６机电一体化Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ２００５年第２期微位移机构综述ＳｕｍｍａｒｙｏｎＭｉｃｒｏ—ｍｏｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍ荣烈润摘要：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。介绍了一些典型的微位移机构的结构、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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｉｃｒｏ—ｍｏｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｏｆｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄｉｎｓｔｍｍｅｎｔｆｏｒｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｔｍｃｔｕｒｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｔｈｅｍｉ—ｃｒｏ—ｍｏｔｉｏｎｍｅｃｈａＪｌｉｓｍｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓａｍｏｎｇｔｈｅｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｃ嘶ｅｄｏｕｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌｉＶｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ｍｏｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｍａｃｈｉｎｅｒｙｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｈｅ珊ａｌｄｅｆｏ珊ａｔｉｏｎｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒＯ引言分为５类：近年来，随着微电子技术、宇航、生物工程等ａ）柔性支承，压电晶体或电致伸缩微位移学科的发展，对精密机械和仪器的精度要求越来器驱动。越高。例如，大规模集成电路的发展速度惊人，目ｂ）滚动导轨，压电晶体或电致伸缩微位移前线条宽度已达到亚微米级，对于相应的工艺装器驱动。备的精度要求为亚微米甚至是纳米级。ｃ）平行弹性导轨，电磁、压电或机械式微位移技术是精密机械和仪器实现高精度的驱动。关键技术之一。近年来得到迅速发展，广泛应用ｄ）滑动导轨，机械式或压电式驱动。于微型机械、航天、航空、微电子领域，成为现代机ｅ）气浮导轨，伺服电机和直线电机驱动。械工业的基础。随着微型机械和超精密测试、加工机械的研微位移技术包括：微位移机构、检测装置和控究以及微电子技术向超大规模集成电路方向发制系统３大部分。微位移机构是指行程小（小于展，微位移机构得到迅猛发展，并得到广泛应用。毫米级），精度高（亚微米、纳米级）及灵敏度高的美国ＬＬＮＬ（美国知名核聚变实验室）研制的加工机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一大口径光学元件的金刚石车床（ＬｏＤＴＭ）是目前种机、电、磁一体化的组合件。它既可作为微进给世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的快速刀具伺服机构采用了ＰＺＴ（锆钛酸铅压电的关键部件。现在，微位移机构已能达到０．００５～陶瓷），能在±１．２７¨ｍ范围内分辨率达到０．０１¨ｍ的分辨率。２．５ｎｍ，频率响应可达到１００Ｈｚ；日本日立制作所微位移机构由微位移驱动器和微动工作台组采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移成。根据微位移驱动器和微动工作台导轨形式可机构的位移精度为±０．０５斗ｍ，行程为±８肛ｍ，该万 方数据微位移机构综述机构已成功应用于电子束曝光机；中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移枧构酶分辨率为◇．１强ｍ，行程为２０强ｍ。本文将介绍一些典型的微位移机构的结构、原理、特点及应用，并对它们作一些比较分析。重毫线电枧炎徽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龟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、密损秘发热等爨素带来的运动误差，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可达到瞬时商加速度和减速度。为此，它的快速进给速度达到２．５拜∥ｓ以上，几乎在瞬闻可趣速到几个重力加速度。在高加速度时，通常可产生几个牛顿摊力。在常载下可达到１¨ｍ以内的重复定位精度。另外，使焉直线窀视豹伺服系统具有较大的隧度和较小的外形尺寸，在计算机控制的精密车削和麽削加工中得到成功的应用。但是，直线电视冒前还存在着成本较离、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鲻解决，直线电税式微位移褫构将会褥到广泛的应用。２橇械传动式微位移机构桃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，其结橡形式较多，主要有螺旋机构、杠杆枧构、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）存在枧械阀隙、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。ｌ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，可以获褥大行程的位移，结构麓单，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ｌ是螺旋式微位移机构的筒图。转动手轮ｌ经螺杆将螺旋运动转换为直线位移运动。位移ｓ与手轮转角妒之间的关系为：万 方数据７１一予轮；２一螺秆隧ｌ螺旋式微位移枧擒筒图ｓ＝±舂。妒其微动灵敏度为：盔ｓ＝譬·≠式中，￡——螺距；９、△≯——手轮转角。因此，若螺杆螺距￡已定，在螺杆与螺母配伍和传动平稳时，精确控制妒的大小，就可得到微位移，一般精度可达到１０≯氆。它广泛瘦用于测量机构及微调机构，如千分尺和精密工作台的传动机构等。２。差动螺旋式徽位移毫蓬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ｌ有两段螺距，分剐为￡：和￡ｌ的螺纹，￡２＞ｆｌ，虽螺旋方向相同，则螺母２的微位移Ｓ为：ｌ一螺杆；２、６～螺母；３一运动件；４一基投；５一套简；７一手轮图２差动螺旋式微位移机构ｓ＝垒铲职差动螺旋式微位移税构除此之外还有采角差式中，９为手轮转角。若ｚ：和￡，分别为０．７５ｍｍ帮０．７ｍｍ，其差值为Ｑ．游ｍｍ，手轮Ｔ的匮耀亥ｌ度分划为５０格，则手轮转动时，运动件３的位移量可小至ｌ汕ｍ。动螺母的形式，其工作原理相似，结构相对紧凑，８但是差动螺母的加工精度较难保证。２．２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。：≤≥Ｓ弋ｌＩ３∑｛／５≯户ｆｙ’，／／Ｐ“／／鬟／、辽…印４漶７‘巾Ｐ雀ｌＹ／／／／／／／／／／Ａｋ≮≤；斛ｌｌ一螺杆；２一螺母；３一推杆；４一推杆座；５一斜块；６一滑块；７一弹簧图３螺旋一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：ｓ＝ｆ姜Ｌｔ鲋Ｚ１Ｔ式中：ｔ——螺杆的螺距；９——螺杆转角；ｄ——斜块斜面与水平面的倾角，一般取ｔ舭＝１／５０。３．蜗轮一凸轮组合式微位移机构如图４所示，它由蜗轮蜗杆副１及凸轮４组成，主动件蜗杆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。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，还有摩擦一齿轮组合式微位移机构ｆ可以获得很高的微动灵敏度ｏ．１斗ｍ）和螺旋一锥轮组合式微位移机构等等。这些组合式微位移万 方数据机电一体化Ｍｅｃｈａｔｍｎｉｃｓ２００５年第２期１一蜗杆；２一轴；３一蜗轮；４一凸轮；５一滚轮；６一滑板图４蜗轮一凸轮组合式微位移机构１一子轮轴；２一杠杆；３一支承；４一连杆；５一运动件；６一弹簧图５杠杆一齿轮组合式微位移机构它是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机这种机构是利用两个弹簧的刚度比而缩小输机构相对复杂些，一般应用于特定场合。３扭轮摩擦传动式微位移机构构。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。当将摩擦副的主动轮１（见图６）与从动杆２的母线交角从直角减小到一很小角度时，此时形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，而所形成的机构也就称为扭轮摩擦传动式机构。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，且有运动平稳、无问隙和无爬行等优点。它可应用于许多超精密传动领域。４弹性变形传动式微位移机构微位移机构综述９的误差，故具有结构简单、尺寸小、分辨率极高（可达纳米级）、发热少、无杂散电磁场、便于遥控、能实现自动微量进给、有较好的动特性和有很高的响应频率（响应时问达１００¨ｓ）等优点。为了解决压电元件装置的移动范围较窄的最大缺点，１一王动轮；２一从动杆美国ＢＩ公司研制成了由３个压电元件组成的尺蠖式移动机构，图９表示机构的移动原理。它可在２５ｍｍ移动范围内，同时获得最小定位分辨率图６扭轮摩擦传动示意图人位移的机构，见图７。假设两个弹簧Ａ、Ｂ的刚度分别为ｂ、五。，输入位移为石ｉ，则输出位移为戈舻毛雨矗８为０．０２斗ｍ，移动速度为０．０１～０．５ｍⅡ∥ｓ的性能。它已成功应用于高科技领域，如机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构（可用于切削加工非轴对称特殊型面时刀具微进给的控制）等等。圆柱形压电元件ｌ２３图７弹性变形传动式微位移机构如果后。＞＞七。，则工作台位移戈相对输入位移戈ｉ就被大大缩小，例如ｋ：ｋ＝９９：１，缩小比为１／１００。如输入位移戈ｉ＝１０¨ｍ，则输出位移戈＝３夹紧０．１肛ｍ。这种机构结构简单，可获得较多的分辨率；定位精度较低。由于输入位移是步进状的，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。５压电元件式微位移机构图９尺蠖式移动机构原理６热变形式微位移机构本机构的微动原理见图１０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△五为本机构利用压电元件（陶瓷）的逆压电效应来实现微位移，如图８所示。改变输入电压的大小即可得到不同的微位移，避免了机械结构造成△￡＝以（￡１一￡ｏ）式中：ａ一传动杆材料的线膨胀系数；Ｌ一传动杆的长度；ｆ，、％～被加热达到的温度和加热前的温度。例如，钢的线膨胀系数为１２×１０～，当长度为５０ｍｍ的钢棒，从２０℃加热到６０℃时，可获得从Ｏ一２４斗ｍ的位移量。为了减小位移的相对误１一压缩弹簧；２一微动工作台；３一压电元件传动装置；４一平行片簧差，应选择线膨胀系数和弹性模量较高的材料制成传动杆。图８压电元件式微位移机构，－万方数据 １０机电一体化Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ２００５年第２期形补偿及自动调节系统等。８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１一部件；２一传动杆；３一线圈旋测微仪驱动，然后通过杠杆机构将驱动位移缩图１０热变形式微位移机构原理图小，以实现微小位移。如图１２所示为螺旋测微仪热变形式微位移机构的特点如下：驱动的柔性铰链式微位移机构。如果螺旋测微仪ａ）结构简单、操作控制方便；的输入位移为石。，则运动件的输出位移戈。为：ｂ）位移精度受热交换的影响，因而影响位ｆＩ，，＼ｉｊ，、＼移精度；‰２峨２（１＋云Ｊ【１＋亡卜ｃ）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。仪７磁致伸缩式微位移机构它的工作原理如图１１所示。微动台用片簧支撑，在微动台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从而达到微位移的目的。其精度可达亚微米。图１２柔性铰链式微位移机构式中，ｍ为杠杆机构的缩小倍数。可通过改变厶、Ｌ，、￡：和三。来调节ｍ，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、抗振动干扰能力强、具有较高的位移分辨率（可达１ｎｍ）。９其他形式微位移机构１一移动工作台；２一强磁体；３一线圈；４～磁致伸缩棒１．杠杆式微位移机构图１１磁致伸缩式微位移机构在实际生产中也常常采用以杠杆原理缩小输该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无问入位移的机构。图１３ａ）是在超精密加工和微细隙、刚性好、传动惯量小、工作稳定性好等优点；但加工中，使工作台作戈、），两坐称微动的机构。它在磁场作用下伴有发热，故微动精度不高。它适由具有１／５０缩小率的两级杠杆机构及戈、ｙ两向用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度变可动的平行簧片导轨机构构成。在±５０¨ｍ的移二次位移缩小机构丝杠工作台留咐１．＝２＝Ｉ一树ｉ拼．卜手叫ＴＩ川。ｗ川捉’’Ｌ童一亿ｓ｛ＩＩｌｏ臻卜步进电动机：ｌ一．冲陟！＜一ＪＪｏＩＱ∥１。ｌ｛●剐ｉ—，Ｙ一ｌ一６２～Ｉ１５Ｉｌ辟图１３杠杆式微位移机构万 方数据微位移机构综述动范围内，得到０．０５斗ｍ的定位分辨率和±５０斗ｍ的定位精度。这种机构虽能通过连接数级杠杆而得到大的缩小比，但此时的定位精度易受最末级杠杆的回转支点、着力点的结构和加工精度之影响。为了克服上述缺点，采用柔性铰链结构，如图１３ｂ）所示。在一块板材上加工出柔性铰链。可设计成由几级并列杠杆同时与平行簧片导轨机构共同构成。图示缩小率为１／４７的２级杠杆机构。这种机构适用于位移范围较小的场合。２．楔形式微位移机构利用具有微小角度的斜楔机构的位移缩小机构也已实际应用，如图１４所示。该斜楔角为口，则缩小比为％＝戈ｉｔ驴，为提高位移的灵敏度，可在移动地方加上滚球，使滑动变成滚动。这种机构的结构简单、运动灵活、工艺性好、行程大、易实现高的定位精度，可用于微动台的调平装置等。滚针≯１．５×７ｌ图１４楔形式微位移机构３．电致伸缩微位移机构它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。它不仅控制简单，而且易实现亚微米甚至纳米级精度，同时施加电压低、滞后小、重复性好、不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已广泛应用于航空、航天、微电子、测量及生物工程领域。４．形状记忆合金（ｓＭＡ）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ＳＭＡ的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。１０应用实例在美国能源部支持下，ＬＬＮＬ实验室和高水平的联合碳化物公司Ｙ一１２工厂联合开发，于万 方数据ｌｌ１９８３年研制成功超精密金刚石车床ＤＴＭ一３型。它和ＬＯＤＴＭ大型超精密车床是世界上公认技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。该机床可以用于加工平面、球面及非球面，如激光核聚变工程用的各种金属反射镜、红外线装置用零件以及大型天体望远镜用零件等。该机床可加工直径为２１３０ｍｍ、质量４５００ｋ的工作。ＤＴＭ刁型大型超精密车床中最重要的问题是超精密位置的定位技术。采用了精密数控伺服方式，控制部分是内装式分辨率为Ｏ．０ｌ¨ｍ的ｃＮｃ装置和多路激光干涉测长系统（分辨率为２．５ｎｍ）精确测量定位。还采用了压电晶体误差补偿技术，使加工精度达到ｏ．０２５¨ｍ。为了实现刀具的微量进给，在ＤＣ伺服机构内装有压电式微位移机构，它由ＰｚＴ压电元件驱动（范围为２．５¨ｍ），并与电容测微仪组合后工作，可实现纳米级微位移，以进行加工误差修正。该机床的加工精度为：几何形状精度为２８ｎｍ（半径）；圆度和平面度为１２．５ｎｍ；加工表面粗糙度为Ｒａ４．２ｎｍ。１１结束语微位移技术中的微位移机构种类较多，它们各有自己的优缺点和主要应用范围，有的应用已比较成熟，有的尚需进一步研制改进。随着超精密加工及测量技术、微型机械、微电子技术、材料、航天航空、生物工程等学科的发展和需要，对它们的研究日益受到国内外重视。但目前因受到机械加工精度、控制精度、电磁屏蔽、机构复杂性等技术水平的制约，其应用还受到一定影响。随着对微位移机构的深入研究，结构简单、高分辨率、高精度、高性能以及调试简易的微位移机构将不断问世。参考文献１荣烈润．超精密加工中的精密定位技术．上海机床，１９９２（１）２薛实福．精密仪器设计．北京：清华大学出版社，１９９１３李圣怡．微位移机构研究．航空精密制造技术，２０００（４）４ＫｉｎｇＴＧ．ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｅ咖ｉｃＡｃｔｕａｔｉｏ“：ＡＲｅｖｉｅｗｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５５史习敏．精密机械设计．上海：上海科学技术出版社，１９８７６庞振基．精密机械及仪表零件手册．北京：机械工业出版社，１９９３７王先逵．精密加工技术实用手册．北京：机械工业出版社，２００１微位移机构综述
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
荣烈润
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