微小位移技術(shù)

1、姓名：王雪重慶科技學(xué)院電子信息學(xué)院精密機(jī)械與儀器課程l一：概述一：概述l二：壓電、電致伸縮器件二：壓電、電致伸縮器件l三：電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)三：電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)l四：柔性鉸接四：柔性鉸接l五：精密工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及特性分析五：精密工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及特性分析l六：其他類型微位移工作臺(tái)六：其他類型微位移工作臺(tái)微位移技術(shù)發(fā)展很快。用金剛石車刀直接車削大型天文望遠(yuǎn)鏡的拋物面反射鏡時(shí)，要求加工出幾何精度高于1/10光波波長(zhǎng)的表面，即幾何形狀誤差小于0.05 m。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中大容量磁鼓和磁盤的制造，為保證磁頭與磁盤在工作過程中維持1 m內(nèi)的浮動(dòng)氣隙，就必須嚴(yán)格控制磁盤或磁鼓在高速回轉(zhuǎn)下的跳動(dòng)。特別是到2

2、0世紀(jì)70年代后期，微電子技術(shù)向大規(guī)模集成電路（lsi）和超大規(guī)模集成電路（vlsi）方向發(fā)展，隨著集成度的提高，線條越來越微細(xì)化。256k動(dòng)態(tài)ram線寬已縮小到1.25 m左右。目前已小于0.1 m，對(duì)與之相應(yīng)的工藝設(shè)備（如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束、和x射線曝光機(jī)及其檢測(cè)設(shè)備等）提出了更高的要求，要求這些設(shè)備的定位精度為線寬的1/31/5,即亞微米甚至納米級(jí)的精度。微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)（或稱微動(dòng)工作臺(tái)）由微位器和導(dǎo)軌 兩部分組成，根據(jù)導(dǎo)軌形式和驅(qū)動(dòng)形式分成五類： 柔性支撐、壓電或電致伸縮微位器驅(qū)動(dòng) ； 滾動(dòng)導(dǎo)軌，壓電陶瓷或電致伸縮微位移器驅(qū)

3、動(dòng)； 滑動(dòng)導(dǎo)軌，機(jī)械式驅(qū)動(dòng)； 平行彈性導(dǎo)軌，機(jī)械式或電磁、壓電、電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)； 氣浮導(dǎo)軌，伺服電機(jī)或直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。微位移器根據(jù)形成微位移的機(jī)理可分成兩大類：機(jī)械式和機(jī)電式.微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的基本構(gòu)造：微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移系統(tǒng)的應(yīng)用：微位移系統(tǒng)在精密儀器中主要用于提高整機(jī)的精度，根據(jù)目前的應(yīng)用范圍，大致可分為四個(gè)方面:1.1.精度補(bǔ)償精度補(bǔ)償精密工作臺(tái)是高精度精密儀器的核心，當(dāng)前精密工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，一般在20mm/s50mm/s，最高的可達(dá))100mm/s以上，而精度則要求達(dá)到1m以下，由于高速度帶來的慣性很大，一

4、般運(yùn)動(dòng)精度比較低，為解決高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相結(jié)合的兩個(gè)工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用如圖5-3(a)所示粗工作臺(tái)完成高速度大行程而高精度由微動(dòng)工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，通過微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)中帶來的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以達(dá)到預(yù)定的精度。微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用2.2.微進(jìn)給微進(jìn)給 主要用于精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及精密儀器中的對(duì)準(zhǔn)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5-3(b)所示金剛石車刀車削鏡而磁盤，車刀的進(jìn)給量為5m就是利用微位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用3.3.微調(diào)微調(diào) 精密儀器中的微調(diào)是經(jīng)常遇到的間題，如圖5-3(

5、c)所示，左圖表示磁頭與磁盤之間的浮動(dòng)間隙的調(diào)整，右圖為照相物鏡與被照乾版之間焦距的調(diào)整。微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用4.4.微執(zhí)行機(jī)構(gòu)微執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于生物工程、醫(yī)療、微型機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)器人等，用十夾持微小物體。如圖5-3(d)所示，微型器件裝配系統(tǒng)的微夾持器。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)1.1.柔性支承柔性支承壓電或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)壓電或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)柔性支承微動(dòng)機(jī)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積很小，可以做到無機(jī)械摩擦、無間隙，其有較高的位移分辨率，可達(dá)1nm。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動(dòng)，不僅控制簡(jiǎn)單(只需控制外加

6、電壓)，而且可以很容易實(shí)現(xiàn)亞微米甚至是毫微米級(jí)的精度，同時(shí)不產(chǎn)生噪聲和發(fā)熱，可適丁各種介質(zhì)環(huán)境工作，是梢密機(jī)械中理想的微位移機(jī)構(gòu)。書p143幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)2.2.滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌壓電器件驅(qū)動(dòng)壓電器件驅(qū)動(dòng)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌作為精密儀器中的精密工作臺(tái)是一種常見的導(dǎo)軌形式，它具有行程大，運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、易實(shí)現(xiàn)較高的定位精度的優(yōu)點(diǎn)。我國1445所使用滾珠導(dǎo)軌作為微動(dòng)工作臺(tái)的支承和導(dǎo)向元件，壓電器件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)分步重復(fù)光刻機(jī)(dsw)的微定位控制圖5-7)。微動(dòng)臺(tái)的最大行程9.5m，定位精度為0.04m。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)3.3.平行平行彈性彈

7、性導(dǎo)軌導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)（1)彈性縮小機(jī)構(gòu)：這種微動(dòng)機(jī)構(gòu)利用兩個(gè)彈簧的剛度比進(jìn)行位移縮小，如圖5-8所示。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)3.3.平行平行彈性彈性導(dǎo)軌導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)（1)彈性縮小機(jī)構(gòu)：這種微動(dòng)機(jī)構(gòu)利用兩個(gè)彈簧的剛度比進(jìn)行位移縮小，如圖5-8所示。這種縮小機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)微動(dòng)臺(tái)承受外力或移動(dòng)導(dǎo)軌部分存在摩擦力時(shí)，它將直接成為定位誤差的因素，而且對(duì)于步進(jìn)狀態(tài)的輸人位移容易產(chǎn)生過渡性的振蕩，所以在不適于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的條件下，可用于光學(xué)零件的精密調(diào)整機(jī)構(gòu)等。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種

8、常用的微動(dòng)工作臺(tái)3.3.平行平行彈性彈性導(dǎo)軌導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)(2)杠桿式位移縮小機(jī)構(gòu) 杠桿式位移縮小機(jī)構(gòu)也是微動(dòng)機(jī)構(gòu)中常用的一種形式。(3)楔形位移縮小機(jī)構(gòu)圖5-10(a)所示是利用具有微小角度的斜楔機(jī)構(gòu)的位移縮小機(jī)構(gòu)也已在實(shí)際中應(yīng)用。特點(diǎn)是易獲得大的縮小比，同時(shí)又能獲得較大的移動(dòng)范圍。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)3.3.平行平行彈性彈性導(dǎo)軌導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)4.4.平行平行彈性彈性導(dǎo)軌導(dǎo)軌電磁或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)電磁或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)為克服絲杠螺母機(jī)構(gòu)的摩擦和間隙，可采用電

9、磁驅(qū)動(dòng)的彈簧導(dǎo)軌微動(dòng)工作臺(tái)。其原理如圖5-11所示，微動(dòng)工作臺(tái)用平行片簧導(dǎo)向，在工作臺(tái)端部固定著強(qiáng)磁體，如坡莫合金制成的小片，與坡莫合金小片相隔適當(dāng)?shù)拈g隙裝有電磁鐵，通過電磁鐵的吸力與上述平行片簧導(dǎo)軌的反力平衡，進(jìn)行微位移動(dòng)工作臺(tái)的定位。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)5 5氣浮導(dǎo)軟氣浮導(dǎo)軟：在近代精密導(dǎo)向技術(shù)中，行程與分辨率是一對(duì)主要矛盾。彈性導(dǎo)軌是為解決高分辨率(亞微米甚至是毫微米級(jí))而采用的，但行程較小。為解決大行程和中等分辨率(亞微米級(jí))的矛盾，在實(shí)際中廣泛使用了氣浮導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌雖然也有可能達(dá)到亞微米級(jí)的精度，但一般而言，滾動(dòng)導(dǎo)軌不如氣

10、浮導(dǎo)軌精度高且保持性和抗干擾性比較差。氣浮導(dǎo)軌具有誤差均化作用，因而可用比較低的制造梢度來獲得較高的導(dǎo)向精度，而目氣浮導(dǎo)軌還可使工作臺(tái)得到無摩擦和無振動(dòng)的平滑移動(dòng)，因此在精密機(jī)械和儀器獲得廣泛的應(yīng)用。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)圖5-15是日本富士通公司的一種精密自動(dòng)掩模對(duì)準(zhǔn)上作臺(tái)，其獨(dú)特之處是楔形縮小機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)兼作x，y方向的直線導(dǎo)軌。楔塊部分由空氣軸承構(gòu)成，通過滾珠絲杠推動(dòng)位移輸人塊，在2mm的移動(dòng)范圍內(nèi)，得到0.03m的分辨率。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)6.6.滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)導(dǎo)軌壓電器件驅(qū)動(dòng)壓電器件驅(qū)動(dòng) 圖5-18是安徽機(jī)械科學(xué)研究所研制的、利用壓電陶瓷實(shí)

11、現(xiàn)刀具自動(dòng)補(bǔ)償?shù)奈⑽灰茩C(jī)構(gòu)及其原理示意圖，在壓電陶瓷上加電壓之后，向左伸長(zhǎng)，推動(dòng)方形楔塊和圓柱楔塊，克服壓板彈簧的彈力將固定鏜刀的刀套頂起，實(shí)現(xiàn)鏜刀的徑向補(bǔ)償。幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)幾種常用的微動(dòng)工作臺(tái)5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件是近年來發(fā)展起來的新刑微位移器件。它其有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、控制簡(jiǎn)羊等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它沒有發(fā)熱問題，故對(duì)精密工作臺(tái)無因熱量而引起的誤差。用這種器件制成的微動(dòng)工作臺(tái)，容易實(shí)現(xiàn)精度為0.1 m的超精密定位，是理想的微位移器件，在精密機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件5. 2. 15. 2. 1壓

12、電與電致伸縮效應(yīng)壓電與電致伸縮效應(yīng)機(jī)電藕合效應(yīng)機(jī)電藕合效應(yīng)電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，有兩種效應(yīng)壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，統(tǒng)稱機(jī)電耦合效應(yīng)。電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而引起應(yīng)變，應(yīng)變與電場(chǎng)方向無關(guān)，應(yīng)變的大小與電場(chǎng)的平方成正比，這個(gè)現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。而壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電極化，電極化的大小與應(yīng)力成正比，電極化的方向隨應(yīng)力的方向而改變。在微位移器件中我們應(yīng)用的是逆壓電效應(yīng)，即電介質(zhì)在外界電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件應(yīng)變，應(yīng)變的大小與電場(chǎng)大小成正比，應(yīng)變的方向與電場(chǎng)的方向有關(guān)，即電場(chǎng)反向時(shí)應(yīng)變也改變方向；電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作

13、用下應(yīng)變與電場(chǎng)的關(guān)系為s=de十m （5-4）式中:de逆壓電效應(yīng)。其中，d為壓電系數(shù),m/v；e為電場(chǎng)，v/m； m電致伸縮效應(yīng)。其中m為電致伸縮系數(shù)，/； s應(yīng)變。5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件應(yīng)變，應(yīng)變的大小與電場(chǎng)大小成正比，應(yīng)變的方向與電場(chǎng)的方向有關(guān)，即電場(chǎng)反向時(shí)應(yīng)變也改變方向；電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下應(yīng)變與電場(chǎng)的關(guān)系為s=de十m （5-4）式中:de逆壓電效應(yīng)。其中，d為壓電系數(shù),m/v；e為電場(chǎng)，v/m； m電致伸縮效應(yīng)。其中m為電致伸縮系數(shù)，/； s應(yīng)變。5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件 逆壓電效應(yīng)僅在無對(duì)稱中心晶體中才有，而電致伸縮效應(yīng)則所有的

14、電介質(zhì)晶體都有，不過一般來說都是很微弱的。壓電單晶如石英、羅息鹽等的壓電系數(shù)比電致伸縮系數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)果在低于1mv/m的電場(chǎng)作用下只有第1項(xiàng)，即逆壓電效應(yīng)。5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件：材料：材料 1.1.壓電晶體壓電晶體 壓電晶體常用的材料是鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇。由欽酸鉛和鉛酸鉛組成的多晶固溶體，全名稱為錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷，代號(hào)pzt(p鉛；z鋯；t鈦)，其特點(diǎn)是:敏度高；機(jī)電耦合系數(shù)大，故機(jī)電換能效率高；機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，幾百到幾千；材料性能穩(wěn)定；居里溫度很高；5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件：材料：材料2.2.電致伸縮材料電致伸縮材料電致伸縮材料最早是p

15、mn錫鎂酸鉛系。1977年美國l. e. cross教授研究出具有大電致伸縮效應(yīng)的弛像鐵電體組分0.9pmn-0.1pt，它的居里點(diǎn)在0附近。1981年又開發(fā)了三元系固溶體0.45pmn-0.36pt-0.19bzn雙弛豫鐵電體，它具有良好的溫度穩(wěn)定性及大電致伸縮效應(yīng)。它的介電常數(shù)、橫向應(yīng)變特性曲線如圖5-20。pmn是由pbo,mgo,ti，bac,zro等按比例燒結(jié)而成。1981年我國1426所研制la：pzt5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件 1.1.壓電徽位移器件壓電徽位移器件用壓電陶瓷作微位移器件目前已得到廣泛的應(yīng)用，如激光穩(wěn)頻、精密工作臺(tái)的補(bǔ)償、精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給

16、以及微調(diào)等。用于精密微位移器件的壓電陶瓷，應(yīng)滿足下列要求：1）電靈敏度高，即單位電壓變形大.2）行程大，電壓變形曲線線性好；3）體積小，穩(wěn)定性好，不老化，重復(fù)性好5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件 1.1.壓電徽位移器件壓電徽位移器件用壓電陶瓷作微位移器件目前已得到廣泛的應(yīng)用，如激光穩(wěn)頻、精密工作臺(tái)的補(bǔ)償、精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給以及微調(diào)等。用于精密微位移器件的壓電陶瓷，應(yīng)滿足下列要求：1）電靈敏度高，即單位電壓變形大.2）行程大，電壓變形曲線線性好；3）體積小，穩(wěn)定性好，不老化，重復(fù)性好。壓電陶瓷的主要缺點(diǎn)是變形量小，即壓電微位移器件在施加較高電壓時(shí)，行程仍很小，所以在設(shè)計(jì)微位移

17、器時(shí)，應(yīng)盡量提高壓電陶瓷的變形量，5.25.2壓電、電致伸縮器件壓電、電致伸縮器件2.2.電致伸縮器件電致伸縮器件電致伸縮器件最早是1977年由cross等人研制的，把pz或pmn材料制成25.4mm，厚2mm的圓片10片疊加起來，如圖5-26（a），外加2.9kv電壓可得到13m的位移，其分辨率為1nm。電致伸縮馳豫型鐵電體比普通的壓電陶瓷更優(yōu)越：1）電致伸縮應(yīng)變大；2）位置重復(fù)性（再現(xiàn)性）好；不需要極化；3）不老化；4）熱膨脹系數(shù)很低。5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)首先由日本研制成功。1955年nihizawa等人開始研究至1975年研制出定位精度

18、為0.2um的微動(dòng)工作臺(tái)，并成功地應(yīng)用于電子束曝光機(jī)中，成為微位移技術(shù)中的一個(gè)新方法。5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理電磁馳動(dòng)的原理如圖5-28所示，把微動(dòng)工作臺(tái)1用4根鏈或金屬絲4懸掛起來；工作臺(tái)兩端分別用彈簧3固定，另外兩端放置兩塊電磁鐵。通過改變電磁鐵線圈的電流來控制電磁鐵對(duì)工作臺(tái)的吸引力，克服彈簧的作用力，達(dá)到控制工作臺(tái)微位移的目的。設(shè)工作臺(tái)的位移量為d，當(dāng)電磁鐵的吸引力為f時(shí)，此時(shí)工作臺(tái)保持平衡。f應(yīng)等于彈簧的拉力f與工作臺(tái)由初始位置位移d所產(chǎn)生的吊簧拉力f之和，即5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理5.

19、35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理電磁鐵的吸引力為式中:b電磁場(chǎng)磁通密度，wb/； 導(dǎo)磁率,h/m； s磁極截面面積，。彈簧的拉力為5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理式中:k彈簧常數(shù),kg/m； d工作臺(tái)移動(dòng)距離，m； g常數(shù)(g=9.8n/kg)。設(shè)由于工作臺(tái)移動(dòng)而形成懸掛絲的偏角為b,工作臺(tái)向上移動(dòng)為ah,那么， h=l(1-cos)式中，l為掛絲長(zhǎng)度，當(dāng)l足夠長(zhǎng)時(shí)，h/l=1- cos。由于很小，故h/l0，故彈簧拉力與掛絲的拉力相比較，可以忽略不計(jì)，所以公式(5-9)變成5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制

20、的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理由上式可見工作臺(tái)移動(dòng)的距離,d與磁通密度的平方成正比，通過改變流過電磁鐵線圈中的電流可以改變磁通密度，以達(dá)到控制位移的目的。5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理通過線圈的電流與磁通密度的關(guān)系為式中：n繞在電磁鐵上的線圈圈數(shù)； l磁路長(zhǎng)度，m； 磁性材料的導(dǎo)磁率, h/m； 空氣隙的導(dǎo)磁率,h/m； d空氣隙長(zhǎng)度，m； i電流強(qiáng)度，a。 將式(5-12)代人式(5-11),5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理得當(dāng)磁性材料的導(dǎo)磁率比氣隙導(dǎo)磁率大得多時(shí)，即ld,則：公式(5-13)變?yōu)?(5

21、-14)由上式可見，工作臺(tái)移動(dòng)的距離與電流和線圈圈數(shù)平方成正比。5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理5.3.35.3.3設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)問題設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)問題1.1.精度、穩(wěn)定速度和精度、穩(wěn)定速度和氣隙氣隙的關(guān)系的關(guān)系：當(dāng)不考慮磁飽和特性時(shí)，隨精度和定位范圍的確定，則合適的穩(wěn)定速度和氣隙長(zhǎng)度也確定了。電流變化速度i/a和氣隙d變化量之間的關(guān)系如圖5-30。|d|司在1um1omm之間，精度k為0.1um10um。為提高精度，應(yīng)采取較高的電流變化精度。5.35.3電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)電磁控制的微動(dòng)工作臺(tái)_ _工作原理工作原理5.45.4柔性鉸鏈柔性鉸鏈

22、20世紀(jì)60年代前后，由于宇航和航空等技術(shù)發(fā)展的需要，對(duì)實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅提出了高分辨率的要求而且對(duì)其尺寸和體積提出了微型化的要求。人們?cè)诮?jīng)過對(duì)各類型的彈性支承的實(shí)驗(yàn)探索后，才逐步開發(fā)出體積小無機(jī)械摩擦、無間隙的柔性鉸鏈。隨后，柔性鉸鏈立即被廣泛地用十陀螺儀、加速度計(jì)、精密天平、導(dǎo)彈控制噴嘴形波導(dǎo)管天線等儀器儀表中，并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性。5.45.4柔性鉸鏈柔性鉸鏈如日本工業(yè)技術(shù)院計(jì)量研究所，利用柔性鉸鏈原理研制的角度微調(diào)裝置，在3分的角度范圍內(nèi)，達(dá)到了1000萬分之一度的穩(wěn)定分辨率。近年來，柔性鉸鏈又在精密微位移工作臺(tái)中得到了實(shí)用，開創(chuàng)了工作臺(tái)進(jìn)人毫微米級(jí)的新時(shí)代。柔性

23、鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，它的特點(diǎn)是:無機(jī)械摩擦、無間隙、運(yùn)動(dòng)靈敏度高。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。5.45.4柔性鉸鏈柔性鉸鏈的類型的類型1.1.單軸柔性鉸鏈單軸柔性鉸鏈 截面形狀有圓形和矩形的兩種，如圖5-32所示。 2.2.雙軸柔性鉸鏈雙軸柔性鉸鏈： 雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)互成90度的單軸柔性鉸鏈組成的(圖5-33(a)，對(duì)于大部分應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是兩個(gè)軸沒有交叉，具有交叉軸的最簡(jiǎn)單的雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)前杨i部做成圓桿狀(圖5-33(b)，這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且加工容易，但它的截面面積比較小，因此縱向強(qiáng)度比圖5-33(a)弱得多。需要垂直交叉

24、和沿縱向軸高強(qiáng)度的雙軸柔性鉸鏈，可采用圖5-33(c)的結(jié)構(gòu)。5.45.4柔性鉸鏈柔性鉸鏈的類型的類型5.55.5精密微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及其特性分析精密微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及其特性分析 實(shí)現(xiàn)微位移機(jī)構(gòu)的方案比較多，用途也很廣泛，根據(jù)不同的要求，采取不同的方案。應(yīng)以滿足使用要求而又經(jīng)濟(jì)合理為準(zhǔn)則。但作為精度補(bǔ)償用的微動(dòng)工作臺(tái)，因它的精度要求比較高，一般都在亞微米級(jí)以上，所以設(shè)計(jì)時(shí)除滿足使用要求外，還應(yīng)具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。5.5.15.5.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 1）微動(dòng)工作臺(tái)的支承或?qū)к壐睉?yīng)無機(jī)械摩擦和無間隙，使其具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復(fù)精度，同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程；2）微動(dòng)

25、工作臺(tái)應(yīng)具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)定性；3）微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保微動(dòng)臺(tái)有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力，即最好采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，無傳動(dòng)環(huán)節(jié)；4）微動(dòng)系統(tǒng)要便于控制，而且響應(yīng)速度快。5.5.25.5.2設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)問題設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)問題1.1.導(dǎo)軌形式的選擇對(duì)分辨率的影響導(dǎo)軌形式的選擇對(duì)分辨率的影響在微位移范圍內(nèi)，為使工作臺(tái)具有較高的位移分辨率，希望驅(qū)動(dòng)力或輸人位移的微小變化，就能使工作臺(tái)有所響應(yīng)，因此導(dǎo)軌副間的摩擦力及其變化特性，對(duì)工作臺(tái)的微位移運(yùn)動(dòng)特性有著重要的影響。5.5.25.5.2設(shè)計(jì)中需考慮的幾個(gè)問題設(shè)計(jì)中需考慮的幾

26、個(gè)問題滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌的最小位移分辨能力主要受靜、動(dòng)摩擦力之差f和傳動(dòng)系統(tǒng)剛度k的影響，減小動(dòng)、靜摩擦力之差和提高傳動(dòng)環(huán)節(jié)的剛度是提高工作臺(tái)位移分辨率的主要措施。但是由于滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造困難、抗震性差、對(duì)臟物非常敏感，因此不適于作微動(dòng)工作臺(tái)。由于彈性導(dǎo)軌僅利用受力后的彈性變形來實(shí)現(xiàn)微位移，故僅存在彈性材料內(nèi)部分子之間的內(nèi)摩擦，而且沒有間隙，因此可以達(dá)到極高的分辨力。2.2.微微動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)彈性微動(dòng)工作臺(tái)的位移精度完全取決于輸人位移的精度，因此如何產(chǎn)生微小位移是微位移技術(shù)中的重要問題。由第1節(jié)中可知，形成微位移的方法有兩種:過機(jī)械方法縮小輸入位移；用各種物理原理直接

27、產(chǎn)生微小位移。 2.2.微微動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)如前所述，機(jī)械式縮小方法，如彈性縮小機(jī)構(gòu)、杠桿、楔塊、絲杠等，都是通過縮小輸人位移來提高位置分辨率，已在實(shí)際中得到了應(yīng)用，并達(dá)到了亞微米級(jí)的定位精度。但它們共同的缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，故有各自的局限性。2.2.微微動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)直接產(chǎn)生微小位移的機(jī)構(gòu)，按物理原理，主要有:電熱式、電磁式、壓電和電致伸縮式及磁致伸縮式等。1）電熱式和磁致伸縮式兩種微動(dòng)裝置伴隨有發(fā)熱現(xiàn)象，故此難以做到高精度。2）利用電磁吸力與平行彈ni導(dǎo)軌的反力平衡，而實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的微動(dòng)裝置也獲得廣泛的應(yīng)用，它的特點(diǎn)是行程范圍大、分辨率較高 ,精度較高;其缺點(diǎn)是，將工作臺(tái)保持一定位置時(shí)，電磁鐵線圈中始終要通過一定的電流，結(jié)果由于發(fā)熱而彰響精度，此外這種結(jié)構(gòu)的位移階躍響應(yīng)也同樣有振蕩的瞬態(tài)響應(yīng)，存在著靈敏度高時(shí)難于穩(wěn)定的問題。2.2.掀動(dòng)工作臺(tái)的馳動(dòng)掀動(dòng)