微动工作台的分类和组成

1.2 微动工作台的类型及主要组成

微动工作台根据其工作原理和驱动方式的不同可分为以下几种。

1.2.1 扭轮摩擦传动式微位移平台

扭轮摩擦传动式微位移机构是利用扭轮摩擦传动机构实现微位移

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。当将摩擦副的主动轮与从动杆母线交角从直

扭轮摩擦传动图

图二

角减小为一很小的角度时，形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，利用扭轮摩擦副做成的传动机构称扭轮摩擦传动机构，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，具有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。我们研制的扭轮摩擦传动机构示意图如图1所示，其导程小于0．2mm，若选用高运动分辨率的电机，则可达在250mm范围内得到纳米级的运动分辨率和

定位精度。它可应用于许多超精密传动领域。

1.2.2 机械传动式微位移平台

机械传动式微位移机构是一种最古老的机构，在精密机械和仪器中应用很广，其结构形式较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等，所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度，所以该机构只适宜于中等精度。

螺旋式微动机构简图

图三

差动螺旋式微位移机构

图四

1.2.3 螺旋式微位移平台

螺旋式微位移机构的结构简图如图2所示，其结构简单、制造维修方便，它是利用螺旋传动原理米获得微小直线位移，转动手轮l转动经螺杆2将螺旋运动转换为直线运动。运动件的直线位移J与手轮转角中关系为：J=±—}·≯因此，若螺杆螺距f已定，在螺杆与螺母配研和传动平稳时，控制妒的大小即可得到微位移，其精度可达l 0 u m。它广泛应用于微调和测量机构，如千分尺等。为了得到更高精度的微位移，就采用如图3所示的差动螺旋式微位移机构。它的螺杆l有两段螺距分别为，2和f，的螺纹，f2大于，。且螺旋方向相同，则螺母2的微位移(即输出位移)s为：

s=(f2一f1)／(2)

式中西为手轮转角，若屯和f】分别为0．75mm和0．7mm，其差值为O．05mm，手轮的圆周刻度分划为50格，则手轮转动1格时，在螺杆与螺母配研和传动平稳以及零件达到加工精度时，运动件的位移量为1 u m。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，其工作原理类似，结构相对紧凑，但相对而言，其加工精度稍难保证，因差动螺母较难保证加工精度。

1.2.4 组合式机械传动式微位移平台

凸轮式微位移机构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。螺旋一斜面微位移机构是利用螺旋微位移机构推动一斜块运动以使斜块在某一方向产生微位移。蜗轮一凸轮式微位移机构，其原理是：主动杆蜗轮转动，经蜗轮蜗杆副减速，带

动凸轮转动，再通过滚轮使运动件产生微位移。齿轮一杠杆式微位移机构是利用手轮轴的转动，经过几级齿轮减速，变成扇形齿轮的微小转动，再通过杠杆机构将其微小转动转化为运动件的直线微位移。此外，还有齿轮一摩擦式微位移机构和螺旋一锥轮式微位移机构等等。但组合式微位移机构相对复杂些，一般应用于特定场合。

1.2.5 热变形式微位移平台

热变形式微位移机构的微动原理是：如下图4所示，传动杆l的一端固定在机架上，另一端固定在沿导轨作微位移的零部件2上，当线圈通电加热时，使传动杆受热伸长，其伸长量为：

△￡=a￡(t1一t0)=a￡△t

式中a——传动杆材料的线膨胀系数；

￡传动杆的长度：t1、t0——分别为被加热达到的温度和加热前的温度。改变通入电流或者电压的值

电热式微位移机构原理图

图五

使传动杆温度改变。即可得到不同的微位移量d热变形式微位移机构结构、操作控制方便，与大降速比的机械传动式微位移机构相比，它的刚度高且无间隙。但因传动杆与周围介质之间有热交换，因而影响位移精度且由于热惯性的存在以及对传动杆的冷却速度难以准确调节。因此限制了微位移的速度，故不适宜于行程较长、频率较高的微位移。

1.2.6 弹性变形传动式微位移平台

弹性变形传动式微位移机构的结构示意图及其动力学模型如图5所示，其原理是利用两个串联在一起的主动弹簧的刚度差，实现输出位移相对于输入位移的大幅度缩小，以提高输出位移的分辨率。设主动弹簧和从动弹簧的刚度分别为K1、k2,且K2远大于L1，主动弹簧的位移（即输入位移）和从动弹簧的位移（即输出位移）分别为△X1、△X2，则：

)/(*21112k k k x x +?=?

弹性变形式微位移机构如下图

图六 弹性变形式微位移机构动力学模型如下图

图七 如果主动弹簧由千分尺驱动，其精度为10um ，K2=9K1，理想情况下其输出精度微1um ，如果K2与K1相差更大，则分辨率、精度更高。该机构传动链短、摩擦力小、易获得精确

位移，且其精度高、稳定性好，可用于扫描隧道显微技术（STM），及需达到原子级分辨率的高精度测量技术和光学零件的精密调整机构。但当该机构的运动件受到为例或存在摩擦力时，这将直接影响精度，而且对于步进状态态的输入位移，容易产生过渡性震荡，所以不适宜于动态响应的情况。

1.2.7 磁致伸缩式微位移平台

磁致伸缩式微位移机构的工作原理如图6所示，磁致伸缩棒1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。该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、转动惯量小、工作稳定性好等优点。但其磁场强度与磁致伸缩量之间不严格成线性关系，磁场作用下还伴有发热，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。

磁致伸缩式微位移机构如下图

图八磁致伸缩式微位移机构

1.2.8压电陶瓷式微位移平台

该机构利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移，改变输入电压的大小即可得到不同的微位移，它从而避免了机械结构造成的误差，所以具有结构简单、尺寸小、分辨率极高（可达纳米级）、发热少、无杂散电磁场和便于遥控等优点。它已成功勇于高科技领域，如机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印、扬声器和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构

等等。

1.2.9 柔性铰链式微位移平台

柔性铰链式微位移机构是今年来发展起来的一种新型的微位移机构。种新型的微位移机构。它是利用压电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7为螺旋测微仪驱动的柔性铰链式微位移机构，是用于微调超精密电容传感器测头与被测对象的初始间距，如果螺旋测微仪的输入位移为Ⅸ，则运动件的输出位移咒为：X0=Mx1=(1+L1/L0)(1+L3/L2)Xi式中m为杠杆机构缩小倍数，可通过改变L0、L1、L2、和L3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、机械谐振频率高、抗振动干扰能力强、具有较高的位移分辨率(可达1纳米)。若使用压电或电致伸缩件驱动，不仅控制简单，而且可以很容易实现亚微米甚至纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适宜于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子：[业部门、精密测量和微调以及生物一r程领域获得重要的应用

柔性铰链式微位移平台简图

图九

1.2.10 直线电机式微位移平台

该微位移机构直接利用直线电机作为驱动件产生微位移的机构。直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率，所产生的力小于1000N。采用该机构作为进给驱动系统，快速进给速度可达76m／min，进给加速度可达9．8m／S2以上。直线电机式微位移机构不需要用机械辅助方法将旋转运动转化为直线运动，因此简化了系统的结构，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。其最明显的优点是响应快，可达到瞬时的高加速度和减速度。它已在异型内圆工件的计算机控制精密车削和磨削加工中得到成功应用。但是直线电机的成本较高、发热较严重、组成的控制系统比较复杂且存在隔磁和防磁问题，所以其应用还不很广泛。不过随着科技的发展，直线电机的这些问题得到解决，直线电机式微位移机构将得到越来越广泛的应用。

1.2.11 其它微位移平移台

此外，还有形状记忆合金(SMA)式、电致伸缩式和滚珠导轨式微位移机构等。SMA微位移机构是利用在低温相态无论它怎样变形，只要加热到一定温度就会马上恢复到原来在高温下的形状的特点来实现微位移。于是通过电流控制SMA的温度即可实现微位移。它已广泛应用于机械化、电气、医疗以及高精度控制等领域。电致伸缩式微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，它已广泛应用丁计量设备、微机械手、超精密加工中的误差测量和补偿。滚珠导轨式微位移机构的结构简单、运动灵活、工艺性好、行程大、易实现较高定位精度，可用于微动台和定位装置等。

微位移机构种类很多，它们各有自己的优缺点和主要应用范围。随着微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展，它的研究越来越受国内外的重视，且得到了迅速发展和广泛应用，但因机械加工精度、机构的复杂性、相关参数的控制精度、电磁屏蔽等目前技术水平的制约，它的应用还受到一定的限制。不过随着相关科学的不断发展和微位移机构的深入研究，人类将研究出结构简单、高分辨率、高精度、高性能以及调试简便的微位移机构以服务于人类社会。