精密儀器作業(yè)

1、現(xiàn)代精密儀器設(shè)計大作業(yè) 姓名：喬玉巖 學(xué)號：1110022039 班級：測控技術(shù)與儀器112班 學(xué)院：機械工程學(xué)院微位移技術(shù)綜述喬玉巖摘要 微位移機構(gòu)在精密機械和精密儀器中應(yīng)用廣泛，種類很多。本文對這些機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、原理、特點和應(yīng)用進行了分析與比較,并闡述了該類機構(gòu)的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞 微位移機構(gòu)；扭輪摩擦傳動；機械傳動；熱變形；彈性變形；壓電陶瓷；柔性鉸鏈Study on Micro-motion MechanismQiao yu-yan Abstract With many varieties , micro-motion mechanisms have wide applications

2、in precision machines and instruments. This paper makes the comparison of structure , principle , characteristics and application among these mechanisms. Finally , it presents the development trends of the micro2motion mechanism. Keywords micro-motion mechanism ; torsion wheel friction transmission

3、; mechanism transmission ; thermal de2 formation ; elastic deformation ; piezoelectric ceramic ; flexible hinge微位移機構(gòu)是指行程小(一般小于毫米級)精度高(亞微米、納米級)和靈敏度高的機構(gòu)，它是精密機械和精密儀器的關(guān)鍵部件之一，它既可作為微進給和微調(diào)部件，也可作為工藝系統(tǒng)誤差靜態(tài)和動態(tài)補償?shù)年P(guān)鍵部件。近年來隨著電子技術(shù)、宇航、生物工程等學(xué)科的發(fā)展而得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。尤其隨著微電子技術(shù)向大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路方向發(fā)展和微機械的研究，微位移機構(gòu)得到迅猛發(fā)展，并得到廣泛應(yīng)用

4、。美國 LODTM 機床上用的快速刀具伺服機構(gòu)在1. 27m 范圍內(nèi)分辨率可達2.5nm,頻響可達100H；日本日立制作所采用柔性支承導(dǎo)軌、壓電驅(qū)動方式的微位移機構(gòu)的位移精度為0.05m,行程為8m ,該機構(gòu)均成功應(yīng)用于電子束曝光機 。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用柔性支承導(dǎo)軌 步進電機驅(qū)動方式的微位移機構(gòu)的位移精度為0.05m ,分辨力為0.01m，行程為20m；國防科技大學(xué)采用柔性支承導(dǎo)軌形式、電致伸縮驅(qū)動方式的微位移機構(gòu)的分辨力為0.1m，行程為20m。當(dāng)前常見的微位移機構(gòu)有: 機械傳動式、扭輪摩擦傳動式、熱變形式、磁致伸縮式、彈性變形傳動式、壓電陶瓷式、直線電機式和柔性鉸鏈?zhǔn)轿⑽灰茩C構(gòu)等。 本文將

5、介紹這些微位移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、原理、特點及其應(yīng)用，并予以相互比較。1 扭輪摩擦傳動式微位移機構(gòu) 扭輪摩擦傳動式微位移機構(gòu)是利用扭輪摩擦傳動機構(gòu)實現(xiàn)微位移的機構(gòu)。一般的紐擦傳動方式是將驅(qū)動摩擦輪展開為直線運動，運動分辨率有限。當(dāng)將摩擦副的主動輪與從動桿母線交角從直角減小為一很小的角度時，形成的摩擦副即為扭輪摩擦副，利用扭輪摩擦副做成的傳動機構(gòu)稱扭輪摩擦傳動機構(gòu)，它可以得到很小的導(dǎo)程和納米級的運動分辨率和定位精度，具有運動平穩(wěn)、無間隙和無爬行等優(yōu)點。我們研制的扭輪摩擦傳動機構(gòu)示意圖如圖1所示，其導(dǎo)程小于0.2mm , 若選用高運動分辨率的電機，則可達在 250mm 范圍內(nèi)得到納米級的運動分辨和定位精度

6、。它可應(yīng)用于許多超精密傳動領(lǐng)域。 2 機械傳動式微位移機構(gòu) 機械傳動式微位移機構(gòu)是一種最古老的機構(gòu)，在精密機械和儀器中應(yīng)用很廣，其結(jié)構(gòu)形式較多，主要有螺旋機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、契塊凸輪機構(gòu)以及它們的組合機構(gòu)。但因機構(gòu)中存在機械間隙、摩擦磨損以及爬行現(xiàn)象等，所以運動靈敏度和精度都很難達到高精度，所以該機構(gòu)只適宜于中等精度。2.1 螺旋式微位移機構(gòu) 螺旋式微位移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。它是利用螺旋傳動原理來獲得微小直線位移 , 轉(zhuǎn)動手輪1轉(zhuǎn)動經(jīng)螺桿2將螺旋運動轉(zhuǎn)換為直線運動。運動件的直線位移s與手輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為:因此，若螺桿螺距t已定，在螺桿與螺母配研和傳動平穩(wěn)時，控制的大小即

7、可得到微位移，其精度可達 10m。它廣泛應(yīng)用于微調(diào)和測量機構(gòu)，如千分尺等。 為了得到更高精度的微位移，就采用如圖3所示的差動螺旋式微位移構(gòu)。它的螺桿1有兩段螺距分別t2和t1的螺紋，t2大于t1且螺旋方向相同，則螺母2的微位移 (即輸出位移)s為： s = ( t2-2t1) / (2) 式中為手輪轉(zhuǎn)角，若t2 和t1分別為0.75mm和0.7mm，其差值為0.05mm , 手輪的圓周刻度分劃為50格，則手輪d的圓周刻度分劃為50格，則手輪轉(zhuǎn)動1格時，在螺桿與螺母配研和傳動平穩(wěn)以及零件達到加工精度時，運動件的位移量為1m。 差動螺旋式微位移機構(gòu)除此之外還有采用差動螺母的形式。其工作原理類似，結(jié)

8、構(gòu)相對緊湊，但相對而言，其加工精度稍難保證，因差動螺母較難保證加工精度。2. 2 組合式機械傳動式微位移機構(gòu) 凸輪式微位移機構(gòu)是利用凸輪曲線的微小變化來實現(xiàn)運動件的微位移 ,其傳動鏈短、剛性好。螺旋斜面微位移機構(gòu)是利用螺旋微位移機構(gòu)推動一斜塊運動以使斜塊在某一方向產(chǎn)生微位移 。蝸輪凸輪式微位移機構(gòu)，其原理是：主動桿蝸輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)蝸輪蝸桿減速，帶動凸輪轉(zhuǎn)動，再通過滾輪使運動件產(chǎn)生微位移。齒輪杠桿式微位移機構(gòu)是利用手輪軸的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過幾級齒輪減速，變成扇形齒輪的微小轉(zhuǎn)動，再通過杠桿機構(gòu)將其微小轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為運動件的直線微位移。 此外，還有齒輪摩擦式微位移機構(gòu)和螺旋錐輪式微位移機構(gòu)等等。但組合式微位移機構(gòu)相

9、對復(fù)雜些，一般應(yīng)用于特定場合。3 熱變形式微位移機構(gòu) 熱變形式微位移機構(gòu)的微動原理是：如圖 4 所示，傳動桿1的一端固定在機架上，另一端固定在沿導(dǎo)軌作微位移的零部件2上，當(dāng)線圈通電加熱時，使傳動桿受熱伸長，其伸長量為： L=L（t1 2t0）=Lt 式中 傳動桿材料的線膨脹系數(shù)； L傳動桿的長度； t1t0分別為被加熱達到的溫度和加熱前的溫度。 改變通入電流(或電壓)的值使傳動桿溫度改變，即可得到不同的微位移量。熱變形式微位移機構(gòu)結(jié)構(gòu)、操作控制方便，與大降速比的機械傳動式微位移機構(gòu)相比，它的剛度高且無間隙。但因傳動桿與周圍介質(zhì)之間有熱交換，因而影響位移精度。且由于熱慣性的的存在以及對傳動桿的冷

10、卻速度難以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，因此限制了微位移的速度，故不適宜于行程較長、頻率較高的微移。4 彈性變形傳動式微位移機構(gòu) 彈性變形傳動式微位移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖及其動力學(xué)模型如圖5所示，其原理是利用兩個串聯(lián)在一起的主動彈簧和從動彈簧的剛度差，實現(xiàn)輸出位移相對于輸入位移的大幅度縮小，以提高輸出位移的分辨率。設(shè)主動彈簧和從動彈簧的剛度分別為k1、k2、且k2遠大于k1，主動彈簧的位移（即輸入位移）和從動彈簧的位移（即輸出位移）分別為x1、x2，則： 如果主動彈簧由千分尺驅(qū)動，其精度為10m，k2 = 9k1，理想情況下其輸出精度為1m，如果k2與k1相差更大，則分辨率、精度更高。 該機構(gòu)傳動鏈短、摩察力小、易獲

11、得精確微位移，且其精度高、穩(wěn)定性好，可用于掃描隧道顯微技術(shù)( STM)，及需達到原子級分辨率的高精度測量技術(shù)和光學(xué)零件的精密調(diào)整機構(gòu)。 但當(dāng)該機構(gòu)的運動件受到外力或存在摩察力時，這將直接影響精度，而且對于步進狀態(tài)的輸入位移，容易產(chǎn)生過渡性振蕩，所以不適宜于動態(tài)響應(yīng)的情況。5 磁致伸縮式微位移機構(gòu) 磁致伸縮式微位移機構(gòu)的工作原理圖如圖6所示，磁致伸縮棒1的一端固定在機座上，另一端與運動件相連，繞在伸縮棒外的線圈通電激磁后，在磁場的作用下，伸縮棒產(chǎn)生變形而使運動件實現(xiàn)微量位移，改變磁場強度可得到不同的微位移量，其精度可達亞微米。 該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重復(fù)精度高、無間隙、剛性好、傳動慣量小、工作

12、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但其磁場強度與磁致伸縮量之間不嚴格成線性系，磁場作用下還伴有發(fā)熱，故微動精度不高。它適用于精確位移調(diào)整、切削刀具的磨損補償、溫度變形補償及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等 。6 壓電陶瓷式微位移機構(gòu) 該機構(gòu)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來實現(xiàn)微位移，改變輸入電壓的大小即可得到不同的微位移，它從而避免了機械結(jié)構(gòu)造成的誤差，所以具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、分辨率極高 (可達納米級)、發(fā)熱少、無雜散電磁場和便于遙控等優(yōu)點。它已成功應(yīng)用于高科技領(lǐng)域，如機器人微位移定位器、磁頭、噴墨打印、揚聲器和光跟蹤系統(tǒng)以及壓電式刀具補償機構(gòu)等等。7 柔性鉸鏈?zhǔn)轿⑽灰茩C構(gòu) 柔性鉸鏈?zhǔn)轿⑽灰茩C構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機構(gòu)

13、。它是利用壓電或電致伸縮器件或螺旋測微儀驅(qū)動，然后通過杠桿機構(gòu)將驅(qū)動位移縮小，以實現(xiàn)微小位移。如圖 7 為螺旋測微儀驅(qū)動的柔性鉸鏈?zhǔn)轿⑽灰茩C構(gòu)，是用于微調(diào)超精密電容傳感器測頭與被測對象的初始間距，如果螺旋測微儀的輸入位移為Xi，則運動件的輸出位移Xo為： Xo = m XI = (1 + L1/ L0)(1 + L3/ L2) Xi式中m為杠桿機構(gòu)縮小倍數(shù)，可通過改變L0、L1、L2和L3來調(diào)節(jié)以得到不同的分辨率 。 該類機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積很小、無機械摩擦、無間隙、無爬行、機械諧振頻率高、抗振動干擾能力強、具有較高的位移分辨率 (可達1納米)。若使用壓電或電致伸縮件驅(qū)動，不僅控制簡單，而且可以

14、很容易實現(xiàn)亞微米至納米級的精度，同時不產(chǎn)生噪音和發(fā)熱，可適宜于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是精密機械中理想的微位移機構(gòu)。已在航空、宇航、微電子工業(yè)部門、精密測量和微調(diào)以及生物工程領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。8 直線電機式微位移機構(gòu) 該微位移機構(gòu)直接利用直線電機作為驅(qū)動件產(chǎn)生微位移的機構(gòu)。直線電機具有任意的調(diào)節(jié)行程，無限的位移分辨率，所產(chǎn)生的力小于1000N。采用該機構(gòu)作為進給驅(qū)動系統(tǒng)，快速進給速度可達76m/min，進給加速度可達9.8m/s2以上。 直線電機式微位移機構(gòu)不需要用機械輔助方法將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，因此簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而避免了由于中間環(huán)節(jié)的彈性變形、間隙、磨損和發(fā)熱等因素帶來的運動誤差。其

15、最明顯的優(yōu)點是響應(yīng)快，可達到瞬時的高加速度和減速度。它已在異型內(nèi)圓工件的計算機控制精密車削和磨削加工中得到成功應(yīng)用。但是直線電機的成本較高、發(fā)熱較嚴重、組成的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜且存在隔磁和防磁問題，所以其應(yīng)用還不很廣泛。不過隨著科技的發(fā)展，直線電機的這些問題得到解決，直線電機式微位移機構(gòu)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。9 其它微位移機構(gòu) 此外，還有形狀記憶合金（SMA）式、電致伸縮式和滾珠導(dǎo)軌式微位移機構(gòu)等。SMA微位移機構(gòu)是利用在低溫相態(tài)無論它怎樣變形，只要加熱到一定溫度就會馬上恢復(fù)到原來在高溫下的形狀的特點來實現(xiàn)微位移。于是通過電流控制SMA的溫度即可實現(xiàn)微位移。它已廣泛應(yīng)用于機械化、電氣、醫(yī)療以及高精度控制等領(lǐng)域。電致伸縮式微位移機構(gòu)是利用電致伸縮材料在電場作用下發(fā)生變形以實現(xiàn)微位移。該機構(gòu)具有施加電壓低、滯后小、位移量度大、重復(fù)性好以及無老化等優(yōu)點，它已廣泛應(yīng)用于計量設(shè)備、微機械手、超精密加工中的誤差測量和補償。滾珠導(dǎo)軌式微位移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、工藝性好、行程大、易實現(xiàn)較高定位精度，可用于微動臺和定位裝置等。10 結(jié)束語 微位移機構(gòu)種類很多，它們各有自己的優(yōu)缺點和主要應(yīng)用范圍。隨著微電子技術(shù)、宇航、材料、生物工程等學(xué)科的發(fā)展，它的研究越來越受國內(nèi)外的重視，且得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但因機械加工精度、機構(gòu)的