超精密及微机床的原理及设计方法

I超精密及微机床的原理及设计方法，摘要随着科学技术的发展，各类微小型光机电元件日益增高的需求逐渐成为一种趋势，它们在国防军工、生命医学、航空航天和微电子等高技术领域中的应用越来越广泛。这些需求不仅要求微小型光机电元件尺寸小、表面精度高，而且形状特征大都较为特异。在这种趋势下，微细加工技术及超精密机床逐渐受到学术界和工程界的关注。微位移技术是精密机械和仪器实现高精度的关键技术之一。论文介绍了一些典型微位移机构的结构、原理、特点和应用,并对这些机构进行了比较分析,最后介绍了应用实例。关键词：微位移机构机械传动热变形弹性变形压电陶瓷直线电机IIUltra-precisionandmicro-machinetheoryanddesignmethods&ultra-precisionmicro-machiningofthemodelAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,therisingdemandofkindsofsmall-sizedoptic-mechanicalcomponentsgraduallybecomesatrend,theyareusedmorewidelyinthehightechnologyfieldofdefenceandmilitary,lifescience,aerospaceandmicroelectronics.Thesedemandsrequiresmall-sizedoptic-mechanicalcomponentsnotonlyhavesmallsize,high-precisionsurface,butmorespecificshapecharacteristic.Underthiskindoftrend,micro-fabricationtechnologyisgraduallyconcernedbyacademiaandprojectcircle.Themicro-motiontechniqueisoneofkeytechniqueofprecisionmachineryandinstrumentforhignaccuracy.Thispaperintroductionstructure,principleandapplicationsofsometypicalthemicro-motionmechanisms.Thecomparisonsamongthesearecarriedout.ApplicationlivingexampleisalsointroducedKeyword:micro-motionmechanismmachinerytransmissionthermaldeformationelasticdeformationpiezoelectricceramiclinearmotor1目录第一章绪论.21-1课题研究的意义.21-2超精密技术机床发展的现状.21-3超精密机床进给系统的重要性与微进给技术.3第二章微进给技术.42-1机械传动式微位移机构.42-1-1螺旋式和差动螺旋式微位移机构.42-1-2组合式机械传动式微位移机构.62-2机电传动式微位移机构.82-2-1直线电机式微位移机构.82-2-2磁致伸缩式微位移机构.92-2-3电致伸缩式微位移机构.92-2-4压电元件式微位移机构.102-2-5电热变形式微位移机构.112-3其他形式的微位移机构.112-3-1柔性铰链式微位移机构.112-3-2形状记忆合金式微位移机构.12第三章微进给机构的设计选择.133-1现有微进给方法及其存在问题.133-2微进给机构方案论证.13第四章结论与展望.154.1结论.154.2展望.15参考文献.162第一章绪论1-1课题研究的意义精密和超精密加工技术作为高科技领域中的基础技术，不论是在军用工业，还是在国民经济建设中部发挥着重要的作用，是尖端技术产品开发中不可缺少的关健手段，同时，它又推动着半导、体技术、光电技术、材料科学及测量技术等相关领域的发展。因此，精密和超精密加工技术是国家科学技术发展的重要支撑技术，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。其最大的特点是在综合应用机械发展的新成就（新型轴承、导轨、传动装置、微位移技术等）以及现代电子、测量、计算机等新技术的基础上大幅度提高机械加工的精度和水平，向机械加工精度的极限纳米级水平挑战，它已经成为机械加工技术发展的重要方向之一。1-2超精密技术机床发展的现状超精密加工技术由60年代初期形成至今，其加工精度己由1-0.5m发展到0.05-0.005m的水平。我国超精密机床的研制始于60年代。80年代初，所研制出的超精密机床有的己进入世界先进行列，但总的来看，与工业发达国家的差距较大，仍需大力发展。近年来国家各有关部门都把超精密加工技术列为重点发展技术。目前，实现精密加工和超精密加工的方法主要有：超精密切削（如超精密金刚石刀具），镜面车削、镗削和铣削等，超精密磨削、研磨和抛光，超精密微细加工（电子束、离子束、激光束加工以及硅微器件的加工技术等）。在精密和超精密加工技术研究和发展的过理中，精密和超精密机床起着决定性的作用。在超精密车削中，金刚石刀具的切深微调要保证在亚微米级的精度；在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到百分之几微米；用于超精密机床的误差补偿微量进给机构，其位移精度要求更高。目前数控精密车床普遍只能达到1m的进给分辨率，数控精密内外圆床等装备加工的圆度和圆柱度精3度为25m，远不能满足高精度加工要求。采用非传统加工方法虽然有时可以得到较高的加工精度和表面粗粗度要求，但由于受到使用条件和加工成本等因素的影响，使其应用受到很大局限。如何提高基于传统加工方法加工精度和表面粗糙度，是制造业急切关注的问题。要提高机床的加工精度，可通过提高机床的基准元部件的精度、改进机床控制系统、提高机床材料性能等来实现，但是以上方法会大幅提高机床的成本和开发难度，而且一些加工中产生的误差仍然难消除。1-3超精密机床进给系统的重要性与微进给技术超精密车床研制涉及多项关键技术:精密主轴系统，床身导轨与溜板系统，进给与微进给系统、位移测量系统、车床控制系统、减隔振系统和温控系统等等。进给与微进给系统能否达到高精度的进给和定位是超精密车床能否实现高精度加工的关键，就目前国内机械制造水平来看，实现大行程高精度进给和定位是比较困难的。因此在超精密车床总体方案中设计了微量进给刀架作为批量生产时零件尺寸精度达到亚微米级的保证，并作为误差补偿的执行机构。20世纪70年代，美国和日本学者提出采用微进给的方法来改进和提高机床的进给精度，为提高机床加工精度提供了新的思路和方法。采用微量进给机构实现刀具的精确微小位移，并在加工过程中对加工误差做出相应补偿是保证零件尺寸加工精度、实现精密、超精密切削加工的必要手段。同时，各种功能材料的不断涌现，加工与制造工艺的不断完善，也为新型微位移和微定位装置的研究和设计提供了条件。微位移技术已成为精密和超精密加工的关键技术之一，被广泛应用于超精密加工中，以调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量。微量进给技术的研究不仅关系到超精密车床研制、而且是精密机械、微电子、生物工程等多种学科赖以发展的基础。如:随着微电子技术向大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)方向发展，线条越来越细化，动态RAM线宽4己缩小到0.07pm左右，对于相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3-1/5。即亚微米甚至纳米级的精度。可见，微进给技术是实现纳米级加工精度和提高各学科水平的关键所在。第二章微进给技术国内外大量科技工作者多年来致力于微进给技术的研究，使微进给技术取得了长足的发展。微进给的实现方法多种多样，可分为机械式和机电式两大类。机械式又大致分为：机械传动和弹性变形口机械传动采用精密传动装置或增加减速装置的方法。机电式主要有：电热式、电磁伸缩式、压电/电致伸缩式。现将一一简述。2-1机械传动式微位移机构机械传动式微位移机构是一种最早出现的机构,在精密机械和仪器中应用甚广，比较成熟，其结构形式较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、楔块、凸轮机构、弹性机构以及它们的组合机构。机械传动式微位移机构的特点：（1）具有较好的分辨率；（2）行程较大；（3）存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行等缺点，所以运动灵敏度和运动精度都难以达到高精度，故仅适应于中等精度。2-1-1螺旋式和差动螺旋式微位移机构1、螺旋式微位移机构螺旋式微位移机构具有较高的分辨率，可以获得大行程的位移，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。图1是螺旋式微位移机构的简图。转动手轮经螺杆将螺旋运动转换为直线位移运动。位移与手轮转角之5间的关系：其微动灵敏度为：式中螺距2tStS2t、手轮转角。因此，若螺杆螺距已定，在螺杆与螺母配合和传动平稳时，精确控制的大小，t就可得到微位移，一般精度可达到10。它广泛应用于测量机构及微调机构，m如千分尺和精密工作台的传动机构等。2、差动螺旋式微位移机构为了得到更高精度的微位移，可采用如图2所示的差动螺旋式微位移机构。它的螺杆有两段螺距，分别为和的螺纹，且螺旋方向相同，则螺母1t21t2的微位移为：S2)(1tS式中为手轮转角。若和分别为0.75mm和0.7mm，其差值为0.05mm，手1t2轮T的圆周刻度分划为50格，则手轮转动时，运动件3的位移量可小至1。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m相似，结构相对紧凑，但是差动螺母的加工精度较难保证。图2差动螺旋式微位移机构62-1-2组合式机械传动式微位移机构1、凸轮式微位移机构它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、结构简单。2、.螺旋斜面组合式微位移机构它由螺旋机构和斜块机构两部分组成,如图3所示。图3螺旋斜面组合式微位移机构旋转螺杆1，从动螺母2推动推杆3向前移动，并推动斜块5移动，从而使滑块6产生微动，其位移量为：tgS2式中：螺杆的螺距t螺杆转角斜块斜面与水平面的倾角，一般取=1/50。tg3、蜗轮一凸轮组合式微位移机构7如图4所示，它由蜗轮蜗杆副1及凸轮4组成，主动件蜗,1转动，经过蜗杆蜗轮副减速，带动凸轮转动，通过滚轮5使滑板6得到微位移。图4蜗轮一凸轮组合式微位移机构4、齿轮一杠杆组合式微位移机构如图5所示，手轮轴1转动，经过三级齿轮副减速后，变成扇形齿轮2的微小转角，2是一个杠杆机构，转换成运动件5的微位移。此外，还有摩擦齿轮组合式微位移机构（可以获得很高的微动灵敏度0.1）和螺旋一锥轮组合式微位移机构等等。这些组合式微位移机构相对复m杂些，一般应用于特定场合。8图5齿轮一杠杆组合式微位移机构5、扭轮摩擦传动式微位移机构它是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机构。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。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，且有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。它可应用于许多超精密传动领域。6、弹性变形传动式微位移机构该微位移机构是依靠片弹簧、螺旋弹簧等弹性元件的变形来实现微动的。由于弹性元件在传递位移过程中无外部摩擦,，仅存在材料内部分子之间的内摩擦,因此具有较高的灵敏度和稳定性,并具有较高的分辨率。这种机构结构简单,可获得较多的分辨率；定位精度较低。由于输人位移是步进状的，故易产生过渡性振荡，不适于要求动态响应的场合。可用于高精度测量技术及光学零件的精密调整机构等。2-2机电传动式微位移机构2-2-1直线电机式微位移机构直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率的优点。在利用空气轴承微步进直线电机作为驱动件产生微位移时，由于简化了系统的结构，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，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可达到瞬时高加速度和减速度。为此，它的快速进给速度达到2.5m/s以上，几乎在瞬间可加速到几个重力加速度。在高加速度时，通常可产生几个牛顿推力。在常载下可达到1m以内的重复定9位精度。另外，使用直线电机的伺服系统具有较大的刚度和较小的外形尺寸，在计算机控制的精密车削和磨削加工中得到成功的应用。但是，直线电机目前还存在着成本较高、发热较严重、控制系统较复杂等问题，故应用还受到一定限制。但是，随着科学技术的发展，直线电机的上述问题将得到解决。直线电机式微位移机构将会得到广泛的应用。2-2-2磁致伸缩式微位移机构该微位移机构的工作原理图如图所示，磁致伸缩棒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。图6磁致伸缩式微位移机构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、工作稳定性好等优点。但电磁伸缩式中，镍、铝、铁合金等一类材料在电磁场作用下产生磁致伸缩，其磁场强度与磁致伸缩量之间不严格成线性关系，且使用电能产生磁场的同时会伴有发热，不仅增加了热源，而且使磁致伸缩材料产生热伸缩，微位移精度受到影响，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。2-2-3电致伸缩式微位移机构10该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。该机构具有控制简单、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。弹性薄膜和电致伸缩微位移机构组合的微进给结构简图。这里电致伸缩微位移机构的伸缩带动工作台运动，实现微进给。工作台本身由弹性薄膜支撑，并受器约束，弹性薄膜的刚度对系统的输出位移量由很大的影响。这种微进给机构已成功地应用于超精密加工中的误差测量及补偿。电致伸缩材料微位移机构已广泛应用于光导纤维的定位、微型机械手、振动传输装置、计量设备和机构制造等领域。2-2-4压电元件式微位移机构该机构如图7所示利用压电元件（陶瓷）的逆压电效应来实现微位移，改变输人电压的大小即可得到不同的微位移。该机构具有以下优点：（1）不需传动机构，位移控制精度高。（2）响应速度快，无机械吻合间隙，有较好的动特性和有很高的响应频率（响应时间达100m），可实现电压随动式位移控制。（3）功耗低，并且当物体保持一定位置时器件几乎无功耗。（4）体积小，尺寸小，重量轻，易于图7压电元件式微位移机构与电源、传感器、计算机等实现闭环控制，便于遥控、能实现自动微量进给。112-2-5电热变形式微位移机构本机构的微动原理见图8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件2上。当线圈3通电后，产生热量，使传动杆受热伸长，其伸长量为：L)(01tL式中：传动杆材料的线膨胀系数L传动杆的长度、被加热到温度和加热前的温1t2度。图8热变形式微位移机构,为了减小位移的相对误差，应选择线膨胀系数和弹性模量较高的材料制成传动杆。电热变形式微位移机构的特点：结构简单、操作控制方便位移精度受热交换的影响，因而影响位移精度由于存在热惯性，所以限制了微移的速度，不宜作行程较长、频率较高的微位移机构。2-3其他形式的微位移机构2-3-1柔性铰链式微位移机构该机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它是利用压电元件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9所示为螺旋测微仪驱动的柔性铰链式微位移机构。如果螺旋12测微仪的输人位移为，则运动件的输出位移为：ix0x)1(2300Lmxi式中，m为杠杆机构的缩小倍数。可通过改变、0L1和来调节m，以得到不2L3同的分辨率。图9柔性铰链式微位移机构该类机构结构紧凑、体积很小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、抗振动干扰能力强、具有较高的位移分辨率。2-3-2形状记忆合金式微位移机构这种机构是利用在低温相态无论如何变形，只要加热到一定温度就会马上恢复到原来高温下的形状特性来实现微位移。于是通过电流控制温度即可实现微位移。它已广泛用于机械化、电气、医疗以及高精度控制等领域。13第三章微进给机构的设计选择3-1现有微进给方法及其存在问题随着制造技术的不断发展，微量进给机构被广泛应用于超精；加工中，以调整工具，保证工件的加工尺寸精度和表面质量。如在精密车削中，金刚石刀具的切深微调要保证在亚微米级的精度：在精密磨削中，砂轮的微迸给量要求达到百分之几微米：用于超精密车床的误差补偿微量进给装置，其位移精度要求更高。因此，在精密加工特别是超精密加工中，微量进给机构是十分重要的组成部分能满足高精度、高速加工的性能要求，微量进给机构必须具有三个方面性：(1)较高的位移精度：(2)较大的行程范围：(3)较高的响应频率。而以上介绍的各种微进给技术方式中，各自都存在缺点：机械式微进给技术具有较长的运动范围，但位移分辨率较低，其运动刚度决定于设计参数。该类装置的自动控制进给过程比较复杂，弹性变形式微进给技术是依靠机构的弹性变形来驱动执行部件实现微进给的。若不受外界摩擦的影响，该装置能实现极微小的微进给，但运动刚度较差。而直线电机、新型电磁力、压电陶瓷、形状记忆合金技术的微进给都属于场致场致变形式微进给技术。场致变形式微进给技术是一种利用温度、磁场、电场的变化使构件变形来驱动执行件作微量位移的技术，如热变形微量进给机构，磁致伸缩微量进给机构，电致伸缩微量进给机构等。这类机构可获得很高的位移分辨率和较高的响应频率，但行程范围却很小。总之，现有的许多种微进给技术机构都难以同时满足高频响、大行程、高精度等方面的性能要求。3-2微进给机构方案论证14压电陶瓷微进给机构已成功地应用于高技术领域，如光跟踪系统、机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印和扬声器等。压电陶瓷作为微位移驱动器具有以下优点：(1)不需传动机构，位移控制精度高。(2)响应速度快，无机械吻合间隙，可实现电压随动式位移控制。(3)功耗比电磁马达式微进给驱动器低一个数量级，并且当物体保持一定位置时，器件几乎无功耗。(4)体积小，重量轻，易于与电源、传感器、计算机等实现闭环控制，且尺寸比磁控合金和温控形状记忆合金要小。但压电陶瓷驱动器存在的迟滞、蠕变、非线性等缺陷和柔性铰链机构本身具有的误差以及它们之间的耦合特性，直接影响了微位移驱动器工作台的控制精度和动态响应特性。通过查阅相关文献我们得到现有超精密机床对微进给系统有以下几个方面的性能要求：较大的进给行程、很高的定位精度以及适当的制造成本等。并且具有较快的反应速度和友好的操作方式。一些具体的相关数据为：在单轴驱动轴上达微进给功能，在其驱动行程30um50um范围内，达到02um左右工作精度，其驱动力为80Nurn。压电陶瓷的驱动行程能够很好满足其要求，压电陶瓷驱动的微定位工作台运动平滑，分辨率高，刚度好，驱动行程较大，在微定位工作台设计中经常作为驱动单元使用，而且其控制系统成本较低、体积小、可靠性好、响应时间较快、应用灵活，能满足超精密机床改造的要求。15第四章结论与展望4.1结论在本课题超精密及微机床的原理及设计方法，超精密微加工机床的模型中，本人负责进给系统的设计研究，本文介绍了超精密