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本文來自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年7月刊雜志，原標(biāo)題為：優(yōu)化性能的精確定位系統(tǒng)
最新適用于真空環(huán)境的運(yùn)動(dòng)控制裝置，為超高真空系統(tǒng)原始設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)人員，提供了一種更為廣泛的產(chǎn)品開發(fā)能力。 目前，市場(chǎng)上苛刻的真空應(yīng)用環(huán)境包括：半導(dǎo)體生產(chǎn)制造、航空航天、生命科學(xué)、醫(yī)療、納米技術(shù)、光電、電信等行業(yè)。專門為真空環(huán)境下的安全運(yùn)營制造的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，可以為上述環(huán)境提供關(guān)鍵功能。這些系統(tǒng)的關(guān)鍵特性包括：適用于真空環(huán)境下的材料和組裝細(xì)節(jié)、電機(jī)、和具有特定材料和熱性能的電子組件，對(duì)加熱烘烤的適應(yīng)性，清潔環(huán)境的準(zhǔn)備以及可以避免污染的運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)等等。 1定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)動(dòng)控制提供商，會(huì)深入了解真空應(yīng)用的方方面面，確保能夠考慮到所有細(xì)節(jié)。一方面，真空室提供的空間有限，因此需要緊湊的設(shè)計(jì)。一些電子器件的子系統(tǒng)，比如控制器或放大器，不能在真空環(huán)境下使用，所以必須將其布置在真空室的外面，這就需要考慮真空室的出入以及電纜布線設(shè)計(jì)。 但是某些電子部件，比如，馬達(dá)、終端和室內(nèi)開關(guān)、解碼器讀取磁頭等，則必須安裝在真空室內(nèi)，因此必須進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)才能適應(yīng)真空環(huán)境，以便能夠承受真空室運(yùn)行時(shí)大范圍的溫度波動(dòng)。 除了最基本的材料選擇以及表面處理，定位工作臺(tái)在組裝時(shí)，必須重點(diǎn)考慮消除可能聚集空氣的縫隙。縫隙可以緩慢的釋放聚集的空氣。這些被稱之為虛假泄露，可能會(huì)延緩真空的建立，甚至?xí)?dǎo)致無法建立真空?？谆蚵萁z都需要排氣。通過螺栓連接時(shí)（比如帶加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)通過螺栓連接在一起），必須避免在表面之間形成縫隙，或者采取適當(dāng)?shù)拇胧?，快速排放縫隙的氣體（比如排放通道）。 選擇適當(dāng)?shù)牟考?，特別是驅(qū)動(dòng)元件，非常重要。尤其重要的一點(diǎn)是，需要考慮運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境下熱量的耗散非常困難。因此，了解規(guī)劃的工作過程，對(duì)選擇來說十分重要。這就需要對(duì)所選單部件的熱性能提前進(jìn)行測(cè)試。
機(jī)動(dòng)化使得真空室內(nèi)部件的調(diào)整非常方便，可以進(jìn)行掃描、探尋、按規(guī)定路線運(yùn)動(dòng)等操作。根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)于類似絕對(duì)位置精度、最小增量運(yùn)動(dòng)、雙向可重復(fù)性以及到達(dá)位置穩(wěn)定性等指標(biāo)的具體需求，我們很容易選擇出最適合的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。還有一點(diǎn)很重要，就是與那些擁有廣泛而深入的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和解決方案的供應(yīng)商合作。 步進(jìn)電機(jī)是非常通用的一種磁性電機(jī)，無需電刷，這對(duì)于真空環(huán)境下的除氣以及電機(jī)的壽命都是優(yōu)勢(shì)。它提供了一種內(nèi)在的吸持力，根據(jù)不同應(yīng)用的需求，可以運(yùn)行在很多模式下。步進(jìn)電機(jī)或真空工作臺(tái)一般使用特殊的兩相步進(jìn)電機(jī)，可以穩(wěn)定的運(yùn)行在10-9hpa環(huán)境下，避免產(chǎn)生在日常應(yīng)用中步進(jìn)電機(jī)常見的與真空環(huán)境不相容的問題。例如，用于真空運(yùn)行的兩相步進(jìn)電機(jī)，一般使用不銹鋼外殼，自主的加熱到120攝氏度，以便排除空氣。 其它常用的電機(jī)，對(duì)真空室內(nèi)使用的適用度不高。有刷DC伺服電機(jī)，通常并不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)樗豢杀苊獾臅?huì)產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致氣體釋放，在電暈區(qū)域形成危險(xiǎn)的電流路徑。與之類似，磁線性電機(jī)會(huì)導(dǎo)致明顯的加熱管理問題，所以通常也要避免在真空環(huán)境下使用此類電機(jī)。 減少或者消除潤滑意味著，在一般情況下，電動(dòng)化的真空工作站， 與試驗(yàn)室或生產(chǎn)加工用的同類模型相比，具有更低的速度，更短的服務(wù)壽命。 壓電技術(shù)則提供了另外一種類型的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，非常適合在真空環(huán)境下使用，事實(shí)上，壓電驅(qū)動(dòng)元件（以及部署它們的柔性機(jī)構(gòu)）在運(yùn)行時(shí)，根本不需要任何潤滑。例如，壓電執(zhí)行器，在低溫范圍內(nèi)（至-271攝氏度），展現(xiàn)了良好的納米級(jí)可控偏置。 這些執(zhí)行器消除了不適合在真空環(huán)境下使用的聚合物保溫材料（通常情況下，這些材料用于壓電疊堆），取而代之以先進(jìn)的陶瓷封裝，這些陶瓷天生就適合于真空環(huán)境。這些堆疊在很多超精應(yīng)用的“心臟”，比如在縮微平版印刷術(shù)中，電壓產(chǎn)生快速的材料擴(kuò)張，盡管行程范圍很小，但是這種變形可以被精確的控制到納米級(jí)以下。 壓電驅(qū)動(dòng)單軸或多軸掃描工作臺(tái)，將納米級(jí)的精度和導(dǎo)向精度結(jié)合起來，而且相互干擾很小。這使其特別適合于計(jì)量工程的參考標(biāo)準(zhǔn)、微觀工藝、干涉技術(shù)、半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)中的巡檢系統(tǒng)等。 除了最常見的壓電陶瓷堆疊，壓電陶瓷已經(jīng)被應(yīng)用于各種不同的電機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，這些最新的電機(jī)設(shè)計(jì)消除了微小位移的缺點(diǎn)。某些壓電電機(jī)可以提供毫米級(jí)的位移，但是仍然具有亞納米級(jí)的位置精度，其中，壓電堆疊聲名顯赫。 不管驅(qū)動(dòng)原理如何，只要對(duì)接線絕熱等細(xì)節(jié)問題稍加注意，所有的壓電電機(jī)都可以應(yīng)用于真空環(huán)境。因?yàn)榧炔粫?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，壓電電機(jī)還可以用于高磁場(chǎng)環(huán)境，如磁共振成像。壓電電機(jī)適用于超高真空環(huán)境下，尤其是在需要耐輻射以及行程范圍在毫米級(jí)以內(nèi)時(shí)，更是如此。 步進(jìn)電機(jī)就是一種典型的壓電電機(jī),它僅依靠布置在桿上的多個(gè)壓電電機(jī)的靜態(tài)摩擦觸點(diǎn)。當(dāng)需要前進(jìn)時(shí)，執(zhí)行器被提升，離開桿，減少了磨損和損耗。這些驅(qū)動(dòng)具有非常高的精度，甚至要低于1納米。由于體積較小，使其非常適合于真空度低至10-9hPa環(huán)境下工作臺(tái)以及執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以用于六軸六足系統(tǒng)，比如那些專門為高磁場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的裝置。
多軸運(yùn)動(dòng)可以使用經(jīng)典的單線性和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的堆疊，或者使用更為緊湊和簡(jiǎn)練的并聯(lián)動(dòng)力學(xué)方法。兩種基本的設(shè)計(jì)比較常見：六足定位器和SpaceFab。 在XY平面內(nèi)，六足定位器的行程要小于SpaceFab，但是卻具有更高的剛度、更大的負(fù)載能力、更大的角行程范圍、更小的表面積。SpaceFab常見優(yōu)點(diǎn)包括虛擬旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。有些生產(chǎn)制造商特別集成了電纜管理，從而消除了電纜的移動(dòng)/不斷的刷掃。 一個(gè)六軸微定位和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，就是例子，它可以在六個(gè)自由度范圍內(nèi)，提供高精度、亞微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)。它專門為真空環(huán)境設(shè)計(jì)，可以提供最大可達(dá)45mm（線性）和25度（旋轉(zhuǎn)）的位移。 和傳統(tǒng)的六軸工作站堆疊相比，六足定位器最大的優(yōu)點(diǎn)在于，它非常緊湊。對(duì)于真空室中的應(yīng)用來講，空間是第一位的，因此這是最大的優(yōu)點(diǎn)。很多應(yīng)用還有穿孔，這對(duì)光學(xué)應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)非常有利。典型的應(yīng)用主要集中在半導(dǎo)體技術(shù)、多軸光學(xué)對(duì)齊、X-射線顯微鏡、X-射線單色儀等領(lǐng)域。
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