专利名称：：非接触长行程多自由度纳米精密工作台的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种精密工作台，特别涉及一种采用电磁驱动器进行闭环主动控制与静压空气止推轴承混合支承的非接触长行程多自由度纳米精密工作台。
背景技术：
：近年来，半导体工艺技术不断发展，目前大规模集成电路线宽仅有数十纳米，同时为了提高工艺效率，晶元的尺寸不断增大，目前己经达到12英寸一16英寸，因此在半导体加工曝光设备中要求相应的长行程多自由度纳米精密i:作台。该工作台不仅要将晶元准确地固定在预定的位置，而且要对晶元的垂直位置和姿态实施微小调整，校准和运动控制精度进一步提高，工作环境更加苛刻。长行程多自由度纳米精fi工作台还广泛用于超精密加工与测量，如液晶显示器加工工艺设备和光学镜头加工，原子力显微镜等纳米操控系统，和光学装置校准系统等。总之，大行程多自由度纳米精密工作台是半导体加工工艺设备、超精密加工与测量和未来纳米技术发展的一项关键技术。库仑摩擦力是实现纳米精.密工作台的主要障碍，往往采用接触式的粗精两极运动方式或非接触方式，避免或极大地降低库仑摩擦。粗精两极运动方式由有库仑摩擦粗运动机构(包括回转电机驱动、丝杠螺母传动和导轨)实现大行程运动，再叠加一个无库仑摩擦电致伸縮陶瓷(PZT)达到运动控制精度的要求。粗精两极方式两个驱动器的暂态过程限制了系统总的闭环带宽，而且这种方式结构复杂，标定困难，制造成本高。静压空气悬浮或磁浮是两种实现非接触工作台的技术，由于没有接触，库仑摩擦力非常小，或者完全避免了库仑摩擦力，可以实现纳米精密工作台。首先被应用于纳米精密工作台的是静压空气导轨，实现长行程纳米精度运动。粗静两极运动方式和静压空气导轨只能实现单轴平动工作台，两轴工作台由两个相互垂直的单轴平动系统构成，体积大，结构复杂笨重，多个移动部件增大了移动质量和系统惯性，对于加工、装配和标定有很高的精度要求。为了克服以上问题，已有的研究提出了静压空气止推轴承和磁悬浮技术，这两种方式都可以实现单级即单一移动质量、长行程和多自由度的纳米精密工作台。静压空气止推轴承不需要闭环控制，工作台姿态和垂直方向3个自由度是被动的，取决于轴承的设计和加工，平面3轴由3轴平面电机驱动，实现平面3轴长行程纳米精密;工作台(H.Shinno,H.Hashizume，H.Yoshioka,andet.al.X-Y隱6nano-positinoingtablesystemforamothermachine.AnnalsoftheCIRP,.vol.53(1),pp.337-340，2004.)。磁悬浮工作台利用磁悬浮技术和平面驱动技术(CarterFM,GalburtDN,RouxS.Magneticallylevitatedanddrivenreticlemaskingbladestagemechanismhavingsixdegreesfreedomofmotion.USPatent6,906,789;2005.，李黎川，集成电路光刻设备的磁悬浮精密工件台，中国发明专利200310108549，2003)，实现6自由度长行程纳米精:蜜工作台，包括工作台姿态和垂直方向3轴和平面3轴。与磁悬浮技术相比，静压空气止推轴承工作台，不需要闭环控制，结构简单，性能稳定，被动器件不发热，分析和设计技术成熟，制造成本低，已经有了相当的工业应用。其主要缺点是，1)工作台姿态角和垂直方向位移不可控，支承精度取决于轴承的设计和加工；2)使用真空负压预载调节静压空气轴承的刚度和承载力；3)产生静压气膜的高压气体对工作台的白噪声扰动使工作台发生自激振动，具有原理性机械振动噪声，限制了运动分辨率的进一步提高。为了将主动控制和静压空气悬浮的优点结合起来，提出了电磁静压空气混合精密轴承，通过电磁驱动器对静压空气轴承进行闭环控制，实现了高回转精度(HalemKhanfir,MareBonis,PhilippeRevel.Improvingwavinessinultraprecisionturningbyoptimizingthedynamicbehaviorofaspindlewithmagneticbearings.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2005(45):841-848)。韩国科技高等学院(KAIST)SQLee和DGGweon提出了一种采用3个混合支承的三角形精密工作台(Anew3-DOFZ-tiltsmicropositioningsystemusingelectromagneticactuatorsandairbearings.PrecisionEngineering24(2000)24-31.)，每个混合支承是一个一体化的电磁驱动器与静压空气止推轴承，其支承面为圆形，在圆心安装了位移传感器，围绕圆心均匀安装了4个电磁驱动器，每个电磁驱动器由一套铁心和线圈构成，在每个电磁驱动器的中心加工了4个节流孔构成静压空气止推轴承。通过每个混合支承的位移传感器检测工作台垂直位移并进行闭环控制，实现工作台垂直位移和姿态3轴闭环控制。该工作台的主要缺点是1)由控制3个混合支承垂直位移实现工作台垂直和姿态3轴闭环控制，被控的动力学耦合给系统建摸和控制器综合与分析带来困难，影响工作台的动态性能和运动控制精度。2)为了获得载荷和动特性的对称性，工作台形状只能为等边三角形，而应用中往往要求工作台形状为对称的矩形或正方形。3)—体化的电磁驱动器与静压空气止推轴承混合支承结构复杂，设计、分析、加工、和安装困难。4)每一个混合支承有1个位移传感器和4个围绕位移传感器均匀安装的电磁驱动器，闭环控制时需将4个电磁驱动器等效为一个在圆心上的电磁驱动器进行控制，这种等效对电磁驱动器电磁参数一致性和安装精度要求很高。这些缺点限制了这种工作台的精度和实际应用。
发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种主动型电磁驱动器与静压空气止推轴承混合支承非接触长行程多自由度纳米精裙rc作台，工作台为矩形、含正方形或圆形，采用4个独立电磁驱动器和i个静压空气止推轴承气浮块，工作台在垂直方向的位移和姿态由4个位移传感器检测，进行闭环控制。本发明的技术方案是这样实现的本发明包括工作台基座，与工作台基座相配合的工作台动件，在工作台动件下表面固定有位移传感器，在工作台动件下表面还固定有线圈，位移传感器和线圈交替均匀布置。工作台动件下表面中心固定有气浮块。位移传感器输出电信号输入带有模拟量/数字量转换(A/D)和数字量/模拟量转换(D/A)的控制计算机，控制计算机输出电信号输入功率放大器，功率放大器输出电信号到线圈。其中，4个独立的线圈和4个位移传感器对称交替安装在工作台动件的支承面(与工作台基座相对的面)上，气浮块安装在同一面的中心。当高压空气经送气管由管接头通入气浮块时，在工作台基座与气浮块之间形成一个气膜，使工作台动件悬浮于工作台基座上。4个位移传感器输出工作台动件和基座的相对距离，通过与位移传感器安装位置对应的坐标变换，转换为工作台垂直位移和姿态3轴的位移反馈。3个轴的控制输出通过与线圈安装位置对应的坐标变换，转换为4个电磁驱动器线圈的电压或电流，功率放大后送至线圈，实现工作台垂直位移和姿态3轴的闭环控制。工作台基座和工作台动件均使用铁磁材料。本发明通过电磁驱动器闭环控制和静压空气止推轴承，可以对单级(单一移动质量)大行程工作台垂直位移和姿态3个轴闭环控制，电磁驱动器发热小、开环稳定，工作台控制精度分辨率提高，动特性和稳定性好，不需要真空预载。本发明同时具有静压空气止推轴承和磁悬浮工作台的优点，主要特点如下1)使用电磁驱动器对轴承垂直方向位移和姿态3轴进行闭环控制，对工作台平面3轴的行程没有限制，如果采用平面驱动技术，可以实现单级单一移动质量6自由度长行程纳米精霜工作台，移动部件质量小，结构简单；2)本发明工作台6轴性能均取决于伺服系统的性能，具有一致的运动控制性能，并随着伺服系统性能的提高而提高；3)电磁力预载，静压空气轴承的刚度和承载力等可调，无需真空预载负压；4)电磁驱动器主动控制可以抑制静压空气止推轴承的机械振动噪声，进一步提高运动分辨率。5)由于使用了静压空气止推轴承，电磁驱动器开环稳定(磁悬浮工作台开环不稳定)，所以工作台承载力大，发热小，稳定性好。图1是本发明的原理框图及座标定义图，其中，图1(a)是本发明的原理框图；图l(b)是本发明的座标定义图。图2是本发明工作台动件2支承面的示意图。具体实施例附图是本发明的具体实施例，下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明参照图1所示，本发明包括工作台基座1和与工作台基座1相配合的工作台动件2，在工作台动件2下表面固定有位移传感器3—6，在工作台动件2下表面还固定有线圈7—10，位移传感器3—6和线圈7—8交替均匀布置。工作台动件2下表面中心固定有气浮块11。位移传感器3-6输出电信号输入带有模拟量/数字量转换(A/D)和数字量/模拟量转换(D/A)的控制计算机12，控制计算机12输出电信号输入功率放大器13，功率放大器13输出电信号到线圈4-7。本发明的工作原理是工作台动件2在外部压縮空气气源给气浮块11供气的情况下，悬浮于工作台基座1上，位移传感器3—6测量工作台基座1与动件2的相对距离，位移传感器3—6输出平动位移Zl—Z4接入控制计算机12进行A/D转换，并由座标变换I计算出工作台平动位移z和角位移oc，(3，控制器依据当前位移计算出控制量电压或电流Cz，ca，Cp，加上预载力电压或电流C。，经座标变换II得到线圈7—10的控制量，经D/A转换后由控制计算机12接入功率放大器13，进行功率放大后的控制量电压或电流Cl—C4接入线圈7—10，对工作台动件2垂直平动位移z和姿态角位移a，P进行闭环控制，实现了工作台动件2的电磁驱动器和静压空气止推轴承混合支承。由位移传感器3—6输出平动位移Zi—Z4计算工作台动件2的平动位移z和角位移a，P轴当前位移的座标变换I为z=(zr^+Z3+Z4)/4a=(zi-z3)/2b(3=(z2-z4)/2a由控制量电压或电流"，Ca，Cp计算线圈8—ll控制量电压或电流C,一C4的座标变换n为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为图l(b)中线圈9、10的中心距，2b为图l(b)中线圈7、8的中心距。工作台基座1材料为含磁不锈钢，整体加工，上表面平面刮研保证平面度和光洁度，也可以使用A3钢或硅钢片，这时表面需进行防锈处理。硅钢片能抑制电磁驱动器电涡流效应，提高电磁驱动器动态响应速度，但加工困难。参照图2所示，从工作台动件2的下表面，加工了4个安装位移传感器3—6的盲孔14-17。位移传感器3—6固定完成后，其端面与工作台动件2的下表面在同一平面上。从工作台动件2的下表面，加工了4个安装线圈7—10的环形盲孔14-17，中间的圆柱18-21是线圈7—10的铁心。线圈7—10和工作台动件2上的铁心构成4个独立的电磁驱动器，电磁驱动器工作气隙为铁心圆柱顶面到工作台动件2底面的距离。电磁驱动器铁心与工作台动件2—体化加工，材料采用电工纯铁DT4，工作气隙取值范围在0.2mm-0.4mm，使得电磁驱动器的安装位置精度高，性能一致性好，输出力大，动态响应速度快，功耗小。线圈7一10固定完成后，其端面不高出工作台动件2的下表面。线圈和铁心也可以采用方形截面。工作台动件2下表面的中央是一个空腔22，在空腔22中心安装了气浮块11，固定完成后，其轴承面与工作台动件2的下表面在同一平面上。工作台动件2的四周加工了排气孔23-26使工作台动件2外部和空腔22相通，将空腔22中心气浮块11的气体排出。具体实施例中，在两个长边加工了2个直径为8mm的排气孔。如果不加工排气孔，气浮块ll排出的气体将在工作台动件2空腔外的环面和工作台基座1上表面之间进一步形成气膜，产生静压浮力作为电磁驱动器的恒定载荷，使电磁驱动器的功耗和发热增加。静压空气止推轴承也可以采用圆形截面气浮块。工作台动件2上表面是一个完整平面工作台平面。本发明对于工作台平动位移z和角位移a，p轴采用4个独立电磁驱动器通过座标变换进行主动控制。4个独立电磁驱动器是获得对称支承性能的最少个数。本发明的4个电磁驱动器是线圈7—10和加工在工作台动件2上的铁心，结构简单紧凑，在座标变换计算中引入的误差小，易于加工安装。本发明电磁驱动器的磁场集中在工作台基座1与线圈相对应的区域和工作台动件2线圈3—7周围，电磁驱动器之间的电磁耦合可以忽略不计，电磁驱动器在工作台基座1和工作台动件2以外空间产生的干扰磁场可以忽略不计。本发明采用1个独立的气浮块11构成静压空气止推轴承。静压空气止推轴承设计计算复杂，加工困难。如果在工作台动件2的支承面上加工静压空气止推轴承，则需针对工作台动件2进行专门设计计算和加工，使用气浮块11则避免了这一问题。1个独立的气浮块11安装在工作台动件2支承面的中心，保证了支承性能的对称性。本发明采用4个位移传感器3—6检测工作台动件2与工作台基座1的距离，通过座标变换转换为工作台平动位移z和角位移ot，(3轴当前位置，位移传感器3—6与线圈7—IO均匀交替布置，保证了机械对称性，有利于抑制测量误差。本发明实现的电磁驱动器与静压空气止推轴承混合支承工作台，工作台平面是一个矩形、正方形或圆形完整平面，结构简单紧凑，工作台平动位移z和角位移a，P轴主动控制，控制系统无耦合，不需真空预载，电磁驱动器开环稳定，抑制了静压空气止推轴承振动噪声，精度等性能有所提高。权利要求1、非接触长行程多自由度纳米精密工作台，包括工作台基座(1)和与工作台基座(1)相配合的工作台动件(2)，其特征在于，在工作台动件(2)下表面固定有位移传感器(3)—(6)，在工作台动件(2)下表面还固定有线圈(7)—(10)，工作台动件(2)下表面中心固定有气浮块(11)。2、根据权利l所说的纳米精蜜工作台，其特征在于，所说的位移传感器(3)-(6)和线圈(7)-(10戌替均匀布置。3、根据权利1或2所说的纳米精密工作台，其特征在于，所说的线圈(7)—(10)和加工在工作台动件(2)上的铁心(18)—(21)，分别构成4个独立的电磁驱动器。4、根据权利1或2所说的纳米精蜜工作台，其特征在于，所说的气浮块(ll)构成1个静压空气止推轴承。5、根据权利l或2所说的纳米精密工作台，其特征在于，所说的位移传感器(3)—(6)的端面与工作台动件(2)的下表面在同一平面上，工作台动件(2)上表面是一个完整平面工作台平面。6、根据权利l所说的纳米精密工作台，其特征在于，所说的工作台基座(l)和工作台动件(2)采用导磁材料。7、根据权利要求3所说的纳米精密工作台，其特征在于，从工作台动件(2)的下表面加工了4个安装线圈(7)—(10)的盲孔(14)一(17)，中间的圆柱(18)—(21)是线圈(7)—(10)的铁心，线圈(7)—(IO)固定完成后，其端面不高出工作台动件(2)的下表面，线圈(7)一(10)和工作台动件(2)上的铁心构成4个独立的电磁驱动器，电磁驱动器工作气隙为铁心圆柱顶面到工作台动件(2)底面的距离，取值范围在0.2mm-0.4mm。8、根据权利要求1所说的纳米精密工作台，其特征在于，工作台动件(2)下表面的中央是一个空腔(22)，在空腔(22)的中心安装了气浮块(ll)，固定完成后，其轴承面与工作台动件(2)的下表面在同一平面上，工作台动件(2)的四周加工了排气孔(23)—(26)使工作台动件(2)外部和空腔(22)相通。全文摘要本发明公开了一种电磁驱动器与静压空气止推轴承混合支承长行程纳米精密工作台，通过采用1个气浮块实现静压空气止推轴承；采用4个独立电磁驱动器和4个位移传感器，通过座标变换，对工作台垂直位移和姿态进行解耦的闭环控制；采用在工作台支承面上将4个独立线圈安装到与工作台一体化加工的铁心上，构成4个独立的电磁驱动器，实现了单级长行程多自由度工作台，结构简单紧凑，控制系统无耦合，对测量噪声有抑制作用，不需真空预载，电磁驱动器开环稳定，抑制了静压空气止推轴承振动噪声，精度和控制性能比静压空气止推轴承工作台高，热稳定性和工作稳定性比磁悬浮工作台高。文档编号G03F7/20GK101520606SQ20081001720公开日2009年9月2日申请日期2008年1月2日优先权日2008年1月2日发明者毛军红,谢友柏申请人:西安交通大学