1與線圈相對應(yīng)的區(qū)域和工作臺動件2線圈3—7周圍，電磁驅(qū)動器之間的電磁耦合可以忽略不計，電磁驅(qū)動器在工作臺基座1和工作臺動件2以外空間產(chǎn)生的干擾磁場可以忽略不計。本發(fā)明采用1個獨立的氣浮塊11構(gòu)成靜壓空氣止推軸承。靜壓空氣止推軸承設(shè)計計算復(fù)雜，加工困難。如果在工作臺動件2的支承面上加工靜壓空氣止推軸承，則需針對工作臺動件2進(jìn)行專門設(shè)計計算和加工，使用氣浮塊11則避免了這一問題。1個獨立的氣浮塊11安裝在工作臺動件2支承面的中心，保證了支承性能的對稱性。本發(fā)明采用4個位移傳感器3—6檢測工作臺動件2與工作臺基座1的距離，通過座標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為工作臺平動位移z和角位移ot，(3軸當(dāng)前位置，位移傳感器3—6與線圈7—IO均勻交替布置，保證了機械對稱性，有利于抑制測量誤差。本發(fā)明實現(xiàn)的電磁驅(qū)動器與靜壓空氣止推軸承混合支承工作臺，工作臺平面是一個矩形、正方形或圓形完整平面，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作臺平動位移z和角位移a，P軸主動控制，控制系統(tǒng)無耦合，不需真空預(yù)載，電磁驅(qū)動器開環(huán)穩(wěn)定，抑制了靜壓空氣止推軸承振動噪聲，精度等性能有所提高。權(quán)利要求1、非接觸長行程多自由度納米精密工作臺，包括工作臺基座(1)和與工作臺基座(1)相配合的工作臺動件(2)，其特征在于，在工作臺動件(2)下表面固定有位移傳感器(3)—(6)，在工作臺動件(2)下表面還固定有線圈(7)—(10)，工作臺動件(2)下表面中心固定有氣浮塊(11)。2、根據(jù)權(quán)利l所說的納米精蜜工作臺，其特征在于，所說的位移傳感器(3)-(6)和線圈(7)-(10戌替均勻布置。3、根據(jù)權(quán)利1或2所說的納米精密工作臺，其特征在于，所說的線圈(7)—(10)和加工在工作臺動件(2)上的鐵心(18)—(21)，分別構(gòu)成4個獨立的電磁驅(qū)動器。4、根據(jù)權(quán)利1或2所說的納米精蜜工作臺，其特征在于，所說的氣浮塊(ll)構(gòu)成1個靜壓空氣止推軸承。5、根據(jù)權(quán)利l或2所說的納米精密工作臺，其特征在于，所說的位移傳感器(3)—(6)的端面與工作臺動件(2)的下表面在同一平面上，工作臺動件(2)上表面是一個完整平面工作臺平面。6、根據(jù)權(quán)利l所說的納米精密工作臺，其特征在于，所說的工作臺基座(l)和工作臺動件(2)采用導(dǎo)磁材料。7、根據(jù)權(quán)利要求3所說的納米精密工作臺，其特征在于，從工作臺動件(2)的下表面加工了4個安裝線圈(7)—(10)的盲孔(14)一(17)，中間的圓柱(18)—(21)是線圈(7)—(10)的鐵心，線圈(7)—(IO)固定完成后，其端面不高出工作臺動件(2)的下表面，線圈(7)一(10)和工作臺動件(2)上的鐵心構(gòu)成4個獨立的電磁驅(qū)動器，電磁驅(qū)動器工作氣隙為鐵心圓柱頂面到工作臺動件(2)底面的距離，取值范圍在0.2mm-0.4mm。8、根據(jù)權(quán)利要求1所說的納米精密工作臺，其特征在于，工作臺動件(2)下表面的中央是一個空腔(22)，在空腔(22)的中心安裝了氣浮塊(ll)，固定完成后，其軸承面與工作臺動件(2)的下表面在同一平面上，工作臺動件(2)的四周加工了排氣孔(23)—(26)使工作臺動件(2)外部和空腔(22)相通。全文摘要本發(fā)明公開了一種電磁驅(qū)動器與靜壓空氣止推軸承混合支承長行程納米精密工作臺，通過采用1個氣浮塊實現(xiàn)靜壓空氣止推軸承；采用4個獨立電磁驅(qū)動器和4個位移傳感器，通過座標(biāo)變換，對工作臺垂直位移和姿態(tài)進(jìn)行解耦的閉環(huán)控制；采用在工作臺支承面上將4個獨立線圈安裝到與工作臺一體化加工的鐵心上，構(gòu)成4個獨立的電磁驅(qū)動器，實現(xiàn)了單級長行程多自由度工作臺，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制系統(tǒng)無耦合，對測量噪聲有抑制作用，不需真空預(yù)載，電磁驅(qū)動器開環(huán)穩(wěn)定，抑制了靜壓空氣止推軸承振動噪聲，精度和控制性能比靜壓空氣止推軸承工作臺高，熱穩(wěn)定性和工作穩(wěn)定性比磁懸浮工作臺高。文檔編號G03F7/20GK101520606SQ20081001720公開日2009年9月2日申請日期2008年1月2日優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日發(fā)明者毛軍紅,謝友柏申請人:西安交通大學(xué)