一种H型二维超精密工作台结构.pdf

一种H型超精密工作台结构属于精密测量、超精密加工、微型机械和纳米等领域。它的X轴滑块环抱在X轴导轨上；X轴导轨的两端固定在两条Y轴滑块上；Y轴滑块环抱在Y轴导轨上；Y轴导轨通过导轨垫固定在基座上；其特征在于：X轴滑块和Y轴滑块都设计为对称的封闭式结构，且与基座的上表面间维持固定的压缩气体气膜间隙；X轴导轨上表面与X轴滑块内上表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量，X轴导轨下表面与X轴滑块内下表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量；Y轴导轨设计同X轴导轨。这种结构提高了导轨的导向精度和工作台结构的稳定性，X轴和Y轴定位精度互不影响，避免了误差叠加效应；系统刚度高，精度保持性好。

1.  一种H型二维超精密工作台结构，X轴滑块环抱在X轴导轨上；X轴导轨的两端固定在两条Y轴滑块上；Y轴滑块环抱在Y轴导轨上；Y轴导轨通过导轨垫固定在基座上；X轴滑块的两内侧面有压缩气体气流小孔，X轴导轨的两侧面与X轴滑块的两内侧面间维持固定的气膜间隙；Y轴滑块的两内侧面有压缩气体气流小孔，Y轴导轨的两侧面与Y轴滑块的两内侧面间维持固定的气膜间隙；X轴滑块的下底面有压缩气体气流小孔、真空腔、真空吸附气流孔，Y轴滑块的下底面有压缩气体气流小孔、真空腔、真空吸附气流孔；
其特征在于：X轴滑块和Y轴滑块都设计为对称的封闭式结构，X轴滑块和Y轴滑块都与基座的上表面间维持固定的压缩气体气膜间隙；X轴导轨上表面与X轴滑块内上表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量，X轴导轨下表面与X轴滑块内下表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量；Y轴导轨上表面与Y轴滑块的内上表面间间隙不小于Y轴导轨因自身重量和X轴导轨重量导致的变形量之和，Y轴导轨下表面与Y轴滑块的内下表面间隙不小于Y轴导轨因自身重量和X轴导轨重量导致的变形量之和。

一种H型二维超精密工作台结构
技术领域
本发明与超精密定位技术和装置有关，属于精密测量、超精密加工、微型机械和纳米技术等技术领域。
背景技术
超精密工作台是精密测量、超精密加工、微型装配、半导体光刻和纳米技术的基础。二维精密工作台的定位精度不仅与导轨精度有关，也与在两个维度上的结构关系有关。H型二维精密工作台因其结构紧凑，定位精度较高而得到广泛应用。现有的H型二维精密工作台，其结构原理如图1a和图1b所示。图1a和图1b中：1为基座，2为Y轴驱动装置，3为Y轴导轨，4为Y轴滑块，5为Y轴位置测量元件，6为X轴位置测量元件，7为X轴滑块，8为X轴驱动装置，9为X轴导轨。
图1a和图1b中Y轴驱动装置2驱动Y轴滑块4沿Y轴导轨3运动，与Y轴滑块4固联的X轴导轨9与Y轴滑块4同时在Y轴上以相同方向、相同速度运动，并带动X轴导轨9上的X轴滑块7沿Y轴运动；X轴驱动装置8驱动X轴滑块7沿着X轴导轨9在X轴上运动；Y轴位置测量元件5(例如长光栅、激光干涉仪或其他精密测长传感器等)测量Y轴滑块4的位置，X轴位置测量元件6(例如长光栅、激光干涉仪或其他精密测长传感器等)测量X轴滑块7的位置。
H型二维超精密工作台的导轨分为闭式导轨和开式导轨。闭式导轨的导向原理如图2a和图2b所示，开式导轨的导向原理如图3a和图3b所示。图2a和图2b中：10为滑块，11为导轨，12为导轨垫，箭头所指为压缩气体气流方向；图3a和图3b中：13为滑块，14为导轨，15为基座，16为磁极对，箭头所指为压缩气体气流方向。
图2a和图2b所示的导向原理普遍用于现有的H型二维工作台的X轴导向，也部分用于现有的H型二维工作台的Y轴导向。导轨11通过导轨垫12固定在基座上，滑块10气浮于导轨11上，滑块10的重量由导轨11承载。相应的，承载物的重量通过滑块10由导轨11承载。导轨11在其自身、滑块和承载物等的重力作用下，会产生弯曲变形，限制其导向精度；当滑块10所处位置不同时导轨11的变形不同，限制导轨的精度保持性。基于图2a和图2b所示的导向原理的H型二维工作台，随着滑块所处的位置的变化，在X方向和Y方向上的精度变化趋势复杂，限制了X轴导轨和Y轴导轨之间的角度精度，且加大了系统的精度补偿难度，限制了二维工作台的定位精度。
图3a和图3b所示的导向原理用于H型二维工作台的Y轴导向。导轨14的下表面直接固定在基座15上，滑块13气浮于导轨14上，极性相反的磁极对16形成吸引力。滑块13不是封闭结构。这种非封闭的滑块结构刚度差，易变形，限制了导向精度。基于图3a和图3b的导向原理的H型二维工作台，Y轴滑块的变形限制了X轴导轨与Y轴导轨之间的角度精度，也限制了H型二维工作台的定位精度。
基于上述原理的现有H型二维工作台实质是上下迭合的结构，X轴定位精度不但受X轴导轨导向精度、滑块刚度、导轨精度保持性等因素的影响，还受Y轴定位精度的影响；而X轴上的滑块重量和承载物重量都由Y轴滑块承担，致使Y轴滑块或导轨变形，影响Y轴的定位精度；X轴和Y轴定位精度相互影响，限制了二维工作台的定位精度。因此，研究一种超精密工作台结构，其定位精度不受导轨重量、滑块重量和承载物重量影响，X轴和Y轴定位精度互不影响，系统刚度高，精度保持性好，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供定位精度不受导轨重量、滑块重量和承载物重量影响的超精密工作台结构原理，设计一种X轴和Y轴定位精度互不影响，系统刚度高，精度保持性好的二维超精密工作台结构。
就工作台的结构原理而言，它是在真空负压的气体静压超精密导轨技术基础上，X轴和Y轴的滑块都直接气浮于同一个基座上表面，并利用X轴和Y轴滑块的真空负压设计限制其沿Z轴的移动和绕X轴和Y轴的转动。X轴为封闭式气体静压导轨，限制其沿Y轴的移动和绕X轴和Z轴的转动；Y轴为封闭式气体静压导轨，限制其沿X轴的移动和绕Y轴和Z轴的转动。两条平行的Y轴导轨和滑块实质是延长了滑块的长度，加大了误差的均化作用，提高了导轨的导向精度和二维工作台的稳定性。H型结构使得X轴导轨固定在两条平行的Y轴滑块上，维持X轴和Y轴的角度精度。这种结构避免了滑块重量和承载物重量导致导轨变形影响各轴定位精度；X轴和Y轴定位精度互不影响，避免了误差叠加效应；系统刚度高，精度保持性好。
一种H型二维超精密工作台结构，X轴滑块环抱在X轴导轨上；X轴导轨的两端固定在两条Y轴滑块上；Y轴滑块环抱在Y轴导轨上；Y轴导轨通过导轨垫固定在基座上；X轴滑块的两内侧面有压缩气体气流小孔，X轴导轨的两侧面与X轴滑块的两内侧面间维持固定的气膜间隙；Y轴滑块的两内侧面有压缩气体气流小孔，Y轴导轨的两侧面与Y轴滑块的两内侧面间维持固定的气膜间隙；X轴滑块的下底面有压缩气体气流小孔、真空腔、真空吸附气流孔，Y轴滑块的下底面有压缩气体气流小孔、真空腔、真空吸附气流孔；
其特征在于：X轴滑块和Y轴滑块都设计为对称的封闭式结构，X轴滑块和Y轴滑块都与基座的上表面间维持固定的压缩气体气膜间隙；X轴导轨上表面与X轴滑块内上表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量，X轴导轨下表面与X轴滑块内下表面间间隙不小于X轴导轨因自身重量导致的变形量；Y轴导轨上表面与Y轴滑块的内上表面间间隙不小于Y轴导轨因自身重量和X轴导轨重量导致的变形量之和，Y轴导轨下表面与Y轴滑块的内下表面间隙不小于Y轴导轨因自身重量和X轴导轨重量导致的变形量之和。
本发明的技术方案如示意图图4a和图4b所示，本发明的H型二维超精密工作台结构，其实现办法在于：
是将内有真空腔的X轴滑块22和Y轴滑块27气浮于基座1上，当通有压缩气体时，X轴滑块22与基座17上表面形成静压气浮状态，Y轴滑块27与基座17上表面形成静压气浮状态；X轴导轨25的两端固定在两条Y轴滑块27上；Y轴导轨21通过导轨垫28固定在基座17上；当通有压缩气体时，X轴导轨25在其沿Y向的两侧面与X轴滑块22在其沿Y向的两内侧面形成静压气浮状态，X轴滑块22可沿X轴导轨25在X向上运动；X轴导轨25的上下两表面不作为导向面；X轴滑块22的上表面即可作为载物台面(工作面)，承载物可放置于上；当通有压缩气体时，Y轴导轨21仅在其两侧面与Y轴滑块27的两内侧面形成静压气浮状态，Y轴导轨21的上下两表面不作为导向面；X轴驱动部件26(例如直线电机)的定子与X轴导轨25刚性连接，X轴驱动部件26的动子与X轴滑块22连接；Y轴驱动部件18(例如直线电机)的定子固定在基座17上，Y轴驱动部件18的动子与Y轴滑块27连接；X轴测量元件24(例如长光栅、激光干涉仪或其他精密测长传感器等)获取工作面在X向的位置和运动信号；Y轴测量元件20(例如长光栅、激光干涉仪或其他精密测长传感器等)获取工作面在Y向的位置和运动信号。
本发明的运动特点是，X轴驱动部件26驱动X轴滑块22沿X轴导轨25运动，X轴滑块22带动承载物在X方向上运动，X轴测量元件24测量X轴滑块22及承载物在X方向上的位置；Y轴驱动部件18驱动Y轴滑块27沿Y轴导轨21运动，并带动与其相连的X轴导轨25运动，从而带动X轴滑块22及承载物在Y方向上运动，Y轴测量元件20测量Y轴滑块27的位置，该位置亦即X轴滑块22及承载物在Y方向上的位置。
X轴滑块22的两内侧面被设计为气流小孔(例如节流孔、多孔质材料的孔等)，该两侧面与X轴导轨25的两侧面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成静压气浮状态，维持X轴滑块22和X轴导轨25在Y方向上的平衡，限制X轴滑块22沿Y方向移动和绕X轴和Z轴的转动。X轴滑块22的下底面被设计为有气流小孔和真空腔的结构，与基座17的上表面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成气浮状态，而真空腔23在真空发生和调节装置的作用下产生真空吸附力，此真空吸附力与气浮压力、X向滑块重力和承载物重力等维持平衡，限制X轴滑块22沿Z方向上的移动及绕X轴和Y轴的转动。从而保证X轴滑块22的精确定位。
Y轴滑块27的两内侧面被设计为气流小孔(例如节流孔、多孔质材料的孔等)，该两侧面与Y轴导轨21的两侧面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成静压气浮状态，维持Y轴滑块27和Y轴导轨21在X方向上的平衡，限制Y轴滑块27沿X方向上的移动和绕Y轴和Z轴的转动。Y轴滑块27的下底面被设计为有气流小孔和真空腔的结构，与基座17的上表面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成气浮状态，而真空腔19在真空发生和调节装置的作用下产生真空吸附力，此真空吸附力与气浮压力、Y向滑块重力、X向导轨重力、X向滑块重力和承载物重力等维持平衡，限制Y轴滑块27沿Z方向上的移动及绕X轴和Y轴的转动。从而保证Y轴滑块27的精确定位。
本发明的H型二维超精密工作台结构，与现有结构相比，具有以下明显的优势和有益效果：
1，所有滑块和承载物的重量都直接作用于基座上表面上，避免了滑块重量、承载物重量导致导轨弯曲变形，定位精度不因滑块位置变化而变化，精度保持性好；
3，避免了X轴滑块重量、承载物重量导致的Y轴滑块变形，Y轴定位精度高，X轴和Y轴之间的角度精度高，精度保持性好；
2，封闭式滑块结构设计，滑块刚度高，不易变形，X轴和Y轴之间的角度精度高，精度保持性好；
4，X轴滑块和Y轴滑块同在一个平面上运动，X轴和Y轴定位精度互不影响，消除了各轴间的误差叠加，实现二维超精密定位。
附图说明
图1a为传统的二维超精密工作台结构示意图；
图1b为图1a的俯视图；
图中1a和图1b中，1为基座，2为Y轴驱动装置，3为Y轴导轨，4为Y轴滑块，5为Y轴位置测量元件，6为X轴位置测量元件，7为X轴滑块，8为X轴驱动装置，9为X轴导轨。
图2a为传统的二维超精密工作台的闭式导轨原理示意图；
图2b为图2a沿A-A处的剖视图；
图2a和图2b中：10为滑块，11为导轨，12为导轨垫，。
图3a为传统的二维超精密工作台的开式导轨原理示意图；
图3b为图3a的左视图；
图3a和图3b中：13为滑块，14为导轨，15为基座，16为磁极对，箭头所指为压缩气体气流方向。
图4a为本发明的H型二维超精密工作台结构原理示意图；
图4b为图4a的俯视图。
图4a和图4b中：17为基座，18为Y轴驱动部件，19为真空腔，20为Y轴测量元件，21为Y轴导轨，22为X轴滑块，23为真空腔，24为X轴测量元件，25为X轴导轨，26为X轴驱动部件，27为Y轴滑块，28为Y轴导轨垫。
具体实施方式
下面结合附图4a和图4b对本发明作进一步说明：
结构说明：内有真空腔的X轴滑块22和Y轴滑块27气浮于基座17上，当通有压缩气体时，X轴滑块22与基座17上表面形成静压气浮状态，Y轴滑块27与基座17上表面形成静压气浮状态；X轴导轨25的两端与Y轴滑块27刚性连接；Y轴导轨21通过导轨垫28固定在基座17上；X轴滑块22环抱在X轴导轨25上；Y轴滑块27环抱在Y轴导轨21上；X轴驱动部件26(本实施例为直线电机)的定子与X轴导轨25刚性连接，X轴驱动部件26的动子与X轴滑块22连接；Y轴驱动部件18(本实施例为直线电机)的定子与基座17刚性连接，Y轴驱动部件18的动子与Y轴滑块27连接；X轴测量元件24(本实施例为长光栅)的标尺部分(本实施例为光栅尺)固定在X轴导轨21上，X轴测量元件24的传感部分(本实施例为光栅读数头)固定在X轴滑块22上；Y轴测量元件20(本实施例为长光栅)的标尺部分(本实施例为光栅尺)固定在Y轴导轨21上，Y轴测量元件20的传感部分(本实施例为光栅读数头)固定在Y轴滑块27上。
结构工作原理：X轴驱动部件26驱动X轴滑块22沿X轴导轨25运动，X轴滑块22带动承载物在X方向上运动，X轴测量元件24测量X轴滑块22及承载物的位置；Y轴驱动部件18驱动Y轴滑块27沿Y轴导轨21运动，并带动与其相连的X轴导轨25运动，从而带动X轴滑块22及承载物在Y方向上运动，Y轴测量元件20测量Y轴滑块27的位置，该位置亦即X轴滑块22及承载物在Y向的位置。X轴滑块22的两内侧面有压缩气体气流小孔(本实施例为节流孔)，该两侧面与X轴导轨25的两侧面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成静压气浮状态，维持X轴滑块22和X轴导轨25在Y方向上的平衡，限制X轴滑块22沿Y方向移动和绕X轴和Z轴的转动；X轴导轨25的上下两表面不作为导向面；X轴滑块22的上表面即可作为载物台面，承载物可放置于上；X轴滑块22的下底面为有气流小孔和真空腔的结构，与基座17的上表面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成气浮状态，而真空腔23在真空发生和调节装置的作用下产生真空吸附力，此真空吸附力与气浮压力、X向滑块重力和承载物重力等维持平衡，使得X轴滑块22与基座17的上表面间维持固定的气膜间隙，限制X轴滑块22沿Z方向上的移动及绕X轴和Y轴的转动。
Y轴滑块27的两内侧面有压缩气体气流小孔(本实施例为节流孔)，该两侧面与Y轴导轨21的两侧面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成静压气浮状态，维持Y轴滑块27和Y轴导轨21在X方向上的平衡，限制Y轴滑块27沿X方向上的移动和绕Y轴和Z轴的转动；Y轴导轨21的上下两表面不作为导向面；Y轴滑块27的下底面被设计为有气流小孔和真空腔的结构，与基座17的上表面配合，在压缩气体的气浮压力下，形成气浮状态，而真空腔19在真空发生和调节装置的作用下产生真空吸附力，此真空吸附力与气浮压力、Y向滑块重力、X向导轨重力、X向滑块重力和承载物重力等维持平衡，使得Y轴滑块27与基座17的上表面间维持固定的气膜间隙，限制Y轴滑块27沿Z方向上的移动及绕X轴和Y轴的转动。
X轴测量元件24获取工作面在X向的位置和运动信号；Y轴测量元件20获取工作面在Y向的位置和运动信号。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。