Линейная ступень или ступень перемещения — это компонент точной системы движения , используемый для ограничения движения объекта одной осью. Термин «линейная направляющая» часто используется взаимозаменяемо с «линейной ступенью», хотя технически «линейная направляющая» относится к подшипнику линейного перемещения , который является лишь компонентом линейной ступени. Все линейные ступени состоят из платформы и основания, соединенных какой-либо направляющей или линейным подшипником таким образом, что платформа ограничена в линейном движении относительно основания. В обычном использовании термин «линейная ступень» может также включать или не включать механизм, с помощью которого контролируется положение платформы относительно основания.
В трехмерном пространстве объект может либо вращаться, либо перемещаться по любой из трех осей. Таким образом, говорят, что объект имеет шесть степеней свободы (3 вращательных и 3 поступательных). Линейная ступень имеет только одну степень свободы (поступательное движение вдоль одной оси). Другими словами, линейные ступени работают путем физического ограничения 3 осей вращения и 2 осей поступательного движения, что позволяет осуществлять движение только по одной поступательной оси.
Линейные этапы состоят из платформы, которая перемещается относительно основания. Платформа и основание соединены некоторой направляющей, которая ограничивает движение платформы только одним измерением. Используются различные стили направляющих, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, что делает каждый тип направляющих более подходящим для одних приложений, чем для других.
Положение подвижной платформы относительно неподвижного основания обычно контролируется линейным приводом той или иной формы, ручным, моторизованным или гидравлическим/пневматическим. Самый распространенный метод — вставить ходовой винт через ходовую гайку на платформе. Вращением такого ходового винта можно управлять вручную или с помощью двигателя.
В ручных линейных каскадах обычно используется ручка управления, прикрепленная к ходовому винту. Ручка может быть индексирована для указания ее углового положения. Линейное перемещение предметного столика связано с угловым смещением ручки на шаг ходового винта. Например, если шаг ходового винта составляет 0,5 мм, то один полный оборот ручки переместит платформу столика на 0,5 мм относительно основания столика. Если ручка имеет 50 меток по окружности, то каждое деление индекса соответствует 0,01 мм линейного перемещения платформы сцены.
В прецизионных столиках, например, в оптике , не используется ходовой винт, а вместо этого используется винт с мелким шагом или микрометр , который нажимает на закаленную металлическую площадку на платформе столика. Вращение винта или микрометра толкает платформу вперед. Пружина обеспечивает восстанавливающую силу, удерживая платформу в контакте с приводом. Это обеспечивает более точное движение сцены. Ступени, предназначенные для вертикальной установки, имеют несколько иную конструкцию: привод прикрепляется к подвижной платформе, а его кончик опирается на металлическую опору на неподвижном основании. Это позволяет поддерживать вес платформы и ее нагрузки приводом, а не пружиной.
На некоторых автоматизированных этапах вместо ручной ручки или в дополнение к ней может использоваться шаговый двигатель . Шаговый двигатель движется с фиксированными приращениями, называемыми шагами. В этом смысле он ведет себя очень похоже на индексированную ручку. Если шаг ходового винта составляет 0,5 мм, а шаговый двигатель имеет 200 шагов на оборот (как обычно), то каждый оборот двигателя будет приводить к линейному перемещению платформы сцены на 0,5 мм, а каждый шаг будет приводить к 0,0025 мм. линейного движения.
На других автоматизированных этапах вместо ручки ручного управления может использоваться двигатель постоянного тока. Двигатель постоянного тока не движется с фиксированным шагом. Поэтому для определения положения сцены требуются альтернативные средства. Шкала может быть прикреплена к внутренним компонентам предметного столика, а энкодер может использоваться для измерения положения предметного столика относительно шкалы и сообщать об этом контроллеру двигателя, что позволяет контроллеру движений надежно и повторяемо перемещать предметный столик для установки положений.
Для управления положением более чем в одном направлении можно использовать вместе несколько линейных ступеней. «Двухосная» или «XY» ступень может быть собрана из двух линейных ступеней, одна из которых установлена на платформе другой так, что ось движения второй ступени перпендикулярна оси движения первой. Двухосный предметный столик, знакомый многим людям, представляет собой предметный столик микроскопа, используемый для размещения предметного стекла под линзой. «Трёхосная» или «XYZ» ступень состоит из трёх линейных ступеней, смонтированных друг с другом (часто с использованием дополнительного углового кронштейна) так, что оси движения всех ступеней ортогональны. Некоторые двухосные и трехосные ступени представляют собой интегрированные конструкции, а не собираются из отдельных одноосных ступеней. Некоторые многоосные столики также включают элементы поворота или наклона, такие как поворотные столики или позиционирующие гониометры . Путем комбинирования линейных и поворотных элементов различными способами также возможны четырехосные, пятиосные и шестиосные ступени. Линейные ступени представляют собой усовершенствованную форму высокопроизводительных систем позиционирования в приложениях, требующих сочетания высокой скорости, высокой точности и большого усилия.
Линейные этапы используются в процессе изготовления полупроводниковых приборов для точного линейного позиционирования пластин с целью картирования диэлектрика пластины, определения характеристик и мониторинга эпитаксиального слоя , где скорость и точность позиционирования имеют решающее значение. [1]