精密仪器作业

1、现代精密仪器设计大作业 姓名：乔玉岩 学号：1110022039 班级：测控技术与仪器112班 学院：机械工程学院微位移技术综述乔玉岩摘要 微位移机构在精密机械和精密仪器中应用广泛，种类很多。本文对这些机构的结构、原理、特点和应用进行了分析与比较,并阐述了该类机构的发展趋势。 关键词 微位移机构；扭轮摩擦传动；机械传动；热变形；弹性变形；压电陶瓷；柔性铰链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微位移机构是指行程小(一般小于毫米级)精度高(亚微米、纳米级)和灵敏度高的机构，它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

4、。美国 LODTM 机床上用的快速刀具伺服机构在1. 27m 范围内分辨率可达2.5nm,频响可达100H；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0.05m,行程为8m ,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0.05m ,分辨力为0.01m，行程为20m；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0.1m，行程为20m。当前常见的微位移机构有: 机械传动式、扭轮摩擦传动式、热变形式、磁致伸缩式、弹性变形传动式、压电陶瓷式、直线电机式和柔性铰链式微位移机构等。 本文将

5、介绍这些微位移机构的结构、原理、特点及其应用，并予以相互比较。1 扭轮摩擦传动式微位移机构 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的机构。一般的纽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0.2mm , 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和定位精度

6、。它可应用于许多超精密传动领域。 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。2.1 螺旋式微位移机构 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来获得微小直线位移 , 转动手轮1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s与手轮转角关系为:因此，若螺杆螺距t已定，在螺杆与螺母配研和传动平稳时，控制的大小即

7、可得到微位移，其精度可达 10m。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构。它的螺杆1有两段螺距分别t2和t1的螺纹，t2大于t1且螺旋方向相同，则螺母2的微位移 (即输出位移)s为： s = ( t2-2t1) / (2) 式中为手轮转角，若t2 和t1分别为0.75mm和0.7mm，其差值为0.05mm , 手轮的圆周刻度分划为50格，则手轮d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1m。 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

8、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。2. 2 组合式机械传动式微位移机构 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 。蜗轮凸轮式微位移机构，其原理是：主动杆蜗轮转动，经蜗轮蜗杆减速，带动凸轮转动，再通过滚轮使运动件产生微位移。齿轮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，还有齿轮摩擦式微位移机构和螺旋锥轮式微位移机构等等。但组合式微位移机构相

9、对复杂些，一般应用于特定场合。3 热变形式微位移机构 热变形式微位移机构的微动原理是：如图 4 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： L=L（t1 2t0）=Lt 式中 传动杆材料的线膨胀系数； L传动杆的长度； t1t0分别为被加热达到的温度和加热前的温度。 改变通入电流(或电压)的值使传动杆温度改变，即可得到不同的微位移量。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。且由于热惯性的的存在以及对传动杆的冷

10、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、频率较高的微移。4 弹性变形传动式微位移机构 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和从动弹簧的刚度差，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k1，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： 如果主动弹簧由千分尺驱动，其精度为10m，k2 = 9k1，理想情况下其输出精度为1m，如果k2与k1相差更大，则分辨率、精度更高。 该机构传动链短、摩察力小、易获

11、得精确微位移，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外力或存在摩察力时，这将直接影响精度，而且对于步进状态的输入位移，容易产生过渡性振荡，所以不适宜于动态响应的情况。5 磁致伸缩式微位移机构 磁致伸缩式微位移机构的工作原理图如图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、传动惯量小、工作

12、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 。6 压电陶瓷式微位移机构 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。它已成功应用于高科技领域，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。7 柔性铰链式微位移机构 柔性铰链式微位移机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构

13、。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Xi，则运动件的输出位移Xo为： Xo = m XI = (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

14、很容易实现亚微米至纳米级的精度，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、微电子工业部门、精密测量和微调以及生物工程领域获得重要的应用。8 直线电机式微位移机构 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76m/min，进给加速度可达9.8m/s2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

15、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。9 其它微位移机构 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，它已广泛应用于计量设备、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。10 结束语 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