微位移机构教材

广义机构

——微位移机构

PPTDesignBy武俊峰组员：鱼博、马万里、祁晓敏、武俊峰一、微位移技术介绍1、微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键技术2、微位移技术包括微微位移机构、检测装置和控制系统微位移技术微位移机构检测装置控制系统微位移机构：微位移机构是指行程小(一般小于毫米级)、灵敏度和精度高(微米、纳米级)的机构。是微位移系统的核心。检测装置：用传感器按一定规律将微位移机构的位移输出转换成电量输出。控制系统：对动态性能掌控、补偿和修正材质和机理的缺陷、反馈调节驱动器的非线性等不良特性等。它的开发与研究对微位移技术的应用和推广至关重要。应用领域：电子技术、宇航、生物、医学工程等。二、微位移机构组成：微位移驱动器、微动工作台作用：既可以作为微进给和微调节部件也可作

为工艺系统动、静态误差补偿的关键部件。

分类：（1）直线电机式微位移机构（2）机械传动式微位移机构（3）扭转摩擦传动式微位移机构（4）弹性变形传动式微位移机构（5）压电元件与电致伸缩式微位移机构（6）热变形式微位移机构（7）磁致伸缩式微位移机构1、直线电动式微位移机构优点：任意的调节行程、无限的位移分辨率、响应

快、达到瞬时高加速度和减速度。缺点：成本高、发热较严重及控制系统复杂。2、机械传动式微位移机构分类：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。优点：出现最早、相对成熟；具有较好的分辨率。缺点：机械间隙、摩擦磨损以及爬行等，从而导致精度

和灵敏度都难以达到高精度，只适应于中等精度。3、扭转摩擦传动式微位移机构特点：运动平稳、无间隙及无爬行，可得到纳米级运动分辨率和定位精度。4、磁致伸缩式微位移机构（如下图）优点：结构紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传

动惯量小、工作稳定性好缺点：磁场强度和磁致伸缩量之间不严格的线性关系

使得在磁场作用下伴有发热，因此微动精度不高。

℃[℃5、压电元件和电致伸缩式微位移优点：结构紧凑、体积小、分辨力高、控制简单等优点，同时没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。电致伸缩效应：电介质在电场的作用下由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为电致伸缩效应。压电效应：压电效应是指电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。压电陶瓷（PZT）是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体。特性:压电陶瓷在温度高于或等于相变温度时不存在压电效应，而低于相变温度时才存在压电效应。微位移器件对压电陶瓷的要求：1）压电灵敏度高，即单位电压变形大2）行程大。电压变形曲线线性好3）体积小、稳定性好、不老化、重复性好。压电伸缩型陶瓷具有较大迟滞和蠕变、响应快和温度对性能影响小等特点。而电致伸缩型陶瓷具有较小的迟滞和蠕变的特点，但在响应时间及温度对性能的影响等方面较电致伸缩型陶瓷差。一种三维微微移平台三、导轨的形式及特点

导轨作为微位移机构重要组成部分，主要是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷(包括工作台、滑板部件的重量)的。对导轨的基本要求是:导向精度高、精度保持性好、运动灵活而平稳、结构简单、工艺性好等。1、滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。优点：结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点：摩擦阻力大、磨损快;动、静摩擦系数差别大，低速度时易产生爬行。这种导轨很难达到亚微米级以上的精度，不适宜用于微动平台。2、滚动导轨：两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体使导轨运动处于滚动状态。优点：滚动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏。缺点：导轨是点或线接触，故抗振性差、接触应力大、结构比滑动导轨复杂、制造困难、成本高。其定位精度和分辨率虽较滑动导轨工作台有较大提高但仍难于稳定地达到亚微米级以上的高精度指标。因此也不适宜用于制作微动平台。3、气浮导轨是在两导轨面间有气腔，当压力空气引入气腔后工作台浮起，在两导轨面之间形成一层极薄的气膜且气膜厚度基本上保持恒定不变。优点：运动精度高、无发热现象、摩擦与振动小且无爬行。缺点：承载能力低、刚度低、需要有一套高质量的气源、气膜厚度小。安装不正确会产生变形影响精度。总之气浮导轨能达到亚微米甚至纳米级的精度,但其结构一般比较庞大使用费用较高。4、平行弹性导轨：工作台由平行簧片支承当受到驱动力F的作用时簧片发生变形，使工作台在水平方向上产生微小位移。由于弹性导轨仅利用受力后的弹性变形来实现微位移，故仅存在弹性材料内部分子之间的内摩擦而且没有间隙，因此可以达到极高的分辨率但其行程较小。

检测系统的精度占仪器总精度的1/3~1/10常用检测仪器，包括电感式位移传感器、电容式位移传感器、激光干涉仪、光纤位移传感器等。电感式位移传感器原理：利用线圈自感或互感的变化来实现位移测量。但是存在线圈阻挠。优点：结构简单输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨率可达0.01um，稳定性好。电容式位移传感器原理：当恒定的交流电加在传感器电容上，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比。特点：无磨损、免维修、高的零点稳定性和精度、几乎与温度无关、传感器对被测体没有作用力与被测体导电性能以