真空环境门槛高，运动控制装置怎样才能进入其中工作呢？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年7月刊杂志，原标题为：优化性能的精确定位系统
最新适用于真空环境的运动控制装置，为超高真空系统原始设备制造商的设计人员，提供了一种更为广泛的产品开发能力。
目前，市场上苛刻的真空应用环境包括：半导体生产制造、航空航天、生命科学、医疗、纳米技术、光电、电信等行业。专门为真空环境下的安全运营制造的运动控制产品，可以为上述环境提供关键功能。这些系统的关键特性包括：适用于真空环境下的材料和组装细节、电机、和具有特定材料和热性能的电子组件，对加热烘烤的适应性，清洁环境的准备以及可以避免污染的运输经验等等。
经验丰富的运动控制提供商，会深入了解真空应用的方方面面，确保能够考虑到所有细节。一方面，真空室提供的空间有限，因此需要紧凑的设计。一些电子器件的子系统，比如控制器或放大器，不能在真空环境下使用，所以必须将其布置在真空室的外面，这就需要考虑真空室的出入以及电缆布线设计。
但是某些电子部件，比如，马达、终端和室内开关、解码器读取磁头等，则必须安装在真空室内，因此必须进行专门的设计才能适应真空环境，以便能够承受真空室运行时大范围的温度波动。
除了最基本的材料选择以及表面处理，定位工作台在组装时，必须重点考虑消除可能聚集空气的缝隙。缝隙可以缓慢的释放聚集的空气。这些被称之为虚假泄露，可能会延缓真空的建立，甚至会导致无法建立真空。孔或螺丝都需要排气。通过螺栓连接时（比如带加强肋的结构通过螺栓连接在一起），必须避免在表面之间形成缝隙，或者采取适当的措施，快速排放缝隙的气体（比如排放通道）。
选择适当的部件，特别是驱动元件，非常重要。尤其重要的一点是，需要考虑运行过程中产生的热量，因为在真空环境下热量的耗散非常困难。因此，了解规划的工作过程，对选择来说十分重要。这就需要对所选单部件的热性能提前进行测试。
图中所示为光束应用的多轴超高真空定位系统的干涉仪测试。图片来源：PI miCos
机动化使得真空室内部件的调整非常方便，可以进行扫描、探寻、按规定路线运动等操作。根据不同应用对于类似绝对位置精度、最小增量运动、双向可重复性以及到达位置稳定性等指标的具体需求，我们很容易选择出最适合的运动控制系统。还有一点很重要，就是与那些拥有广泛而深入的运动控制技术和解决方案的供应商合作。
步进电机是非常通用的一种磁性电机，无需电刷，这对于真空环境下的除气以及电机的寿命都是优势。它提供了一种内在的吸持力，根据不同应用的需求，可以运行在很多模式下。步进电机或真空工作台一般使用特殊的两相步进电机，可以稳定的运行在10-9hpa环境下，避免产生在日常应用中步进电机常见的与真空环境不相容的问题。例如，用于真空运行的两相步进电机，一般使用不锈钢外壳，自主的加热到120摄氏度，以便排除空气。
其它常用的电机，对真空室内使用的适用度不高。有刷DC伺服电机，通常并不是一个好的选择，因为它不可避免的会产生电弧，导致气体释放，在电晕区域形成危险的电流路径。与之类似，磁线性电机会导致明显的加热管理问题，所以通常也要避免在真空环境下使用此类电机。
减少或者消除润滑意味着，在一般情况下，电动化的真空工作站， 与试验室或生产加工用的同类模型相比，具有更低的速度，更短的服务寿命。
压电技术则提供了另外一种类型的运动驱动技术，非常适合在真空环境下使用，事实上，压电驱动元件（以及部署它们的柔性机构）在运行时，根本不需要任何润滑。例如，压电执行器，在低温范围内（最低至-271摄氏度），展现了良好的纳米级可控偏置。
这些执行器消除了不适合在真空环境下使用的聚合物保温材料（通常情况下，这些材料用于压电叠堆），取而代之以先进的陶瓷封装，这些陶瓷天生就适合于真空环境。这些堆叠在很多超精应用的“心脏”，比如在缩微平版印刷术中，电压产生快速的材料扩张，尽管行程范围很小，但是这种变形可以被精确的控制到纳米级以下。
压电驱动单轴或多轴扫描工作台，将纳米级的精度和导向精度结合起来，而且相互干扰很小。这使其特别适合于计量工程的参考标准、微观工艺、干涉技术、半导体芯片生产中的巡检系统等。
除了最常见的压电陶瓷堆叠，压电陶瓷已经被应用于各种不同的电机创新设计中，这些最新的电机设计消除了微小位移的缺点。某些压电电机可以提供毫米级的位移，但是仍然具有亚纳米级的位置精度，其中，压电堆叠声名显赫。
不管驱动原理如何，只要对接线绝热等细节问题稍加注意，所有的压电电机都可以应用于真空环境。因为既不会产生磁场，也不会受到磁场的影响，压电电机还可以用于高磁场环境，如磁共振成像。压电电机适用于超高真空环境下，尤其是在需要耐辐射以及行程范围在毫米级以内时，更是如此。
步进电机就是一种典型的压电电机,它仅依靠布置在杆上的多个压电电机的静态摩擦触点。当需要前进时，执行器被提升，离开杆，减少了磨损和损耗。这些驱动具有非常高的精度，甚至要低于1纳米。由于体积较小，使其非常适合于真空度低至10-9hPa环境下工作台以及执行器的驱动系统，可以用于六轴六足系统，比如那些专门为高磁场应用而设计的装置。
适用于超高真空的电磁式步进旋转电机。图片来源：Phytron
多轴运动可以使用经典的单线性和旋转工作台的堆叠，或者使用更为紧凑和简练的并联动力学方法。两种基本的设计比较常见：六足定位器和SpaceFab。
在XY平面内，六足定位器的行程要小于SpaceFab，但是却具有更高的刚度、更大的负载能力、更大的角行程范围、更小的表面积。SpaceFab常见优点包括虚拟旋转中心点。有些生产制造商特别集成了电缆管理，从而消除了电缆的移动/不断的刷扫。
一个六轴微定位和对准系统，就是例子，它可以在六个自由度范围内，提供高精度、亚微米级的运动。它专门为真空环境设计，可以提供最大可达45mm（线性）和25度（旋转）的位移。
和传统的六轴工作站堆叠相比，六足定位器最大的优点在于，它非常紧凑。对于真空室中的应用来讲，空间是第一位的，因此这是最大的优点。很多应用还有穿孔，这对光学应用方面的设计非常有利。典型的应用主要集中在半导体技术、多轴光学对齐、X-射线显微镜、X-射线单色仪等领域。
作者：Scott Jordan