本文來自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年7月刊雜志，原標題為：優(yōu)化性能的精確定位系統(tǒng)

最新適用于真空環(huán)境的運動控制裝置，為超高真空系統(tǒng)原始設備制造商的設計人員，提供了一種更為廣泛的產(chǎn)品開發(fā)能力。

目前，市場上苛刻的真空應用環(huán)境包括：半導體生產(chǎn)制造、航空航天、生命科學、醫(yī)療、納米技術、光電、電信等行業(yè)。專門為真空環(huán)境下的安全運營制造的運動控制產(chǎn)品，可以為上述環(huán)境提供關鍵功能。這些系統(tǒng)的關鍵特性包括：適用于真空環(huán)境下的材料和組裝細節(jié)、電機、和具有特定材料和熱性能的電子組件，對加熱烘烤的適應性，清潔環(huán)境的準備以及可以避免污染的運輸經(jīng)驗等等。

經(jīng)驗豐富的運動控制提供商，會深入了解真空應用的方方面面，確保能夠考慮到所有細節(jié)。一方面，真空室提供的空間有限，因此需要緊湊的設計。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計。

但是某些電子部件，比如，馬達、終端和室內(nèi)開關、解碼器讀取磁頭等，則必須安裝在真空室內(nèi)，因此必須進行專門的設計才能適應真空環(huán)境，以便能夠承受真空室運行時大范圍的溫度波動。

除了最基本的材料選擇以及表面處理，定位工作臺在組裝時，必須重點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，可能會延緩真空的建立，甚至會導致無法建立真空。孔或螺絲都需要排氣。通過螺栓連接時（比如帶加強肋的結(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?shù)拇胧?，快速排放縫隙的氣體（比如排放通道）。

選擇適當?shù)牟考?，特別是驅(qū)動元件，非常重要。尤其重要的一點是，需要考慮運行過程中產(chǎn)生的熱量，因為在真空環(huán)境下熱量的耗散非常困難。因此，了解規(guī)劃的工作過程，對選擇來說十分重要。這就需要對所選單部件的熱性能提前進行測試。

圖中所示為光束應用的多軸超高真空定位系統(tǒng)的干涉儀測試。

機動化使得真空室內(nèi)部件的調(diào)整非常方便，可以進行掃描、探尋、按規(guī)定路線運動等操作。根據(jù)不同應用對于類似絕對位置精度、最小增量運動、雙向可重復性以及到達位置穩(wěn)定性等指標的具體需求，我們很容易選擇出最適合的運動控制系統(tǒng)。還有一點很重要，就是與那些擁有廣泛而深入的運動控制技術和解決方案的供應商合作。

步進電機是非常通用的一種磁性電機，無需電刷，這對于真空環(huán)境下的除氣以及電機的壽命都是優(yōu)勢。它提供了一種內(nèi)在的吸持力，根據(jù)不同應用的需求，可以運行在很多模式下。步進電機或真空工作臺一般使用特殊的兩相步進電機，可以穩(wěn)定的運行在10-9hpa環(huán)境下，避免產(chǎn)生在日常應用中步進電機常見的與真空環(huán)境不相容的問題。例如，用于真空運行的兩相步進電機，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，對真空室內(nèi)使用的適用度不高。有刷DC伺服電機，通常并不是一個好的選擇，因為它不可避免的會產(chǎn)生電弧，導致氣體釋放，在電暈區(qū)域形成危險的電流路徑。與之類似，磁線性電機會導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。

減少或者消除潤滑意味著，在一般情況下，電動化的真空工作站， 與試驗室或生產(chǎn)加工用的同類模型相比，具有更低的速度，更短的服務壽命。

壓電技術則提供了另外一種類型的運動驅(qū)動技術，非常適合在真空環(huán)境下使用，事實上，壓電驅(qū)動元件（以及部署它們的柔性機構(gòu)）在運行時，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用的“心臟”，比如在縮微平版印刷術中，電壓產(chǎn)生快速的材料擴張，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以下。

壓電驅(qū)動單軸或多軸掃描工作臺，將納米級的精度和導向精度結(jié)合起來，而且相互干擾很小。這使其特別適合于計量工程的參考標準、微觀工藝、干涉技術、半導體芯片生產(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)被應用于各種不同的電機創(chuàng)新設計中，這些最新的電機設計消除了微小位移的缺點。某些壓電電機可以提供毫米級的位移，但是仍然具有亞納米級的位置精度，其中，壓電堆疊聲名顯赫。

不管驅(qū)動原理如何，只要對接線絕熱等細節(jié)問題稍加注意，所有的壓電電機都可以應用于真空環(huán)境。因為既不會產(chǎn)生磁場，也不會受到磁場的影響，壓電電機還可以用于高磁場環(huán)境，如磁共振成像。壓電電機適用于超高真空環(huán)境下，尤其是在需要耐輻射以及行程范圍在毫米級以內(nèi)時，更是如此。

步進電機就是一種典型的壓電電機,它僅依靠布置在桿上的多個壓電電機的靜態(tài)摩擦觸點。當需要前進時，執(zhí)行器被提升，離開桿，減少了磨損和損耗。這些驅(qū)動具有非常高的精度，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)境下工作臺以及執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)，可以用于六軸六足系統(tǒng)，比如那些專門為高磁場應用而設計的裝置。

適用于超高真空的電磁式步進旋轉(zhuǎn)電機。

多軸運動可以使用經(jīng)典的單線性和旋轉(zhuǎn)工作臺的堆疊，或者使用更為緊湊和簡練的并聯(lián)動力學方法。兩種基本的設計比較常見：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、更大的負載能力、更大的角行程范圍、更小的表面積。SpaceFab常見優(yōu)點包括虛擬旋轉(zhuǎn)中心點。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/不斷的刷掃。

一個六軸微定位和對準系統(tǒng)，就是例子，它可以在六個自由度范圍內(nèi)，提供高精度、亞微米級的運動。它專門為真空環(huán)境設計，可以提供最大可達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)點在于，它非常緊湊。對于真空室中的應用來講，空間是第一位的，因此這是最大的優(yōu)點。很多應用還有穿孔，這對光學應用方面的設計非常有利。典型的應用主要集中在半導體技術、多軸光學對齊、X-射線顯微鏡、X-射線單色儀等領域。

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