二维精密工作台设计

目录第一节 《测控仪器课程设计》要求 (1)第二节 国内外现状 (2)第三节 方案设计 (5)第四节 测量控制方法设计 (13)第五节 未来展望与总结 (18)参考文献 (20)第一节 《测控仪器课程设计》要求一课程设计目的：测控仪器课程设计是一次比较完整的仪器设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节，完成课程设计的目的有一下几点：（1） 培养学生综合地考虑使用、经济、工艺、安全性等方面的设计要求，确定合理的设计方案。

（2） 测控仪器设计是综合光学，电学，机械学，控制等多门课程的一个系统工程，培养学生从全局出发，体会各个学科融合的一次实战演练。

（3） 培养学生仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材。

（4） 通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，而不是简单抄袭或没有根据在臆造；（5） 培养学生制图功底，训练学生通过计算参数，最后完成设计制图的能力，（6） 了解国内外的技术前沿，以及现有企业可以提供的各种封装产品技术参数。

二 课程设计技术要求课题名称：基于CCD边缘检测的二维测量系统设计要求：1. 二维精密工作台系统X轴行程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；Y轴行程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；2. CCD测量系统边缘识别，精度要求1um；三 设计说明书要求1．根据设计任务要求，确定设计方案。

2. 详细讨论系统各部分的实现方法和原理。

3．按照技术指标要求计算相应的机械结构参数，有国家标准的零部件，过计算选取。

4．完成设计说明书一份，仪器工作原理图一张，总装配图一张（0号），零件图5张以上。

5．提交设计报告书。

要求打印，并列出参考文献。

设计说明书要求5000字。

第二节 国内外现状一二维精密工作台系统随着微电子工程、计量科学与技术、精密加工、纳米科学与技术等领域的发展，使微纳米定位机构得到了越来越广泛的应用，各国不断发展微动定位的工作，不仅要求有高的定位精度，而且要求在比较大的范围内做测量。

在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确地定位和非常精细地运动,因此高性能的超精密定位工作台成为这些领域的技术支持。

国外(美国、日本等)在微位移工作台方面的研究比较多,技术已经比较成熟,已研制出工作范围为50 mm×50 mm、定位精度达±0. 01μm的精密工作台。

国内许多单位(如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等) 也在从事这方面的工作,已研制出行程在50mm以下的一维精密工作台,定位精度达到±0. 1μm。

但目前国内研制的行程在几十mm的二维精密工作台还比较少。

目前，大部分的微纳米定位系统，基本有一下几种定位方式：1.步进电机和精密丝杆配合，可以达到分辨力达2.5um的定位系统，还可以通过步进电机细分，分辨力更好的系统。

2.纳米定位机构通常是以柔性铰链作为导轨，以压电陶瓷作为驱动器，这种工作平台的定位精度可以达到纳米级，但是由于压电陶瓷的行程较小，往往只能用于精密度很高，但是行程要求不高的场合。

3.直线电机驱动下的二维工作台，直线电机的理论早在20世纪40年代中期就出现了，不过真正用于工程实践也就是最近的三十多年。

在精密控制领域，直线电机是最近十年内异军突起，由于没有中间传动链，直线电机号称是“零传动”机构，配上光栅传感器，定位精度可达到0.1um—0.01um。

二测量系统本次课程设计面向的对象是10mm*10mm的被测件。

该测量属于常见尺寸测量。

常见测量系统的测量步骤一般分为定位、瞄准、读数、数据处理。

得出测量结果。

根据测量系统瞄准的方式分类，目前大致分为接触式测量和非接触式测量。

1.接触式测量：1)光栅尺光栅测量位移主要利用光栅莫尔条纹原理来实现．计量光栅传感器的输入量是机械位移，输出量一般是与莫尔信号周期对应的脉冲信号．计量光栅传感器也可以直接输出模拟的莫尔信号．光栅传感器输出的两路正交莫尔信号包含了位移的全部信息，所以通过对两路正交莫尔信号的直接测量．可以获得所需要的位移值．光栅传感器的精度一般可以做到0.1um—10um，是常见的接触式测量方式。

2)编码器编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。

前者成为码盘，后者称码尺．按照工作原理，编码器可以分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移信号转换成周期性信号，再对电信号进行计数脉冲，用脉冲的个数表示位移大小。

绝对是编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只能与测量的起始位置和终止位置有关，而与测量的过程无关。

编码器的测长精确度可达3um/1000mm。

3)电感式传感器，电容式传感器等等2.非接触式测量：1)CCD成像测量技术CCD作为一种新型的光电检测器件，在精密测量及自动检测领域得到了广泛的应用，CCD与传统的测量器件相比，有着许多优点，它体积小，可靠性好，响应速度快，动态范围大，可以作为非接触式测量器件。

CCD根据光敏元件的排列结构不同，可以分为线阵和面阵。

现有的CCD测量系统，大部分是通过光学方法，直接对被测件成像，然后经过边缘检测等手段，对所得到的外形轮廓进行处理，这种方法可以在不接触工件的前提下，得到工件的外形尺寸，归属于无损测量范畴。

有着广泛的应用前景。

2)涡流传感器电涡流传感器是在涡流效应的基础上建立起来的一种非接触式测量传感器，通常的应用方法有高频反射法和低频透视法两种，这两种测量传感器，针对不同的被测件，一种是测量位移，一种测量工件厚度。

由于涡流传感器，必须要产生涡流才能够进行测量，所有对被测件的材质要求比较严格，均为可以导电的金属材料，这样就限制了许多的应用场合。

涡流传感器的精度比较高，在小量程范围内的高精度测量，由于材质对测量对测量有影响，所以也有仪器，将工件的外表形貌通过侧头传递到测头尾部的金属片上，这样也可以完成测量，不过这种方法，就属于接触式测量范畴，测头必须对工件进行扫描测量。

3)激光干涉传感器激光干涉传感器是以激光为光源，测量精度高，分辨力高，可测出10ψ 纳米以下的长度变化，量程大，可长达十几米，便于实现自动化。

激光干涉传感器可用作普通干涉系统（迈克尔逊干涉系统）来测长，也可以用作全息干涉系统，用来检测复杂表面等。

4)三角法测量转置该测量方法，所运用的也是激光光源，是通过透镜将激光聚焦成很小的斑点，使传感器不仅仅具有很高的纵向灵敏度，也具有很高的横向分辨力。

三角法测头是一种利用几何三角关系实现的位移测量的传感器。

如图1 半导体激光器发出的激光束被聚焦成一个小斑点，光斑经过反射，打到光电探测器上，只要得到结束器上的位移偏移量，就可以通过三角关系，算出位移x的数据大小。

如果选用线阵电荷耦合器件（CCD）或者位置敏感器件（PSD）作为光电器件，可以直接测得偏移量δ图一的值5)激光扫描传感器这种测量方法是利用扫描光束周期性的照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布。

该测量系统，结构复杂，精度较高。

第三节 方案设计接到该课题名称时，我们是从二维精密工作台开始考虑，先设计二维精密工作台，然后再在工作台上设计相应的传感器，以达到相应的测量效果，下面我分别从二维工作台的导轨系统、驱动系统、控制系统、测量系统、结构设计等方面来说明方案设计。

一、 导轨系统1.导轨系统总体介绍直线运动导轨的作用是用来支承和引导运动部件按给定方向做往复直线运动。

目前导轨导轨系统主要有滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨（气体静压导轨和液体静压导轨）等。

1)滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触。

其优点是结构简单、接触刚度大；缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。

滑动摩擦导轨，是通过滑块和导轨之间的滑动摩擦来支撑工作台，可以做到载荷很大。

但是由于滑动摩擦，其导向精度在所有导轨中，是最差的，由于我们的所选用的导轨必须是导向精度要求非常高的，所以对于直线滑动摩擦导轨，不予讨论。

2)滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态。

滚动摩擦导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨等。

与滑动摩擦导轨比较，滚动导轨的特点是：①摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象；②定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.1～0.2μm，而滑动导轨的定位误差一般为10～20μm。

因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；③磨损较小，寿命长，润滑简便；④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；⑤对脏物及导轨面的误差比较敏感。

3)弹性摩擦导轨这种导轨的主要代表就是平行片簧和弹性铰链。

如图2所示弹性导轨的优点是：①摩擦力极小；②没有磨损，不需要润滑；图2 平行片簧原理图③运动灵便性高；④当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。

但是弹性导轨的一个非常大的缺点是运动行程很小，这个限制了它的使用范围。

还有就是载荷比较小，不能够承载质量大的工作台或者工件。

4)流体摩擦导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，以保证两导轨面间处于液体或气体摩擦状态下工作。

液体静压导轨的优点是：①摩擦系数很小（起动摩擦系数可小至0.0005），可使驱动功率大大降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；②导轨工作表面不直接接触，基本上没有磨损，能长期保持原始精度，寿命长；③承载能力大，刚度好；④摩擦发热小，导轨温升小；⑤油液具有吸振作用，抗振性好。

静压导轨的缺点是：结构较复杂，需要一套供油设备，油膜厚度不易掌握，调整较困难，这些都影响静压导轨的广泛使用。

气体静压导轨是由外界供压设备供给一定压力的气体将运动件与承导件分开，运动件运动时只存在很小的气体层之间的摩擦，摩擦系数极小，适用于精密、轻载、高速的场合，在精密机械中的应用愈来愈广。

同时，气浮导轨有平均效应，可以使得导向精度变得更好。

2.选定方案：经过分析该课题的精度要求，我们最终选用气浮导轨作为二维精密工作台的导轨系统，在网上对比多家公司生产的气浮导轨后，我们选用北京航星联合科技有限公司生产的矩形气浮导轨，该气浮导轨采用了不堵塞设计，出厂前调整到最佳状态，不出现气振、适应国内气源、运动可靠、可维修。

在节流孔不易堵塞的情况下，承载能力和导轨刚度非常好。

重复定位指标选用A级（C级1~2μ；B级0.5~0.8μ；A级0.2~0.5μ）。

二、 驱动系统1.驱动系统总体介绍1)步进电机与精密丝杆步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。