【白皮书】MKS / Newport 精密运动促动器
绪论
精密运动促动器（图 1）是用于产生可重复，精确精细的线性运动的设备。在某些情况下，如当耦合到镜座上或在旋转平台上时，促动器可以产生角运动。
图 1. MKS Instruments TRA 紧凑型电动促动器
在许多光子学应用中，精密运动促动器是众多常见定位技术的（必需的）组件。这些光子学应用涵盖了采用光谱学和量子计算系统的研发级应用，以及衍生的产品级应用，如计量学、半导体检测、光纤校准、MEMS 制造、激光微加工和微型装配。精密运动促动器可被用于无论是定位应用或调节应用。只需根据应用需求的不同，采用线性电磁铁或线性压电驱动器这两种驱动方法之一来定位部件。
定位应用要求促动器是确定性装置，这种类型的装置能多次重复实现精确地移动到已知的设定的位置。定位所采用的方式通常是促动器的闭环控制，闭环控制的实现方式一般是利用促动器内部的位置编码器。在一些采用开环控制的情况下，例如，使用步进电机时，步进量或小步进量的重复性对于定位促动器的确定性至关重要。因此，在所有情况下，定位促动器应该考虑精度指标和重复性指标。调节应用通常采用具有更精细分辨率的高精度促动器，它们在开环模式下运行，内部无反馈机制，无法测量促动器运动了多少距离。调节促动器有不确定性，它们无法重复的移动到相同的位置。这类促动器通常只用作调节并使用另外的设备来监控调节量，直到达到所需求的结果。可用于监控调节应用的设备有视觉探测器或外部探测器，如位置传感器和功率计等等。
在本文中，我们将讨论根据给定的应用场景，从定位促动器和调节促动器中选择一个恰当的促动器。注意，两者的区别在于准确性和可重复性，调节促动器无法提供这些参数。
图 2. 电磁和 Picomotor 压电线性促动器
线性电磁促动器是由直流伺服或步进电机驱动的促动器设备。MKS 仪器公司的电磁促动器通过利用螺杆与导螺杆将电机的旋转运动转化为线性的位移。导螺杆具有自锁能力、低噪运动、低初始成本和广泛的材料选择的优势。
线性压电促动器根据压电陶瓷的膨胀和收缩来测量位移。MKS 仪器公司的 Picomotor 促动器利用动摩擦和静摩擦之间的差异来产生线性位移。一个类似于开口螺母两半的钳口，夹着一个精密的 80-TPI 的螺丝。一个钳口连接到压电传感器的一端，另一个钳口连接到传感器的另一端。当施加一个缓慢的电信号时，压电元件会缓慢地改变长度，从而导致两个钳口朝相反方向滑动。缓慢滑动所产生的大静摩擦力使螺杆转动，产生线性平移。当传感器运动结束时，一个快速电信号迅速地将钳口推移回它们的初始位置。而螺杆的惯性和低动摩擦力，则使它在原来的位置保持静止不动在平移的位置上。反转快速信号和慢速信号的顺序则会反转运动的方向。
压电电机的滑动- 粘滞性导致电机每次的步进都不相同，不允许自身进行精确或可重复的运动。
电磁线性促动器
图 3. MKS Instruments 电磁电动线性促动器
MKS 仪器公司的 LTA，TRA，TRB 系列的线性促动器，以及高精度的 VP25AA 电动促动器和小型 NSA12 促动器 (图3）。当应用需要精确、精细且可重复的定位解决方案时，这些电磁促动器是更好的选择。这些产品通常和各式各样的手动三维和旋转平台以及镜座组装组合使用，既可以用于改造实现现有手工安装的自动化，也可以作为原始设备制造（OEM）应用的组成部分。NSA12 是微型电动线性促动器，与 Conexipp 智能步进电机控制器集成。它为定位应用提供了一个经济独立的解决方案。LTA 系列的促动器具有高速、高负载能力和高鲁棒性的优点，非常适合工业级应用。它们被设计与 CONEX 和其他的 MSK 运动控制器结合使用，作为手动螺旋测微计的直接替代品，实现从现有的手动操作平台和其他的光机部件到自动运动控制的转变。步进电机组件也可提供真空兼容配置（10-6 hPa)。TRA 和 TRB 系列的线性促动器是具有轻巧紧凑的设计的微型促动器，更适合一般的 OEM 级应用和研究级应用。和 LTA 系列促动器一样，TRA 和 TRB 系列也是被设计与 CONEX 和其他 MKS 运动控制器结合使用，它们分别提供低负载容量(TRA: 30N – 60N) 和中等负载容量 (TRA: 90N) 的版本，并且可以提供直流伺服或步进电机。TRA 系列提供真空兼容版本（10-6 hPa）。MKS 仪器公司还提供了 VP25AA 高精度电动促动器，集成了线性编码器，来提供卓越的精度和可重复性。该促动器的平均故障时间（MTBF）为 20,000 小时，具有非常高的可靠性。VP25AA 促动器将手动定位系统转换为一种精确经济的解决方案，可实现自动化多轴控制，从而实现高度复杂的定位解决方案。
压电促动器
图 4. MKS Instruments 压电促动器
图 4 显示了 MKS 仪器公司的压电促动器系列的具有代表性的图片。这些促动器有较小的 MIM（Mininum Incremental Motion 最小位移增量），使其成为用于精细的定位应用和调节应用的首选工具。图 4 所示的 Picomotor 线性压电促动器非常适合电动控制精细定位平台和镜座，这些平
图 5. Picomotor 压电线性促动器定位精度曲线
台和镜座通常需要非常精密和微小的步长来调节。Picomotor 促动器的定位分辨率可达到 30nm（<30nm）, 具有一劳永逸的长期定位稳定性。图 5 显示了 Picomotor 促动器的平均步长和负载特性之间的关系。Picomotor促动器有适用于真空和超高真空应用的非磁性配置。对于更高负载的应用来说，NanoPZ 超高分辨率促动器可以在调节应用中提供同样的精度。
应用产品
图 6. MKS Instruments 电动线性促动器的线性角度定位
图 6 所示的是 MKS 仪器公司的电动电磁线性促动器在不同精确度的定位应用中的使用的示例。LTA，TRA 和TRB 电动促动器都可以采用 MKS 仪器公司的 561 系列的 ULTRAlign™ 光纤对准位移台来代替手动螺旋测微计。同样，带有 CONEX 控制器的 TRA 和 TRB 系列促动器可以用于将 MKS 481 手动高性能旋转平台和镜座转换为自动操作模式。真空兼容的 LTA 和 TRA 促动器可以轻松地与各种 MKS 真空兼容镜座和平台结合使用，来给高真空室中的光学元件和其他元件提供全自动的运动控制。VP25AA 有着集成编码器和单轨道线性平台，可以作为独立的定位工具。而当与 MKS 的 CONEX，ESP，SMC 或者 XPS 控制器一起使用的时候，LTA，TRA，TRB 和 VP25AA 促动器将手动定位系统转换为精确，经济的解决方案，从而实现高精度位置的自动化多轴控制。
Picomotor 和 NanoPZ 促动器可以很轻松地集成到现有的平台中，把手动系统转换成自动电动运动控制。图7展示了开环 Picomotor 和 NanoPZ PZA12 促动器的图片，这些促动器分别集成在 XYZ 三维定位平台、New Focus8821 镜座和 Ultima 镜座上的标准螺旋测微计的安装孔中。压电控制也可以完全集成到运动控制设备中，如图 7 中的 AG-M100N 镜座所示。
图 7. MKS Instruments 压电线性促动器的调节应用产品
促动器选择指南
了解不同线性促动器的特性使得构建决策树成为可能，该决策树允许客户为其应用选择最佳线性促动器。图 8 显示了决策进程的流程图。首先，用户必须确认其应用是否需要电动线性促动器的定位或调节功能。回顾上文，定位应用需要使用步长一致的确定性线性促动器，来精确地并可重复地将一个平台或镜座移动到预先设定的一组位置坐标上。而调节应用使用非确定性线性促动器，通过与视觉探测器或第三方探测器或其他探测器结合进行微小的位置调节来达到最优化定位。
对于定位应用，电磁线性促动器是较好的解决方案。选择电磁促动器的首要考虑因素通常是促动器的价格。当低价是首要考虑因素时候，NSA12 和TRA 系列的促动器提供了经济有效的解决方案。当最小尺寸和小运动范围也在系统的考虑范畴内时，集成 CONEX-PP 运动控制器的 NSA12 电磁线性促动器是有效的解决方案。当需求更大负载能力和运动范围的低价促动器时，TRA-6，TRA-12 或者 TRA-25 可作为最佳选择。如果成本是次要考虑因素，而负载，速度和运动范围是选择电磁线性促动器的主要因素时，无论是 LTA 系列的促动器还是 VP25AA 高精度促动器都是很好的选择。当与合适的运动控制器结合时，LTA 线性促动器是一种相对高速，高负载能力的促动器，具有相对较小的 MIM（MininumIncremental Motion 最小位移增量）和较大的运动范围。VP25AA 高精度促动器是一种更高速促动器，具有优秀的可重复性和精确度，适合超高精度要求的应用。
对于调节应用，压电线性促动器是首选的工具。在调节应用中，负载，速度，运动和价格是在决定应用解决方案时，需要同时考虑的因素。Picomotor 系列的压电促动器是对于相对低负载应用的首选，而 PZA12 压电促动器更适合高负载和更快速度的应用。两种类型的压电促动器有着相似的 MIM（Mininum Incremental Motion 最小位移增量）规格，然而，Picomotor 系列比 PZA12 促动器提供更长的运动范围。
MKS Instruments 的运动促动器选择指南在本文的附录 A 中。您也可以在以下“阅读原文”中获得相关版本的选择指南。
总结
当为指定应用需求选择促动器时，重要的选择标准是该应用需求是否需要对平台，镜座或其他系统组件进行绝对定位或者相对调节。定位应用需要确定性促动器，这种确定性促动器可以精确地并可重复地将组件通过预先设定的轨迹移动到预定的位置。相比之下，调节应用是非确定性的设备，需要其他设备辅助确定到达的位置。应用类型（是用于定位还是调节）决定了合适的线性运动促动器的类型：电磁线性促动器是定位应用的较优选择而压电促动器是调节应用的较优解决方案。
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