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真空运动系统

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Vacuum Motion Systems
真空运动系统
  在纳米精度的真空平台和机器人系统方面,ALIO已迅速成为世界领导者。除气浮导轨系统外,ALIO的其他产品均适用于超高真空环境。用于高真空(10-7托)和超高真空(10-10托)环境的各种平台和系统如线性、旋转、中空XY、Hexapod、Tripod和测角器等,所有的超低出气材料和部件都经过精心准备和烘烤。

  在尖端科技行业中,要求运动尺度越来越小已成为共同趋势,相应地纳米运动管理更加普及深入。在众多对定位敏感的行业,如光纤、生物医学、微型机械、电子、半导体、能源、光学、航空航天、同步加速器等等,这种趋势是很普遍的。

  纳米定位应用要求非常苛刻,当运动处于真空下,或要求延长行程、重复性更精细、速度更高、正常运行时间更长、成本更低时,就更增加了复杂程度。

  要使各组件完美而协调地一起工作以达到纳米精度,在加工和选择组件上的挑战不容低估。驱动机构、导轨、反馈系统、运动控制器、运动结构和环境均需要设计完善,以满足在大气或真空环境的纳米精度。真空环境下的挑战会随真空度、定位性能、出气的不同而变化。

  • 高真空运动系统
  • 超高真空运动系统

材料选择

Material Selection
材料选择
  对于真空运动系统,设计首要考虑导轨材料和机构。材料通常选择6061裸铝和300或400系列的不锈钢。没有研磨或抛光的加工铝能吸收空气或污染物,可很好地工作,是最具成本效益的材料。甚至阳极氧化平台也能用于低真空(10-3托)应用。鉴于真空下最精密的导轨是由400不锈钢制成的,因此在一些温度会变化的应用或实验中,运动系统推荐使用300或400不锈钢。这样,导轨和结构就会以同一膨胀率变化,以保持导轨的预压力。

  真空下的平台所使用的其他常用材料包括铁、铜、镍、钛和陶瓷,这些材料在真空下都能良好工作,但由于热膨胀系数的原因会导致导轨偏离而降低精度。

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驱动机构

Drive Mechanism
驱动机构
  使用滚珠丝杠驱动的平台,若使用伺服马达,则位置反馈配备线性或旋转编码器,若使用步进电机,定位通常依赖于马达的分辨率。这些平台非常适合高负载、高速率、低于0.5微米精度的应用场合。由于散热或螺杆润滑的挑战,这些平台更适合在标准气压下工作,而不是真空环境。这些马达通常限于在低于10-7托的低真空下使用。

  使用线性马达驱动的平台,速度、加速度优异,免维护周期以数百万计。这些马达是线性的三相无刷电机,又称交流伺服马达,其马达线圈在直线磁性导轨上运动。物理尺寸决定了直线电机具有高推力。该类平台更适合用于一般大气压,在中高占空比应用中需要热损耗。

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  压电驱动的平台,有三种:压电堆、压电杆和线性压电伺服马达。压电堆非常适合用于行程小于100微米时的1纳米定位;压电杆可提高行程,但由于金属与陶瓷接触和机械滞后,会降低寿命和精度;压电伺服马达,其运动独特,可保持纳米精度,而不会产生机械滞后,行程不限。

  压电马达驱动平台还有一些显著的性能特点:建立时间短(通常为2毫秒)、恒定速度范围大(从小于1微米/秒到250毫米/秒,变化率小于0.5%)、无驱动惯性、无伺服抖动、无滞后。鉴于材料发热非常小和工作温度范围大,该平台非常适合用于超高真空环境(1-10托)。

位置反馈

Position Feedback
位置反馈
  真空室中的位置反馈系统得经过特别设计,以确保性能和不出气。

  基于读取物理尺的光学编码器分辨率可至纳米级。虽然物理尺的栅距为20微米,但信号有足够的信噪比,可细分至纳米级(根据细分器可达2.5纳米到5纳米)。这类编码器可在要求成本和重复性的应用中很好地工作。

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  提升光学编码器的性能可采用一种新颖的尺子,其栅距虽然同为20微米,但这种尺子是直接蚀刻不锈钢环(旋转)或镀镍铟钢(线性)上。铟钢尺经干涉仪校准的加工后,其重复性和精度接近激光。相比其他尺子,铟钢尺能极大地减少热影响。

  在光学编码器之上,还可使用激光干涉仪,其分辨率可达38皮米。在匹配的机械系统上,这能使定位稳定性达到压纳米级。在两轴系统上采用平面镜光学方案可消除阿贝误差。采用激光干涉仪的另一好处是只需将平面镜置于真空室中。

  根据测量需要,在真空室内的平台和真空壁之间可放置一镜子用于测量。另外,也可在2个平面镜之间采用差分测量方案,这能消除平台和仪器之间的所有共模噪声源。

精密导轨

Precision Bearings
精密导轨
  机械导轨适用与真空应用,包括循环滚珠导轨、直线滚珠导轨、直线陶瓷滚珠导轨和交叉滚柱导轨。用于真空室的气浮导轨目前还在开发中。

  所有的机械导轨都需要润滑,除非运动占空比和行程都很小。能持续保证小于100纳米精度的只有交叉滚柱导轨和气浮导轨。由于气浮导轨尚未产业化,目前只讨论交叉滚柱导轨。

  交叉滚柱导轨有很多精密等级,为确保精度,必须使用最高级的导轨。质量越好,运动越平滑,摩擦越小,直线偏离度也越小。我们已成功将无需润滑的高品质的400不锈钢导轨用于低运动占空比的应用中,但不推荐用于长期工作或高运动占空比下。我们将进一步讨论各种湿式、干式湿润滑产品,其相关数据由美国阿贡国家实验室提供。

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润滑

  真空中可使用湿式、干式润滑剂。最常用于机械导轨和螺杆系统的是Krytox(杜邦)。各种润滑剂都能使平台工作良好,但必须小心使用,否则会使导轨打滑或发涩。我们会根据应用和客户偏好来选用各种规格的杜邦润滑油。敷上薄层干式润滑剂比较容易操作,能得到较低的摩擦和平滑的运动。用于超高真空的干式润滑剂有很多,但经我们使用并相当成功的是这两种类型的:二硫化钼和二硫化钨。

真空出气特性

  型号为AI-HR4-2500E-UHV的平台,在美国阿贡国家实验室经过了一系列实验测试以鉴定其真空特性,在测试序列中测量出气率和残留气体的光谱,使用的是二硫化钨干式润滑剂。

  出气率的测量采用简单的上升率法:由系统体积和超过1分钟的压升计算出气率。该测试要在多点测试。

运动结构

  纳米科学中对真空下的多轴系统需求越来越多,1轴、2轴、3轴或4轴的串行运动可工作良好,但其设计和加工至关重要,需减少正弦、余弦、正交堆叠平台等方面的误差。若整合马达、导轨、材料结构时设计有误,那么共振就会出现。

  当要求5轴以上的极高精度时,并联运动解决方案是最优选择,可以大大减少串行运动方案的误差。

  相比串行运动,并联运动系统通常占用的宝贵空间更少。可正反向运动的Hexapod,在速率和路径轨迹方面运动性能出色。限于堆叠平台带来的亚微米级误差带,串行运动无法做到这一点。

总结

  纳米精度的运动系统包含很多关键组件,必须紧密协调。当应用与超高真空时,更是必须小心地重新设计,以确保散热、出气和精密运动。

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