机械式精密二维微位移工作台设计说明书

河南理工大学本科毕业设计论文摘要本次设计主要完成机械式微位移式工作台的设计，本文主要介绍了机械式精密二维微位移工作台。机械精密工作台可广泛应用在三维表面形貌的测量与评定、精密及超精密加工和半导体光刻等领域中。本文介绍了目前国内外多种典型的微动超精密工作台所采用的设计方案、材料、导轨、驱动方式。叙述了今后工作台的发展现状趋势，并分析了所设计工作台的优势。证明传统机械微动工作台依然广泛的用处和很大的市场，是比较理想的方案，也是精密超精密加工很好的补充。并详细分析了传统机械式微位移工作台的组合模块，组成结构，以及设计加工方法，与传统的二维及三维工作台相比，机械微动工作台有高精度和大量程，体积小，重量轻等优点，它采用粗精结合的定位机构和自带计量系统的闭环控制系统能实现垂直方向(z方向)的精密位移和水平方向(xY方向)的精确定位。它由X轴、Y轴、Z轴 三个方向的精密移动机构组装成三维精密移动工作台。最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。关键词；、微位移 机械工作台、精密加工。AbstractThe main design is about the mechanical design of the micro-displacement worktable . This paper mainly introduces the mechanical precision worktable two-dimensional micro displacement。Mechanical precision worktable can be widely used in 3d surface topography measurement and evaluation, precision and ultra-precision processing and semiconductor photolithography, etc. The paper introduces the domestic various typical micro precision worktable adopted design, materials, guide, drive mode, feedback and control system. Describes the future trend of development status of workbench is analyzed, and the design of workbench advantage. Proof of conventional mechanical worktable still widely use and large market, is an ideal solution, and precision ultra-precision good supplement. And detailed analysis of the traditional mechanical declined displacement worktable combination module composition structure and design, processing methods, and traditional 2d / 3d workbench, machinery has high precision worktable with big range, small volume, light weight, it adopted advantages of roughing and combination of positioning and bring measuring system closed-loop control system can realize the vertical direction. (z direction) in a wide range of horizontal displacement and X - Y direction accurately. It consists of the X axis and Y axis, Z axis direction of three dimensional precision mobile mechanism assembly precision worktable moving into. Finally, according to the design perfect place improvement ideas, and to the graduation design and development direction for our super precision is discussed.Keywords： micro-displacement、worktable、 precision processing machinery. 前言转眼间四年大学生活已经接近尾声而作为大学的最后一次功课毕业设计无疑是对自己大学学习成绩的一次综合考查。同时，这也可作为我们迈入社会的第一步，是决定我们能否在社会生活中一展身手的一次预演。蓦然回首，从入学至今在各位恩师的谆谆教导下，我学习了机械工程材料、机械设计、机械制造等大量的专业知识，同时也了解了一些相关学科的基本情况，可以说为此次毕业设计打下了坚实的基础。然后单纯的理论的知识的学习并不代表我们就真正掌握了所学的内容。只有学以致用，将课本上的内容转化为实际生产力。造福社会。才证明我们真正做到了知识的融会贯通。切实达到了学习的最终目的。我们这次设计的题目是微位移式机械工作台，之所以提出这个课题，随着科学技术的飞速发展,在许多技术领域中,如航天,半导体制造,精密机械,仪器仪表以及生物工程等将对加工精度提出更多和更高的要求,毫微米级,甚至分子原子级加工都己提到日程上微位移技术正是这些超精密加和精密机械的基础。 微动位移技术是实现组合结构的微机械精密工作台结构的关键技术之一，精密工作台系统则是微装配系统的一个重要组成部分。精密微位移工作台是高精度精密仪器的核心，它的精度的优劣直接影响整机的精度。当今精密仪器中的精密工作台正向着高速度和高精度方向发展。目前，精密位移工作台的运动速度一般在20-50mm/s，最高的可达到100mm以上，其精度要求0.1um以下。由于高速度带来的惯性很大，一般运动精度要求比较低，为解决高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相结合的两个工作台，如图1 图一在本次设计中我们主要设计精密微动微动工作台部，精密微动工作台部分包括微位移机构,检测装置和控制系统三部分.微位移机构(微动工作台)是指行程小(一般小于毫米级),灵敏度和精度高(亚微米,纳米级)的机构.微位移系统在精密仪器中主要用于提高整机的精度随着科学技术的发展,精密仪器的精度越来越高,微位移技术应用就越来越广.根据目前的应用范围,大致可分为三个方面:精密补偿,微进给和微调.在微位移技术中,行程和分辨率是一对主要矛盾.为解决大行程(毫米级)和中等分辨率(亚微米级)的矛盾,采用柔性框架式的爬行器象3I一样沿矩形导轨爬行,驱动精密微动工作台实现大行程的精密定位.工作台的工作行程由爬行器的导轨长度决定,爬行器的导轨长度越长,工作台的行程就越大.精密微动工作台采用微机控制电致伸缩微位移,在平面内实现两个方向的精密定位. 古人云：“温故而知新”，所言非虚。在本次毕设过程中，通过对课本知道是的重新回顾，我又掌握了许多以前所没有注意到的细节内容。可以说是学习知识和实际设计相互共进，相得益彰。当然做为自己的第一次大型设计，经验和水平都是极大的制约因素，所以在设计中难免邮诸多错误和不足之处，忘各位老师和同学多指点帮助。 “长风破浪会有时，直挂云帆及沧海”，可以说慢慢人生长路而今才刚刚起步。在以后的机械行业生涯中，我相信自己永远不会忘记这次毕业设计，更加不会忘记在设计中感受到的师恩和友情。我会以此为契机，谨记老师的谆谆教导，努力把自己以后的每一项工作都做好，争取做一位新世纪优秀人才。摘要1Abstract2前言4第一章 概述71.1微动工作台的发展概况71.2 微动工作台的类型及主要组成101.2.1 扭轮摩擦传动式微位移平台101.2.2 机械传动式微位移平台111.2.3 螺旋式微位移平台121.2.4 组合式机械传动式微位移平台131.2.5 热变形式微位移平台131.2.6 弹性变形传动式微位移平台141.2.7 磁致伸缩式微位移平台161.2.8压电陶瓷式微位移平台171.2.9 柔性铰链式微位移平台171.2.10 直线电机式微位移平台181.2.11 其它微位移平移台191.3微型工作台的发展趋势19第二章 工作台的方案确定212.1适用范围222.2 主要技术要求222.3 微动工作台材料232.4 微动工作台的驱动与控制232.5 整体设计242.6 结构设计252.7 设计原则和设计原理27第三章 微位移平移台设计283.1 精密平移台设计293.1.1精密平移台导轨设计303.1.2 导轨形状材料及滚珠材料303.1.3导轨、滚珠材料及保持架313.1.4滚动体尺寸和数量及许用载荷313.1.5滚动导轨的长度323.2 导轨的计算343.2.1. 额定寿命计算的基本公式343.2.2 任意可靠度R时的寿命计算353.2.3 考虑使用条件时的寿命计算363.2.4 滚动直线导轨系统的可靠度373.2.5 滚动直线导轨系统的额定寿命393.2.6导轨的受力分析413.2.7 导轨的静强度计算443.2.8 额定动载荷计算和额定静载荷463.3 微调螺纹副的选择473.4 导轨的润滑及防护483.4.1 润滑方式483.4.2 润滑剂的选择483.4.3 密封方式的选择483.5 微调螺纹福的设计及弹簧的选择493.5.1 微调螺纹福493.5.2 弹簧的设计选择50第四章 微位移升降台设计524.1 精密升降台导轨设计534.1.1导轨形状材料及导轨副材料534.2. 导轨的预紧和调整544.3 导轨的计算554.4.1 导轨的油槽、油腔564.4.2 螺旋测微头的选择56第五章 致谢58参考文献59第一章 概述1.1微动工作台的发展概况现代科学技术正迅速向微小、超精密领域发展，精密超精密加工技术的兴起，引发了制造、信息、材料、生物、医疗和国防等领域的革命性变化，对社会和人类生活质量产生了巨大影响。许多领域越来越迫切地需要微型系统或微动系统，如生物细胞、聚合物的各种操作，微外科手术，扫描探针显微镜SPM，光纤对接和微细加工等，因此，精密位移技术已成为前沿科学和工程技术领域的关键技术之一。一般情况下，精密位移依靠精密工作台来实现，精密微位移工作台主要包括一维、二维和=三维工作台。一维、二维精密工作台不能满足精密位移在三维空间的运动要求，因此，三维精密工作台的研究越来越为人们所重视。行程、高分辨率和位移计量是精密位移对三维精密工作台的3个重要指标要求。由于工作台一般要采用粗、精两级驱动方式，因此，工作台存在粗、精两种运动，必须采用不同的驱动和传动元件。由于这两种运动在行程、精度、驱动和传动元件上的差异，对它们的位移检测控制也需要采用不同的传感器来实现，但两种传感器的分辨率、量程不同，粗、精运动分别计量、叠加，测量数据不易连续，不可避免会产生测量误差。现代微位移科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求,即在提供大范围运动的前提下,还应具有极高的运动精度,例如:纳米粒子(分子、原子)三维空间的搬迁、移动,大规模集成电路芯片制造,微机电系统中微零部件的加工与装配,面向生物工程的微操作等。概括国内外精密科学技术所涉及的微位移工作台,典型分类有: a)柔性铰链式微位移工作台; b)滚动导轨式微位移工作台; c)滑动导轨式微位移工作台; d)气浮式微位移工作台; e)磁悬浮式微位移工作台。在为纳米科学技术研究提供小范围(微米量级运动范围)纳米级精度的微运动时,最常见的是以压电陶瓷PZT作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台 1 - 6 ,然而,要为超精密科学技术研究提供大范围(指毫米量级运动范围)纳米级精度的微运动时,柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求,它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。传统的微动工作台采用精密丝杆副及滚动（或滑动）导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮8凹轮机构、齿轮8杠杆式机构等机械传动式微位移器。由于机械摩擦、间隙、爬行等原因，其运动精度、定位精度很难达到亚微米甚至纳米量级。压电陶瓷则可以很容易实现高分辨率的运动，而且没有空回、粘滑等现象，成为微定位系统中广泛应用的微致动器。而柔性铰链机构具有无机械摩擦、无间隙、不需要润滑、不产生热量和噪声等优点。采用压电陶瓷驱动的机械微位移工作台，具有直接传动、结构紧凑、重量轻、位移分辨率高等优点，有着广阔的应用发展前景。近年来，国内外对微位移工作台进行了大量的研究。清华大学李庆祥教授等人早在20世纪80年代就在研究柔性铰链工作台方面取得了重大突破，其分辨率优于0.01um。韩国的AJ 教授等人研制出了开环控制分辨率达7-8um 的微定位工作台，并构建了运动模型。微位移机构是精密机械和精密仪器的关键部件之一，它既可作为微进给和微调部件，也可作为工艺系统误差静态和动态补偿的关键部件。近年来随着电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而得到迅速发展和广泛应用。尤其随着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和微机械的研究，微位移机构得到迅猛发展，并得到广泛应用。美国LoDTM机床上用的快速刀具伺服机构在127 Il m范围内分辨率可达2。5nm，频响可达100Hz；日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电驱动方式的微位移机构的位移精度为005 u m，行程为8u m，该机构均成功应用于电子束曝光机。哈尔滨工业大学采用柔性支承导轨、步进电机驱动方式的微位移机构的位移精度为O05 um，分辨力为001 u m，行程为20 u m：国防科技大学采用柔性支承导轨形式、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为01 u m，行程为20 u m。1 各种微动工作台性能比较a)序号名称精度运动范围1柔性铰链1nm100um2滑动导轨0.1um150mm3气浮式10nm毫米级4磁悬浮式50nm毫米级5滚动导轨式5nm毫米级1.2 微动工作台的类型及主要组成 微动工作台根据其工作原理和驱动方式的不同可分为以下几种。1.2.1 扭轮摩擦传动式微位移平台扭轮摩擦传动式微位移机构是利用扭轮摩擦传动机构实现微位移机构。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与从动杆母线交角从直 图二 扭轮摩擦传动图角减小为一很小的角度时，形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，利用扭轮摩擦副做成的传动机构称扭轮摩擦传动机构，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，具有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。我们研制的扭轮摩擦传动机构示意图如图1所示，其导程小于02mm，若选用高运动分辨率的电机，则可达在250mm范围内得到纳米级的运动分辨率和定位精度。它可应用于许多超精密传动领域。1.2.2 机械传动式微位移平台机械传动式微位移机构是一种最古老的机构，在精密机械和仪器中应用很广，其结构形式较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等，所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度，所以该机构只适宜于中等精度。图三 差动螺旋式微位移机构 图四 螺旋式微动机构简图1.2.3 螺旋式微位移平台螺旋式微位移机构的结构简图如图2所示，其结构简单、制造维修方便，它是利用螺旋传动原理米获得微小直线位移，转动手轮l转动经螺杆2将螺旋运动转换为直线运动。运动件的直线位移J与手轮转角中关系为：J=因此，若螺杆螺距f已定，在螺杆与螺母配研和传动平稳时，控制妒的大小即可得到微位移，其精度可达l 0 u m。它广泛应用于微调和测量机构，如千分尺等。为了得到更高精度的微位移，就采用如图3所示的差动螺旋式微位移机构。它的螺杆l有两段螺距分别为，2和f，的螺纹，f2大于，。且螺旋方向相同，则螺母2的微位移(即输出位移)s为：s=(f2一f1)(2)式中西为手轮转角，若屯和f】分别为075mm和07mm，其差值为O05mm，手轮的圆周刻度分划为50格，则手轮转动1格时，在螺杆与螺母配研和传动平稳以及零件达到加工精度时，运动件的位移量为1 u m。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，其工作原理类似，结构相对紧凑，但相对而言，其加工精度稍难保证，因差动螺母较难保证加工精度。1.2.4 组合式机械传动式微位移平台凸轮式微位移机构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。螺旋一斜面微位移机构是利用螺旋微位移机构推动一斜块运动以使斜块在某一方向产生微位移。蜗轮一凸轮式微位移机构，其原理是：主动杆蜗轮转动，经蜗轮蜗杆副减速，带动凸轮转动，再通过滚轮使运动件产生微位移。齿轮一杠杆式微位移机构是利用手轮轴的转动，经过几级齿轮减速，变成扇形齿轮的微小转动，再通过杠杆机构将其微小转动转化为运动件的直线微位移。此外，还有齿轮一摩擦式微位移机构和螺旋一锥轮式微位移机构等等。但组合式微位移机构相对复杂些，一般应用于特定场合。1.2.5 热变形式微位移平台热变形式微位移机构的微动原理是：如下图4所示，传动杆l的一端固定在机架上，另一端固定在沿导轨作微位移的零部件2上，当线圈通电加热时，使传动杆受热伸长，其伸长量为： =a(t1一t0)=at式中a传动杆材料的线膨胀系数；传动杆的长度：t1、t0分别为被加热达到的温度和加热前的温度。改变通入电流或者电压的值图五 电热式微位移机构原理图使传动杆温度改变。即可得到不同的微位移量d热变形式微位移机构结构、操作控制方便，与大降速比的机械传动式微位移机构相比，它的刚度高且无间隙。但因传动杆与周围介质之间有热交换，因而影响位移精度且由于热惯性的存在以及对传动杆的冷却速度难以准确调节。因此限制了微位移的速度，故不适宜于行程较长、频率较高的微位移。1.2.6 弹性变形传动式微位移平台弹性变形传动式微位移机构的结构示意图及其动力学模型如图5所示，其原理是利用两个串联在一起的主动弹簧的刚度差，实现输出位移相对于输入位移的大幅度缩小，以提高输出位移的分辨率。设主动弹簧和从动弹簧的刚度分别为K1、k2,且K2远大于L1，主动弹簧的位移（即输入位移）和从动弹簧的位移（即输出位移）分别为X1、X2，则： 图六 弹性变形式微位移机构 图七 弹性变形式微位移机构动力学模型如果主动弹簧由千分尺驱动，其精度为10um，K2=9K1，理想情况下其输出精度微1um，如果K2与K1相差更大，则分辨率、精度更高。该机构传动链短、摩擦力小、易获得精确位移，且其精度高、稳定性好，可用于扫描隧道显微技术（STM），及需达到原子级分辨率的高精度测量技术和光学零件的精密调整机构。但当该机构的运动件受到为例或存在摩擦力时，这将直接影响精度，而且对于步进状态态的输入位移，容易产生过渡性震荡，所以不适宜于动态响应的情况。1.2.7 磁致伸缩式微位移平台磁致伸缩式微位移机构的工作原理如图6所示，磁致伸缩棒1的一端固定在机座上，另一端与运动件相连，绕在伸缩棒外的线圈通电激磁后，在磁场的作用下，伸缩棒产生变形而使运动件实现微量位移，改变磁场强度可得到不同的微位移量，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、转动惯量小、工作稳定性好等优点。但其磁场强度与磁致伸缩量之间不严格成线性关系，磁场作用下还伴有发热，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。 图 磁致伸缩式微位移机构1.2.8压电陶瓷式微位移平台该机构利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移，改变输入电压的大小即可得到不同的微位移，它从而避免了机械结构造成的误差，所以具有结构简单、尺寸小、分辨率极高（可达纳米级）、发热少、无杂散电磁场和便于遥控等优点。它已成功勇于高科技领域，如机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印、扬声器和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构等等。1.2.9 柔性铰链式微位移平台柔性铰链式微位移机构是今年来发展起来的一种新型的微位移机构。种新型的微位移机构。它是利用压电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7为螺旋测微仪驱动的柔性铰链式微位移机构，是用于微调超精密电容传感器测头与被测对象的初始间距，如果螺旋测微仪的输入位移为，则运动件的输出位移咒为：X0=Mx1=(1+L1/L0)(1+L3/L2)Xi式中m为杠杆机构缩小倍数，可通过改变L0、L1、L2、和L3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、机械谐振频率高、抗振动干扰能力强、具有较高的位移分辨率(可达1纳米)。若使用压电或电致伸缩件驱动，不仅控制简单，而且可以很容易实现亚微米甚至纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适宜于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子：业部门、精密测量和微调以及生物一r程领域获得重要的应用 图九 柔性铰链式微位移平台简图1.2.10 直线电机式微位移平台该微位移机构直接利用直线电机作为驱动件产生微位移的机构。直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率，所产生的力小于1000N。采用该机构作为进给驱动系统，快速进给速度可达76mmin，进给加速度可达98mS2以上。直线电机式微位移机构不需要用机械辅助方法将旋转运动转化为直线运动，因此简化了系统的结构，从而避免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。其最明显的优点是响应快，可达到瞬时的高加速度和减速度。它已在异型内圆工件的计算机控制精密车削和磨削加工中得到成功应用。但是直线电机的成本较高、发热较严重、组成的控制系统比较复杂且存在隔磁和防磁问题，所以其应用还不很广泛。不过随着科技的发展，直线电机的这些问题得到解决，直线电机式微位移机构将得到越来越广泛的应用。1.2.11 其它微位移平移台 此外，还有形状记忆合金(SMA)式、电致伸缩式和滚珠导轨式微位移机构等。SMA微位移机构是利用在低温相态无论它怎样变形，只要加热到一定温度就会马上恢复到原来在高温下的形状的特点来实现微位移。于是通过电流控制SMA的温度即可实现微位移。它已广泛应用于机械化、电气、医疗以及高精度控制等领域。电致伸缩式微位移机构是利用电致伸缩材料在电场作用下发生变形以实现微位移。该机构具有施加电压低、滞后小、位移量度大、重复性好以及无老化等优点，它已广泛应用丁计量设备、微机械手、超精密加工中的误差测量和补偿。滚珠导轨式微位移机构的结构简单、运动灵活、工艺性好、行程大、易实现较高定位精度，可用于微动台和定位装置等。微位移机构种类很多，它们各有自己的优缺点和主要应用范围。随着微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展，它的研究越来越受国内外的重视，且得到了迅速发展和广泛应用，但因机械加工精度、机构的复杂性、相关参数的控制精度、电磁屏蔽等目前技术水平的制约，它的应用还受到一定的限制。不过随着相关科学的不断发展和微位移机构的深入研究，人类将研究出结构简单、高分辨率、高精度、高性能以及调试简便的微位移机构以服务于人类社会。1.3微型工作台的发展趋势随着科学技术的发展，人类在制造领域中采用的尺度将由微米迈向纳米。精密和超精密加工技术的发展和推广，提高了整个机械制造业的加工精度和技术水平，并普遍提高了机械产品的质量、性能和竞争力。超精密加工的精度已达到了纳米级，甚至是亚纳米级(原子级)。当前，超精密制造的传统加工方法主要有金刚石刀具超精密切削，金刚石微粉砂轮超精密磨削，精密高速切削和精密砂带磨削等，非传统加工方法主要有电子束、离子束、激光束等高能束加工，电火花、电化学加工、光刻(刻蚀)等。并出现了具有复合加工机理的电解研磨、磁流体抛光、超声研磨等复合加工方法。超精密加工技术已成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志，也是国防工业研制现代化武器装备的关键技术。20世纪50年代末以来，迅速发展的宇航、计算机、激光技术以及自动控制系统等尖端科学技术，综合利用了近代的先进技术和工艺方法。由于生产集成电路的需要，出现了各种微细加工工艺(微小尺寸零件的加工技术)。它利用切削和非切削的加工方法，在最近的一二十年的时间里使机械加工精度提高了12个数量级，即由50年代末的微米级(10m)提高到现在的纳米级(10 m)，从而进入了超精密加工时代。在这个进程中，高精度的微进给平台是实现纳米级定位和加工的关键技术。当前，在一些工程领域，已经对高精密微进给平台提出了要求，如半导体器件、光学器件、微型机械的制造及特种材料加工等。国内有许多单位在从事研究和生产超精密加工设备和仪器，如：北京机床研究所、清华大学、长沙国防科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、长春光学精密机械与物理研究所等单位。但到目前为止，国内外对纳米级微进给平台的研究工作大多局限于单坐标驱动器驱动的方式。个别学者针对多坐标驱动器微进给平台进行了一定的探索，但还存在一些技术问题，因此无法满足广泛的实际工程需要。现代制造技术的发展，学科交叉、复合加工技术的特点日益突出，精密加工和超精密加工不仅作为一门独立的学科发展，而且会以更多的交叉学科形式出现，甚至形成新的学科。在国民经济发展和人民生活水平提高的需求下，如汽车制造、计算机、通信网络、光盘、家用电器等均紧密依赖于先进的制造技术进入了国民经济主战场，提高国家的经济实力。尖端技术和产品的需求下，开拓新的加工机理，进入到纳米级和亚纳米级加工精度是必然的选择。微位移工作台发展趋势及需要解决的问题大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求,然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微位移工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。a)多种微运动相结合技术:结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法,比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上,妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性,解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差,采用粗动和微动相结合的方法,粗动台用以完成快速大范围,微动工作台实现高精度,也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿,以此实现大范围、高精度的要求。b)新型纳米级微动工作台的研究:运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度,因此需进一步研究运动导向结构,从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差,提高纳米级微位移工作台的定位精度。c)改进控制策略,如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题,采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响,提高系统的鲁棒性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性d)磁悬浮微动工作台性能的进一步提高:在现有磁悬浮微动工作台基础上,充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响,解决运动控制和定位技术,从而实现纳米级精度的大范围运动。第二章 工作台的方案确定微位移机械工作台采用压电陶瓷驱动，手动进给，根据市场情况，结合当前精密和超精密加工的发展方向，为超精密加工而设计的工作平台，是比较理想的加工方式，可以预计，他对于超精密加工将会是又一个选择。2.1适用范围该微动工作台可用于，精密零件的微细加工，硬质合金等难加工材料的构成工件的磨削，以及超精光研磨珩磨。对精密超精密加工的车削，光整或具有特殊要求的零件加工问题，可用在磨床上能实现精密级的平面、球面、非球面、工件加工，具有粗磨，精磨，研磨，抛光功能。精密、超精密3n-v的精密陶瓷制品、光学原件和透镜等，也可广泛应用于各种现代光电子产品、图像处理产品如数码相机、VCD、DVD、电脑、CCD、摄像镜头、大屏幕投影电视机及军事、天文和医疗等行业。超精密加工设备与技术有广阔的应用前景和巨大的社会经济效益。2.2 主要技术要求主要技术要求有以下几种1）微动工作台的支撑或导轨副无机械摩擦和无间隙，具有高的位移分辨率和高的定位精度和重复精度，满足工作形成要求。2）微动工作台本身具有高的几何精度，即颠摆，滚摆和摇摆误差小，同时稳定可靠。3）微动工作台具有较高的固有频率，以保证良好的动态特性和抗干扰能力，采用直接测微头驱动。4）微动系统控制方便响应速度快5)静刚度要求高，在最大允许戟荷时，变形量不超过规定值；结构分析或其他部件在大件上移动时，静刚度的变化应小。6)连接刚度要好，结构要合理，便于调整和装卸。7)导轨面受力合理，耐磨性要好。8)结构设计合理，材质稳定，能长期的保持规定精度。9)重量要轻，体积合理，便于装拆。2.3 微动工作台材料工作台材料超精密工作台要求工作台具有小质量、高刚度和低热变形。因此工作台的材料选择应遵循如下原则：密度小、低热传导率、低热膨胀、弹性模量大。目前传统工作台的材料仍然为钢材，但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，使得工作台的性能受到影响。有些机床为了降低热变形的影响，在结构上采用了低热膨胀的殷钢，但综合性能仍然不够理想。工程结构陶瓷由于其高强度、高硬度和耐高温、耐辐射、抗腐蚀等优点已逐渐成为工程技术特别是尖端技术的关键材料，将工程结构陶瓷应用在精密平台上是一种发展趋势。氧化铝陶瓷的密度为钢的一半，热导率与热膨胀系数也均约为钢的一半，弹性模量比钢高一倍，综合性能比钢要好，因此如日本东京工业大学与住友重工研制的超精密工作台都采用了氧化铝陶瓷作为结构材料。石英陶瓷作为结构陶瓷多应用在玻璃、冶金、电工、航空航天等行业。主要利用其热导率低、热膨胀系数小、电性能好等优点，但其应用于精密平台还未见报道。石英陶瓷密度小(仅为钢的四分之一，氧化铝陶瓷的一半)，热导率与热膨胀系数都比钢与氧化铝陶瓷小一个数量级，缺点是弹性模量较小。石英陶瓷材料更适用于轻载的超精密工作，但本工作台考虑其工作台和市场客户原因采用传统钢材，根据客户要求也可采用石英陶瓷。2.4 微动工作台的驱动与控制平台的总体设计为了解决较大行程和精密定位的矛盾，利用高精度陶瓷电机实现大行程精确定位。我们通过多方面调研，最后选择了Nanomotion的LS系列低速电机，该电机配备8个运动单元。LS系列具有无与伦比的重复定位精度和定位时零伺服抖动的稳定性能，每步分辨率高于20nm，最大速度可以达到20mms。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度；因为压电陶瓷直线电机的驱动力有限，不能克服自身的动力的影响，所以必须设计配重装置13 传动系统三维精密运动平台用3个驱动器和3个位移传感器即可实现对动平台空间姿态的控制和调整。平台均以两组交叉滚子轨道支撑，XY向平台有25mm的行程，z向平台有5mm的行程。近年来研制的微进给平台，大都采用气浮定位方式，虽然消除了摩擦，但结构庞大复杂，支撑刚度小，承载能力和抗冲击能力降低，亦限制定位精度的提高。传统的机械定位方式是刚性接触支撑图3 XY运动平台和“旋转电机+滚珠丝杠” 驱动方式定位，虽然存在着摩擦、磨损、金属粉尘、驱动件的质量惯性和连接间隙等问题，降低了设备的定位精度和响应频率。但是滚动直线导轨副已实现了标准化和系列化，使用时直接参照设计手册选用即可，从而简化了机械结构的设计和制造。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件(导轨安装面)的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度；导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度大大提高；导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能。平台低速运动时几乎不存在惯性力的作用，因为速度很慢，所以可以消除振动的影响。微动工作台的直接驱动控制通常有手动驱动和电动驱动的形式，本次设计为机械式丝杠传动，采用手动驱动方法，用于微调、微进给等，具有成本低，操作简便的特点。2.5 整体设计整体设计根据使用要求，所设计的三维精密移动工作台应满足规定的行程范围、精度、灵敏度的要求；同时还要工作性能稳定可靠，消除空回，减小误差。设计中采用组装式的，其三个方向是相互垂直的，所以从下至上三个方向上主动件和从动件的运动方向可设定为笛卡儿坐标系中的X、Y、Z 三轴向。由于X、Y、Z轴各方向的配合面以及装配关系直接影响到整体运行的精度，故对各装配面以及运行部件的接触表面都要求保持相应的精度。其总体主要技术参数见下表所示 产品组合特点调整维数X、Y、Z三维行程XY:25mmZ:5mm 表二2.6 结构设计目前，精密工作台的运动速度一般在2050mm，最高的可达到100mm以上，其精度要求为0.1um以下。由于高速度带来的惯性很大，一般运动精度要求比较低，为解决高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相结合的两个工作台，如图所示。粗动工作台完成高速度大行程，微动工作台实现其精度要求，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿。图十 微位移工作台和机床工作关系图三维精密移动工作台主要由支撑装置、微位移驱动读数装置、承重及微位移机构、连接装置几部分组成。微位移驱动读数装置、承重及微位移机构的选择和设计对整个产品的设计起着举足轻重的作用。主要是采用螺旋微动装置驱动，分划筒读数装置示数，以及滚动摩擦导轨进行导移。也就是说，整个三维精密移动工作台由支撑装置底座、底板，微位移驱动读数装置，承重及微位移机构三维方向上的滑板、导轨，以及连接装置直角固定块等组成。我们所负责设计的主要是三维工作台，即三坐标微动工作台 图十一 三维精密工作台实物模型图三坐标精密运动平台的整体结构采用模块化组合设计。即有三大模块组合而成，即平移台，升降台，和底板。其中平移台能实现x、Y、两个个方向上的精密移动，工作台的行程为25mm25mm5mm。Z向移动部件为精密微动升降台，保持Z轴方向上的位移和进给。三坐标精密运动平台的x、Y、z三个方向的部件具有相同结构，都包括各自的传动系统、导向系统、驱动系统；能实现高定位精度和重复定位精度，平台在x、Y、z三个方向的结构安排采用下述方案，即以x向的精密平移台固定在基座上，Y向的底板固定在x向的移动拖板上，z向的底板固定在花岗岩平台的横梁上。2.7 设计原则和设计原理在几何量测量仪器设计长期实践的基础上，形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的设计原则和设计原理。这些设计原则和设计原理，根据不同仪器设计的具体情况，作为仪器设计中的技术措施，在保证和提高仪器精度、改善仪器性能、以及降低仪器成本等方面带来了良好的效果。因此，如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则和原理，便是仪器总体设计阶段中应当突出考虑的一个内容。在本设计中，为了减少阿贝误差的影响，在底座的设计中尽量保证主动件与从动件之间运动的线性关系，导轨的结构设计及其工艺上尽量保证导轨有较好的运动直线性。采用螺旋微位移驱动读数装置，遵循测量链最短原则，尽量使测量环节最少，从而减少误差、提高整体机构的精度。螺旋测微原理是指螺旋运动的直线位移与角位移成比例的原理。其套筒上刻有上、下两排刻线，同排刻度线间距为1mm,上下两排刻线错开0.5mm，即与测微丝杠的螺距相等。微分筒上刻有50等分刻线，当它旋转一周时，丝杠位移0.5mm；转动一格，丝杠移动0.01mm。所以螺旋测微器的分度值为0.01mm，灵敏度为0.001mm。第三章 微位移平移台设计由以上分析知道该组合工作台由机械平移台、机械微动升降台以及底板构成。我们首先来设计微位移平移台。3.1 精密平移台设计精密平移台结构由挡板、导轨、以及螺旋测微头和工作台部分组成。平移台特点：1)导轨为精密线性钢球配合精磨钢棒，精度高，成本低，负载轻。2)测微头在平移台侧面放置，节省空间。3)采用弹簧复位，消除轴向间隙。4)台面和底座分布标准孔距的安装孔，方便安装和组合。5)可与其它系列位移台组成多维调整架。平移台基本数据: 驱动方式 测微头 驱动位置 侧边 导 轨 线性导轨+滚珠 行 程 25mm 最小刻度 0.01mm 精 度 0.005mm 分 辨 率 0.002mm 自 重 0. 3kg 负 载 2kg 图十二 精密平移台实物模型图3.1.1精密平移台导轨设计一般的导轨形式有滑动、滚动和静压3种形式。其中滑动导轨中导轨副之间是滑动摩擦，由于导轨副材料之间存在动、静摩擦因数的差异，会产生爬行现象，同时存在磨损，使用寿命不长，在高精密工作台中很少采用滑动导轨。滚动导轨中采用钢球或滚柱作为滚动体，具有较小的摩擦因数，动静摩擦因数的差异极小，可以有效避免爬行现象的产生。但滚动导轨中由于滚动体与导轨之间的接触为点接触或线接触，其抗振性与滑动导轨相比较差。3.1.2 导轨形状材料及滚珠材料根据数据要求，通过查阅机床设计手册选择导轨，因为导轨承受载荷不大高度较小所以采V型箱装滚动导轨导轨。精密工作台对精度要求较高，因此选用精密线性钢球配合导轨选用合金工具钢做导轨材料，对比导轨承载及其形式，根据工作性能要求选择燕尾形导轨。可以有效地保证其导向精度。滚珠采用高频淬火钢滚珠。3.1.3导轨、滚珠材料及保持架 选用合金工具CrWMn、9SiCr刚或者承钢铬轴均可常用滚珠材料为、GCr15、GCR15SiMn等，本设计中采用含铬合金钢，硬度为6065HRC。工作表面经研磨抛光。保持架采用低碳钢板冲压制成。3.1.4滚动体尺寸和数量及许用载荷a滚珠数量增大滚动体直径，可以减小摩擦系数和接触应力，不易产生滑动。滚动体数量取决于导轨的长度和刚度条件，每条导轨上一般不少于1216，若数量过多，会制造误差引起载荷分布不均匀。取滚珠数目 式中 F每条导轨所受的载荷（N）d滚珠直径； 6mm代入数据计算得出=4.双圆弧导轨一般取钢球半径R1、滚到半径R2=0.90-0.95,接触角=55b滚珠许用载荷滚动体需用载荷的计算，是俺接触应力对导轨面进行静强度计算，并假设在接触面上没有塑形变形。一个滚动体上的需用载荷按下时计算：P=Kd式中 d滚珠直径6mmK滚动体截面积上的假象许用应力，查表为5.导轨的硬度校正系数，查表取为1.代入数据计算得187.5Mp.3.1.5滚动导轨的长度对于滚动体不做循环运动的导轨，滚动体和保持架随着动导轨而移动。但其移动速度和移动量均为动导轨的一半。1） 为了提高动导轨的接触刚度应使导轨的而全场式中与滚动体相接触，因此保持架的长度Lg及固定导轨的长度L为：图十三 导轨尺寸计算示意图Lg=Ld-S/2LLd式中S动导轨的行程Ld=34则Lg=30mm参考机床设计手册表6-10取导轨参数。查表取A=40mmd=6mmB=40mmH=1紧固螺钉取为M42）滚动导轨的预载在滚动体与导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体与导轨面的接触，以减小导轨面平面度、滚子圆柱度、及滚动体直径不一致性误差的影响，使大多数滚动体都能参加工作。由于有预加接触变性，接触刚度增加。提高了导轨的精度和刚度，阻尼性能也有所增加，提高了导轨的抗振性，垂直配置的滚动导轨越加载荷后，可防止滚动体在导轨之间下滑或歪斜。3.2 导轨的计算影响滚动直线导轨寿命的因素有很多，如材质、润滑、防尘条件、振动等，即使制造方法和使用条件完全相同，对于不同组件的滚动直线导轨来讲，它们的寿命分布也具有很大的离散性。因此，衡量滚动直线导轨寿命的长短，既不能以一批导轨中的最长寿命作为标准，又不能以其中最短者为标准，而是按照以破坏概率为理论根据的额定寿命为标准。3.2.1. 额定寿命计算的基本公式滚动直线导轨额定寿命的定义为：在相同的工作条件下，同一批导轨组件分别运行，其中90的导轨组件尚未出现疲劳剥落现象之前，滑块相对于导轨运行距离的总和(用L10表示)或一定运行速度下的工作小时数。当滚动体为钢球时，取L的单位为50km。参考文献机床设计手册及机械工程师手册，给出了滚动直线导轨额定寿命计算的基本公式： （1）其中,C为额定载荷;F为实际载荷。该式课根据以上文献导出。在该文献中，考虑到滚动体载荷Q与滚动直线导轨的外加载荷F成正比，可以得到如下公式： (2)式中,R为滚动直线导轨的使用概率（即可靠度）；L为对应于此使用概率时的寿命；、e均为指数，w=10/3,e=10/9;K为与材料有关的系数。当R=0.9，L=1时，F即为滚动直线导轨的额定动载荷C，将此条件代入式（2）可推得： （3）于是在外载荷F的作用下，要求使用概率R（可靠度）达到90%时，这时由上式确定的寿命L即为L： （4）若以工作小时数来表示寿命，当行程长度和滑块往复运行次数一定时，可用下式求出： （5）式中，为滑块单向行程（m），n为滑块每分钟往复次数（次/分）。3.2.2 任意可靠度R时的寿命计算可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，它是时间的函数即为R(t)。如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，概率密度为 f（t），则该产品在某一定时间t的可靠度为： 。对于滚动直线导轨，其寿命随机变量仍是T表示，指定的时间t改用导轨的运行距离L(km)表示，于是该产品在某一指定寿命L时的可靠度可改写为：。在工程实际中，各种机械对滚动直线导轨的可靠性提出了不同要求，为了满足不同需要，现提出可靠度系数，来计算任意可靠度R(L)时的寿命L，由式（3）可得： (6)其中，称为滚动直线导轨寿命计算的可靠度系数，下表中列出了对应于不同可靠度R(L)时的值。R%808590929596979899LL20L15L10L8L5L4L32L2L111.961.481.000.810.620.530.440.330.21表2 不同可靠度R(L)时的值因此，考虑到不同的可靠度R(L)时，有 （7）3.2.3 考虑使用条件时的寿命计算考虑到实际运行中载荷的平稳性（如冲击、振动），滚道表面的硬度以及导轨内部的温度等对寿命的影响，根据文献，将式（7）作如下修正： （8）式中，Fc为计算载荷，实际载荷 .硬度系数按照要求，与滚动体接触的滚道面必须具有KRC5864的硬度，若因某种原因而达不到规定的硬度 ，将会使寿命缩短，并降低承载能力，故引入硬度系数1. 温度系数-当工作温度超过100C时，滚道表面的硬度将会降低，承载能力也将下降，故引入温度系数1。 接触系数-当实现直线运动时，多数情况下至少要安装两个以上的滑块，由于施加在各个滑块上的分布载荷受安装精度及滑块自身精度的影响，不一定象计算值那样完全均等，故引入接触系数0.72。 载荷系数-机械在作往复运动时，特别是高速运动时，常常伴有剧烈的振动和冲击。因此，由于工作条件的复杂性，要准确地计算出振动和冲击载荷是相当困难的，为此引入载荷系数1。以上各系数均可由文献查询。代入数据计算得2.43*50km3.2.4 滚动直线导轨系统的可靠度系统可靠度的确定根据系统组合形成的不同而异，串联系统可用图2来表示。设系统的实效时间随机变量为T，组成系统的零件的实效时间随机变量为，则系统的可靠度为： 此式说明，在串联系统中，要使系统可靠的运行，就必须要求每一个零件的实效时间都大于系统规定的时间t。因为T1、T2、Tn之间互为独立，故上式可写为： ，式中就是第i歌零件的可靠度，故得：R（t）= （9）这就是串联系统的可靠度数学模型。 作为滚动直线导轨组件，一般是以单根或多跟导轨轴上装有多个滑块来支承一个工作台面。由于系统条件的限制及结构紧凑的要求，不采用储备滚动直线导轨的方法来提高系统的可靠性。滚动直线导轨系统中的导轨、滑块组件乃至一套组件中的零件的故障都会引起整个系统发生故障，因此，滚动直线导轨系统在整个设备的可靠性问题上属于串联系统，如图3所示。图中S表示为系统，它可以是一组导轨也可以是单个滚动导轨，相应地Si可以是单个滚动导轨组件，也可以是其中的零件。现将指定的时间t仍用导轨的运行距离L来表示，则滚动直线导轨系统的可靠度为,单个零部件的可靠度为，故得：