微位移技术.docx

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微位移技术

微位移技术

第一章概论

第二章微位移机构

第三章柔性铰链

第一章概论

作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。

例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的外表，即几何形状误差小于0.5um。

电脑外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。

特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。

256K动态RAM线宽已缩小到左右，目前己小于，对与之相应的工艺设备（如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等）提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。

生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。

随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国内外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。

由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。

例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小范围内的光学对准，都离不开微位移技术。

因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。

国内外现状及发展趋势

美国LLN以美国知名核聚变实验室）研制的加工大口径光学元件的金刚石车床（LODTM）是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT（错钦酸铅压电陶瓷），能在士范围内分辨力到达，频率响应可到达IOOHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为，行程为20um[4]。

现将收集的具体资料列于下表1-1

系统研制的意义

微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键技术。

特别是纳米技术的飞速发展，使微位移的精度要求由微米级而上升到纳米级。

随着扫描隧道显微镜（STM）及原子力显微镜（AFM）的广泛应用，更加需要有高精度，高分辨率，能够灵活控制的微动系统，以实现纳米级的加工及检测精度。

微位移技术也推动了微电子技术、宇航、生物工程等学科的迅速发展。

例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小范围内的光学对准，都离不开微位移技术。

因此微位移技术，己经成为现代精密仪器工业的共同基础，是衡量一个国家科技水平的重要标志，代表了一个国家加工技术水平的高低。

发展微位移技术，是非常重要的。

　微位移系统工作原理[2]

压电陶瓷PZT存在着迟滞、蠕变和非线性等缺点,在要求实现高分辨率微量位移的场合,必须建立闭环控制系统把与输出位移对应的电压值反馈回来,控制加在压电陶瓷上的电压,不断地修正各种干扰造成的机构位移偏差,以实现给定的位移.控制原理框图如图1所示。

机构的位移量由传感器测量,测量信号一路送给电脑,另一路与电脑发出的指令信号进行比较,经比较放大后再把信号加到PZT上,实现精密定位和微量位移.

第二章微位移机构

微位移技术包括:

微位移机构、检测装置和控制系统3大部分。

微位移机构是指行程小（小于毫米级），精度高（亚微米、纳米级）及灵敏度高的机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一种机、电、磁一体化的组合件。

它既可作为微进给和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。

现在，微位移机构已能到达的分辨率。

微位移机构由微位移驱动器和微开工作台组成。

根据微位移驱动器和微开工作台导轨形式可分为5类:

a）柔性支承，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动。

b）滚动导轨，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动。

c）平行弹性导轨，电磁、压电或机械式驱动。

d）滑动导轨，机械式或压电式驱动。

e）气浮导轨，伺服电机和直线电机驱动。

本文将介绍一些典型的微位移机构的结构原理、特点及应用，并对它们作一些比较分析。

1直线电机式微位移机构

直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率的优点。

在利用空气轴承微步进直线电机作为驱动件产生微位移时，由于简化了系统的结构，从而防止了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等因素带来的运动误差，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可到达瞬时高加速度和减速度。

为此，它的快速进给速度到达以上，几乎在瞬间可加速到几个重力加速度。

在高加速度时，通常可产生几个牛顿推力。

在常载下可到达1um以内的重复定位精度。

另使用直线电机的伺服系统具有较大的刚度和较小的外形尺寸，在电脑控制的精密车削和磨削加工中得到成功的应用。

但是，直线电机目前还存在着成本较高、发热较严重、控制系统较复杂等问题，故应用还受到一定限制。

但是，随着科学技术的发展，直线电机的上述问题将得到解决，直线电机式微位移机构将会得到广泛的应用。

2机械传动式微位移机构

机械传动式微位移机构是一种最早出现的机构，在精密机械和仪器中应用甚广，比较成熟，其结构形式较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构、弹性机构以及它们的组合机构。

机械传动式微位移机构的特点:

（i）具有较好的分辨率;

（2）行程较大;（3）存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行等缺点，所以运动灵敏度和运动精度都难以到达高精度，故仅适应于中等精度。

螺旋式和差动螺旋式微位移机构

1.螺旋式微位移机构

螺旋式微位移机构具有较高的分辨率，可以获得大行程的位移，结构简单，制造维修方便，它是利用螺旋传动原理来获得微小直线位移。

图1是螺旋式微位移机构的简图。

转动手轮1经螺杆将螺旋运动转换为直线位移运动。

位移S与手轮转角切之间的关系为:

其微动灵敏度为:

式中，t—螺距;

Ψ——手轮转角因此，假设螺杆螺距t已定，在螺杆与螺母配伍和传动平稳时，精确控制ψ的大小，就可得到微位移，一般精度可到达10μm。

它广泛应用于测量机构及微调机构，如千分尺和精密工作台的传动机构等。

2.差动螺旋式微位移机构

为了得到更高精度的微位移，可采用如图2所示的差动螺旋式微位移机构。

它的螺杆1有两段螺距，分别为t1和t2的螺纹，t2>t1，，且螺旋方向相同，则螺母2的微位移S为:

。

式中，ψ为手轮转角。

假设t2和t1，分别为和，其差值，手轮T的圆周刻度分划为50格，则手轮转动时，运动件3的位移量可小至1μm。

差动螺旋式微位移机构除此之外还有采用差动螺母的形式，其工作原理相似，结构相对紧凑，

但是差动螺母的加工精度较难保证。

组合式机械传动式微位移机构

1.凸轮式微位移机构

它是利用凸轮曲线的微小变化来实现运动件的微位移，其传动链短、刚性好、结构简单。

2.螺旋—斜面组合式微位移机构

它由螺旋机构和斜块机构两部分组成，如图3所示。

旋转螺杆1，从动螺母2推动推杆3向前移动，并推动斜块5移动，从而使滑块6产生微动，其位移量为:

式中:

—螺杆的螺距;

—螺杆转角;

—斜块斜面与水平面的倾角，一般取=1/50。

3.蜗轮一凸轮组合式微位移机构

如图4所示，它由蜗轮蜗杆副1及凸轮4组成，主动件蜗杆1转动，经过蜗杆蜗轮副减速，带动凸轮转动，通过滚轮5使滑板6得到微位移。

4.齿轮一杠杆组合式微位移机构

如图5所示，手轮轴1转动，经过三级齿轮副减速后，变成扇形齿轮2的微小转角，2是一个杠杆机构，转换成运动件5的微位移。

此外，还有摩擦一齿轮组合式微位移机构（可以获得很高的微动灵敏度0.1μm）和螺旋一锥轮组合式微位移机构等等。

这些组合式微位移机构相对复杂些，一般应用于特定场合。

3扭轮摩擦传动式微位移机构

它是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机构。

一般的摩擦传动方式，是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。

当将摩擦副的主动轮l（见图6）与从动杆2的母线交角从直角减小到一很小角度时，此时形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，而所形成的机构也就称为扭轮摩擦传动式机构。

它可以得到很小的导程和纳米级的运动分辨率和定位精度，且有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。

它可应用于许多超精密传动领域。

4弹性变形传动式微位移机构

这种机构是利用两个弹簧的刚度比而缩小输人位移的机构，见图7。

假设两个弹簧AB的刚度分别为KAKB，输人位移为Xi，则输出位移为x

如果KA>>KB，则工作台位移x相对输人位移Xi就被大大缩小，例如KA：

KB=99:

1，缩小比为1/100。

如输人位移Xi=10μm，则输出位移。

这种机构结构简单，可获得较多的分辨率;定位精度较低。

由于输人位移是步进状的，故易产生过渡性振荡，不适于要求动态响应的场合。

可用于高精度测量技术及光学零件的精密调整机构等。

5压电元件式微位移机构

本机构利用压电元件（陶瓷）的逆压电效应来实现微位移，如图8所示。

改变输人电压的大小即可得到不同的微位移，防止了机械结构造成的误差，故具有结构简单、尺寸小、分辨率极高（可达纳米级）、发热少、无杂散电磁场、便于遥控、能实现自动微量进给、有较好的动特性和有很高的响应频率（响应时间达100μs）等优点。

为了解决压电元件装置的移动范围较窄的最大缺点，美国BI公司研制成了由3个压电元件组成的尺镬式移动机构，图9表示机构的移动原理。

它可在25mm移动范围内，同时获得最小定位分辨率为，移动速度为一的性能。

它已成功应用于高科技领域，如机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构（可用于切削加工非轴对称特殊型面时刀具微进给的控制）等等。

6热变形式微位移机构

本机构的微动原理见图10所示，传动杆1的一端固定在机架上，另一端固定在沿导轨作微位移的零件2上。

当线圈3通电后，产生热量，使传动杆受热伸长，其伸长量△L为

式中:

一传动杆材料的线膨胀系数;

L一传动杆的长度;

t1t0一被加热到达的温度和加热前的温度。

例如，钢的线膨胀系数为12×106，当长度为50mm的钢棒，从20℃加热到60℃时，可获得从0一24μm的位移量。

为了减小位移的相对误差，应选择线膨胀系数和弹性模量较高的材料制成传动杆。

热变形式微位移机构的特点如下:

a）结构简单、操作控制方便;

b）位移精度受热交换的影响，因而影响位移精度;

c）由于存在热惯性，所以限制了微移的速度，不宜作行程较长、频率较高的微位移机构。

7磁致伸缩式微位移机构

它的工作原理如图11所示。

微动台用片簧支撑，在微动台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从而到达微位移的目的。

其精度可达亚微米。

该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯量小、工作稳定性好等优点;但在磁场作用下伴有发热，故微动精度不高。

它适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度变形补偿及自动调节系统等。

8柔性铰链式微位移机构

该机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。

它是利用压电元件或电致伸缩器件或螺旋测微仪驱动，然后通过杠杆机构将驱动位移缩小，以实现微小位移。

如图12所示为螺旋测微仪驱动的柔性铰链式微位移机构。

如果螺旋测微仪的输人位移为Xi，则运动件的输出位移X0为:

式中，m为杠杆机构的缩小倍数。

L0L1L2和L3可通过改变来调节m，以得到不同的分辨率。

该类机构结构紧凑、体积很小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、抗振动干扰能力强、具有较高的位移分率〔可达1nm〕。

第三章柔性铰链

3.1概述

柔性铰链利用了弹性材料微小角变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率，并有很紧凑的机械结构和很高的刚度，以及迅捷的响应。

柔性铰链有成千上万的应用，如：

陀螺仪、加速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器显示仪、记录仪、外表控制、调整器、阀、放大连杆、电脑、继电器和

传动连杆[7]。

在设计柔性铰链时，柔性铰链的刚度（柔度）计算是关键。

早在1965年，和便巧妙地推导出了柔性铰链的设计计算公式，并一直沿用至今[7][8]。

由此，防止了繁杂、费时的数值计算，给柔性铰链的设计计算带来了极大的方便。

由于柔性铰链的设计计算公式在形式上较为复杂，他们还给出在柔性铰链的厚度远小于其切割半径的条件下的简化公式，并对常用的直圆柔性铰链给出了更为简单的表达式。

由于简化公式是在铰链的厚度远小于半径的条件下给出的，所以在设计较厚的铰链时会产生较大的误差。

七十年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率[10]，又具有相对较大的行程[9]。

近年来，柔性铰链机构和压电驱动器的结合在许多领域得到了应用，比方微操作、精密工作台[11][12]、光学显微镜自动聚焦系统[14]、打印头[15]、压电马达[16]、金刚石切削[17]、STM[18]等。

在设计该类柔性铰链机构时，要有紧凑的结构和较高的本征频率，所以柔性铰链的厚度接近其切割半径。

在此情况下，的简化公式不能适用，而精

确公式又过于复杂。

利用力学的基本公式对柔性铰链的设计计算公式进行推导，得到了相对于给出的柔性铰链设计计算公式更为简洁的表达。

尤其是对于常用的直圆柔性铰链，得到了精确且十分简洁的设计计算公式。

这将会使柔性铰链的刚度（柔度）计算变得更加简单、明了，有利于柔性铰链的设计分析。

本文将给出一般柔性铰链直圆柔性铰链的系列设计计算公式。

3.2一般柔性铰链的系列设计计算公式

如图1所示的柔性铰链，其杆部的截面是矩形，铰链由两个垂直于端面的对称的圆柱面切割而成。

由于它在设计、制造和分析上均较为简单，所以被广泛地采用。

本文就该类柔性铰链进行分析，并沿用了对柔性铰链形状、受力和变形的定义，采用了其相关的符号。

图1说明了柔性铰链的几何结构、受力和变形。

柔性铰链的几何尺寸为宽度b、厚度t、切割半径R和圆心角θm。

柔性铰链左端的受力和力矩为FX,FY,FZ,MY和MZ。

假设柔性铰链的右端为相对固定端，则柔性铰链左端的变形为

图3-1

柔性铰链的柔度（刚度）是首要的设计参数。

计算柔性铰链的柔度时，由于柔性铰链的变形集中在柔性铰链的圆弧部分，所以忽略柔性铰链圆弧以外的变形。

又由于柔性铰链的变形十分微小，所以忽略柔性铰链各个变形之间的干预。

设材料的弹性模量为E，剪切弹性模量为G，根据弹性静力学的基本分析和微积分的推导，本文给出了如图1所示矩形单轴柔性铰链的系列设计计算公式。

3.3z轴的角变形az

z轴是柔性铰链的输入轴，柔性铰链产生沿z轴的角变形az是柔性铰链最重要的参数。

力矩MZ作用下导致柔性铰链产生沿z轴的角变形az，其柔度表达式如下：

式

（1）中的f2为中间变量，其可表达为：

其中，s=R/t。

力Fy作用下导致柔性铰链产生沿z轴的角变形az其柔度表达式如下：

3.4沿z轴的线性变形

力矩My作用下导致柔性铰链产生沿z轴的线性变形，其柔度表达式如下：

式（4）中的f1为中间变量，其可表达为：

力FZ作用下由于弯矩导致柔性铰链产生沿z轴的线性变形，其柔度表达式如下：

式（6）中的f3为中间变量，其可表达为：

力FZ作用下由于剪切力导致柔性铰链产生沿z轴的线性变形，其柔度表达式如下：

3.5沿y轴的线性变形

力矩MZ作用下导致柔性铰链产生沿y轴的线性变形，其柔度表达式如下：

力FY作用下由于弯矩导致柔性铰链产生沿y轴的线性变形，其柔度表达式如下：

式（10）中的f4为中间变量，其可表达为：

力FY作用下由于剪切力导致柔性铰链产生沿y轴的线性变形

，其柔度表达式如下：

3.6沿x轴的线性变形

力FX作用下由于拉伸或压缩导致柔性铰链产生沿x轴的线性变形

，其柔度表达式如下：

参考文献

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