微位移機(jī)構(gòu)教材

廣義機(jī)構(gòu)

——微位移機(jī)構(gòu)

PPTDesignBy武俊峰組員：魚博、馬萬(wàn)里、祁曉敏、武俊峰一、微位移技術(shù)介紹1、微位移技術(shù)是超精密加工及檢測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)2、微位移技術(shù)包括微微位移機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)微位移技術(shù)微位移機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)微位移機(jī)構(gòu)：微位移機(jī)構(gòu)是指行程小(一般小于毫米級(jí))、靈敏度和精度高(微米、納米級(jí))的機(jī)構(gòu)。是微位移系統(tǒng)的核心。檢測(cè)裝置：用傳感器按一定規(guī)律將微位移機(jī)構(gòu)的位移輸出轉(zhuǎn)換成電量輸出?？刂葡到y(tǒng)：對(duì)動(dòng)態(tài)性能掌控、補(bǔ)償和修正材質(zhì)和機(jī)理的缺陷、反饋調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的非線性等不良特性等。它的開發(fā)與研究對(duì)微位移技術(shù)的應(yīng)用和推廣至關(guān)重要。應(yīng)用領(lǐng)域：電子技術(shù)、宇航、生物、醫(yī)學(xué)工程等。二、微位移機(jī)構(gòu)組成：微位移驅(qū)動(dòng)器、微動(dòng)工作臺(tái)作用：既可以作為微進(jìn)給和微調(diào)節(jié)部件也可作

為工藝系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件。

分類：（1）直線電機(jī)式微位移機(jī)構(gòu)（2）機(jī)械傳動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)（3）扭轉(zhuǎn)摩擦傳動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)（4）彈性變形傳動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)（5）壓電元件與電致伸縮式微位移機(jī)構(gòu)（6）熱變形式微位移機(jī)構(gòu)（7）磁致伸縮式微位移機(jī)構(gòu)1、直線電動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：任意的調(diào)節(jié)行程、無(wú)限的位移分辨率、響應(yīng)

快、達(dá)到瞬時(shí)高加速度和減速度。缺點(diǎn)：成本高、發(fā)熱較嚴(yán)重及控制系統(tǒng)復(fù)雜。2、機(jī)械傳動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)分類：螺旋機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)、楔塊、凸輪機(jī)構(gòu)、彈性機(jī)構(gòu)以及它們的組合機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：出現(xiàn)最早、相對(duì)成熟；具有較好的分辨率。缺點(diǎn)：機(jī)械間隙、摩擦磨損以及爬行等，從而導(dǎo)致精度

和靈敏度都難以達(dá)到高精度，只適應(yīng)于中等精度。3、扭轉(zhuǎn)摩擦傳動(dòng)式微位移機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)間隙及無(wú)爬行，可得到納米級(jí)運(yùn)動(dòng)分辨率和定位精度。4、磁致伸縮式微位移機(jī)構(gòu)（如下圖）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)精度高、無(wú)間隙、剛性好、傳

動(dòng)慣量小、工作穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁致伸縮量之間不嚴(yán)格的線性關(guān)系

使得在磁場(chǎng)作用下伴有發(fā)熱，因此微動(dòng)精度不高。

℃[℃5、壓電元件和電致伸縮式微位移優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨力高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)沒有發(fā)熱問(wèn)題，故對(duì)精密工作臺(tái)無(wú)因熱量而引起的誤差。電致伸縮效應(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(wú)關(guān)，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)。壓電效應(yīng)：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。壓電陶瓷（PZT）是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在1200度高溫下燒結(jié)而成的多晶體。特性:壓電陶瓷在溫度高于或等于相變溫度時(shí)不存在壓電效應(yīng)，而低于相變溫度時(shí)才存在壓電效應(yīng)。微位移器件對(duì)壓電陶瓷的要求：1）壓電靈敏度高，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。壓電伸縮型陶瓷具有較大遲滯和蠕變、響應(yīng)快和溫度對(duì)性能影響小等特點(diǎn)。而電致伸縮型陶瓷具有較小的遲滯和蠕變的特點(diǎn)，但在響應(yīng)時(shí)間及溫度對(duì)性能的影響等方面較電致伸縮型陶瓷差。一種三維微微移平臺(tái)三、導(dǎo)軌的形式及特點(diǎn)

導(dǎo)軌作為微位移機(jī)構(gòu)重要組成部分，主要是用來(lái)保證各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度以及承受載荷(包括工作臺(tái)、滑板部件的重量)的。對(duì)導(dǎo)軌的基本要求是:導(dǎo)向精度高、精度保持性好、運(yùn)動(dòng)靈活而平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好等。1、滑動(dòng)導(dǎo)軌是支承件和運(yùn)動(dòng)件直接接觸的導(dǎo)軌。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、接觸剛度大。缺點(diǎn)：摩擦阻力大、磨損快;動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速度時(shí)易產(chǎn)生爬行。這種導(dǎo)軌很難達(dá)到亞微米級(jí)以上的精度，不適宜用于微動(dòng)平臺(tái)。2、滾動(dòng)導(dǎo)軌：兩導(dǎo)軌面之間放入滾珠、滾柱、滾針等滾動(dòng)體使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)處于滾動(dòng)狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：滾動(dòng)摩擦阻力小，使工作臺(tái)移動(dòng)靈敏。缺點(diǎn)：導(dǎo)軌是點(diǎn)或線接觸，故抗振性差、接觸應(yīng)力大、結(jié)構(gòu)比滑動(dòng)導(dǎo)軌復(fù)雜、制造困難、成本高。其定位精度和分辨率雖較滑動(dòng)導(dǎo)軌工作臺(tái)有較大提高但仍難于穩(wěn)定地達(dá)到亞微米級(jí)以上的高精度指標(biāo)。因此也不適宜用于制作微動(dòng)平臺(tái)。3、氣浮導(dǎo)軌是在兩導(dǎo)軌面間有氣腔，當(dāng)壓力空氣引入氣腔后工作臺(tái)浮起，在兩導(dǎo)軌面之間形成一層極薄的氣膜且氣膜厚度基本上保持恒定不變。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)精度高、無(wú)發(fā)熱現(xiàn)象、摩擦與振動(dòng)小且無(wú)爬行。缺點(diǎn)：承載能力低、剛度低、需要有一套高質(zhì)量的氣源、氣膜厚度小。安裝不正確會(huì)產(chǎn)生變形影響精度?？傊畾飧?dǎo)軌能達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)的精度,但其結(jié)構(gòu)一般比較龐大使用費(fèi)用較高。4、平行彈性導(dǎo)軌：工作臺(tái)由平行簧片支承當(dāng)受到驅(qū)動(dòng)力F的作用時(shí)簧片發(fā)生變形，使工作臺(tái)在水平方向上產(chǎn)生微小位移。由于彈性導(dǎo)軌僅利用受力后的彈性變形來(lái)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)到極高的分辨率但其行程較小。

檢測(cè)系統(tǒng)的精度占儀器總精度的1/3~1/10常用檢測(cè)儀器，包括電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、激光干涉儀、光纖位移傳感器等。電感式位移傳感器原理：利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。但是存在線圈阻撓。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，分辨率可達(dá)0.01um，穩(wěn)定性好。電容式位移傳感器原理：當(dāng)恒定的交流電加在傳感器電容上，傳感器產(chǎn)生的交流電壓與電容電極之間的距離成正比。特點(diǎn)：無(wú)磨損、免維修、高的零點(diǎn)穩(wěn)定性和精度、幾乎與溫度無(wú)關(guān)、傳感器對(duì)被測(cè)體沒有作用力與被測(cè)體導(dǎo)電性能以