第7章-微位移技术.ppt

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第七章微位移技术,第一节概述第二节柔性铰链第三节精密致动技术第四节典型微位移系统第五节精密微动系统设计实例,微位移技术发展很快：

用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于1/10光波波长的表面，即几何形状误差小于0.05m。

计算机外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1m内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。

特别是到20世纪70年代后期，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，随着集成度的提高，线条越来越微细化，“向22nm进军”。

256K动态RAM线宽已缩小到1.25m左右。

目前已小于0.1m，对与之相应的工艺设备（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1/31/5,即亚微米甚至纳米级的精度。

第一节概述,第一节概述,微位移机构系统的基本构造：

第一节概述,微位移机构,检测装置,控制系统,主要包括微位移机构、检测装置和控制系统3部分。

微位移机构是指行程小（一般小于毫米级）、灵敏度和精度高（亚微米、纳微米级）的机构,微位移机构（或称微动工作台）由微位器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动形式分成五类：

柔性支撑，压电或电致伸缩微位器驱动；滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；滑动导轨，机械式驱动；平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移器驱动；气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。

第一节概述,第一节概述,微位移器,机械式,机电式,精密丝杠、差动丝杠,杠杆机构,楔块机构、凸轮机构,齿轮机构,弹性机构,扭簧,弯曲弹簧,横向压缩弹簧,弹簧减压,伸缩筒,弹簧膜片膜盒,电热式,电磁式,压电、电致伸缩式,电热伸缩棒,电热伸缩筒,磁致伸缩,电磁,压电陶瓷,电致伸缩器件,微位移系统在精密仪器中主要用于提高整机的精度，根据目前的应用范围，大致可分为四个方面:

1.精度补偿精密工作台是高精度精密仪器的核心，当前精密工作台的运动速度，一般在2050mm/s，最高的可达100mm/s以上，而精度则要求达到1m以下，由于高速度带来的惯性很大，一般运动精度比较低，为解决高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相结合的两个工作台来实现。

第一节概述,如图（a）所示粗工作台完成高速度大行程而高精度由微动工作台来实现，通过微动工作台对粗动工作台运动中带来的误差进行精度补偿，以达到预定的精度。

第一节概述,2.微进给主要用于精密机械加工中的微进给机构以及精密仪器中的对准微动机构，如图（b）所示金刚石车刀车削镜而磁盘，车刀的进给量为5m，就是利用微位移机构实现的。

第一节概述,3.微调精密仪器中的微调是经常遇到的间题，如图（c）所示，左图表示磁头与磁盘之间的浮动间隙的调整，右图为照相物镜与被照乾版之间焦距的调整。

第一节概述,4.微执行机构主要用于生物工程、医疗、微型机电系统、微型机器人等，用十夹持微小物体。

如图（d）所示，微型器件装配系统的微夹持器。

第一节概述,第二节柔性铰链,20世纪60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。

随后，柔性铰链立即被广泛地用十陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。

如日本工业技术院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3分的角度范围内，达到了千万分之一度的稳定分辨率。

近年来，柔性铰链又在精密微位移工作台中得到了实用，开创了工作台进人毫微米级的新时代。

柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：

无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。

柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

第二节柔性铰链,柔性铰链的类型：

1.单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，如图所示。

第二节柔性铰链,2.双轴柔性铰链：

双轴柔性铰链是由两个互成90度的单轴柔性铰链组成的（图（a），对于大部分应用，这种设计的缺点是两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部做成圆杆状（图（b），这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图（a）弱得多。

需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图（c）的结构。

第二节柔性铰链,圆杆型,交叉型,垂直交叉型,

（二）柔性铰链设计对微位移机构的柔性铰链进行分析，发现它有两个明显的特点：

一是位移量小，一般为几十几百微米；二是结构参数的铰链厚度最薄处t与铰链切割半径R之间，一般情况下取tR。

根据这二个特点可导出简化的设计方案。

柔性铰链转角刚度的计算简图如下。

第二节柔性铰链,转角刚度计算图,已知柔性铰链转角公式（7-4）式中，b为柔性铰链厚度。

用龙贝（Romborg）积分法对上式积分，可求得不同的R、t时柔性铰链转角刚度M/的值，见表4-7。

实验表明当t0.1h时，表中所列理论计算结果与实际测量结果的误差1。

用表4-7设计柔性铰链时可大大简化设计。

第二节柔性铰链,表7-1柔性铰链转角刚度（单位：

mmkg/rad）,第二节柔性铰链,压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件。

它其有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简羊等优点，同时它没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。

用这种器件制成的微动工作台，容易实现精度为0.1m的超精密定位，是理想的微位移器件，在精密机械中得到了广泛的应用。

第三节精密致动技术,压电与电致伸缩效应机电藕合效应电介质在电场的作用下，有两种效应压电效应和电致伸缩效应，统称机电耦合效应。

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，应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。

而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。

在微位移器件中我们应用的是逆压电效应，即电介质在外界电场作用下，产生应变。

第三节精密致动技术,应变的大小与电场大小成正比，应变的方向与电场的方向有关，即电场反向时应变也改变方向；电介质在外加电场作用下应变与电场的关系为S=dE十M式中:

dE逆压电效应。

其中，d为压电系数,m/V；E为电场，V/m；M为电致伸缩系数；S应变。

逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩效应则所有的电介质晶体都有，不过一般来说都是很微弱的。

压电单晶如石英、罗息盐等的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于1MV/m的电场作用下只有第1项，即逆压电效应。

第三节精密致动技术,1.压电晶体压电晶体常用的材料是锆钛酸铅和钛酸钡。

由钛酸铅和锆酸铅组成的多晶固溶体，全名为锆钛酸铅压电陶瓷，代号PZT（P铅；Z锆；T钛），其特点是:

（1）敏度高，可达1.4-17nm/（Vcm）；

（2）机电耦合系数大，故机电换能效率高；（3）机械品质因数高，几百到几千；（4）材料性能稳定，老化性能在5年内小于0.2%；（5）居里温度很高，可达300。

第三节精密致动技术,2.电致伸缩材料电致伸缩材料最早是PMN锡镁酸铅系。

1977年美国L.E.Cross教授研究出具有大电致伸缩效应的弛像铁电体组分0.9PMN-0.1PT，它的居里点在0附近。

1981年又开发了三元系固溶体0.45PMN-0.36PT-0.19BZN双弛豫铁电体，它具有良好的温度稳定性及大电致伸缩效应。

它的介电常数、横向应变特性曲线如图。

PMN是由PbO,MgO,Ti，BaC,ZrO等按比例烧结而成。

1981年我国1426所研制了：

PZT,第三节精密致动技术,1.压电徽位移器件用压电陶瓷作微位移器件目前已得到广泛的应用，如激光稳频、精密工作台的补偿、精密机械加工中的微进给以及微调等。

用于精密微位移器件的压电陶瓷，应满足下列要求：

1）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,第三节精密致动技术,1.压电微位移器件用压电陶瓷作微位移器件目前已得到广泛的应用，如激光稳频、精密工作台的补偿、精密机械加工中的微进给以及微调等。

用于精密微位移器件的压电陶瓷，应满足下列要求：

1）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。

压电陶瓷的主要缺点是变形量小，即压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小，所以在设计微位移器时，应尽量提高压电陶瓷的变形量，,第三节精密致动技术,2.电致伸缩器件电致伸缩器件最早是1977年由Cross等人研制的，把PZ或PMN材料制成25.4mm，厚2mm的圆片10片叠加起来，如图5-26（a），外加2.9KV电压可得到13m的位移，其分辨率为1nm。

电致伸缩驰豫型铁电体比普通的压电陶瓷更优越：

1）电致伸缩应变大；2）位置重复性（再现性）好；不需要极化；3）不老化；4）热膨胀系数很低。

第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,电磁控制的微动工作台首先由日本研制成功。

1955年NIHIZAWA等人开始研究，至1975年研制出定位精度为0.2um的微动工作台，并成功地应用于电子束曝光机中，成为微位移技术中的一个新方法。

第三节精密致动技术,电磁致动的原理如图所示，把微动工作台1用4根链或金属丝4悬挂起来；工作台两端分别用弹簧3固定，另外两端放置两块电磁铁。

通过改变电磁铁线圈的电流来控制电磁铁对工作台的吸引力，克服弹簧的作用力，达到控制工作台微位移的目的。

设工作台的位移量为d，当电磁铁的吸引力为F时，此时工作台保持平衡。

F应等于弹簧的拉力F与工作台由初始位置位移d所产生的吊簧拉力F之和，即,第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,电磁铁的吸引力为式中:

B电磁场磁通密度，Wb；导磁率,H/m；S磁极截面面积。

弹簧的拉力为,第三节精密致动技术,式中:

k弹簧常数,kg/m；d工作台移动距离，m；g常数（g=9.8N/kg）。

设由于工作台移动而形成悬挂丝的偏角为B,工作台向上移动为Ah,那么，h=L（1-cos）式中，L为挂丝长度，当L足够长时，h/L=1-cos。

由于很小，故h/L0，故弹簧拉力与挂丝的拉力相比较，可以忽略不计，所以电磁铁的吸引力变成,第三节精密致动技术,由上式可见工作台移动的距离,d与磁通密度的平方成正比，通过改变流过电磁铁线圈中的电流可以改变磁通密度，以达到控制位移的目的。

第三节精密致动技术,通过线圈的电流与磁通密度的关系为式中：

N绕在电磁铁上的线圈圈数；l磁路长度，m；磁性材料的导磁率,H/m；空气隙的导磁率,H/m；d空气隙长度，m；I电流强度，A。

于是：

第三节精密致动技术,得当磁性材料的导磁率比气隙导磁率大得多时，即ld,则：

由上式可见，工作台移动的距离与电流和线圈圈数平方成正比。

第三节精密致动技术,精度、稳定速度和气隙的关系：

当不考虑磁饱和特性时，随精度和定位范围的确定，则合适的稳定速度和气隙长度也确定了。

电流变化速度I/A和气隙d变化量之间的关系如图。

|d|在1um10mm之间，精度K为0.1um10um。

为提高精度，应采取较高的电流变化精度。

第三节精密致动技术,第三节精密致动技术,1.柔性支承压电或电致伸缩微位移器驱动柔性支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。

它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，其有较高的位移分辨率，可达1nm。

使用压电或电致伸缩器件驱动，不仅控制简单（只需控制外加电压），而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是梢密机械中理想的微位移机构。

第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,2.滚动导轨压电器件驱动采用滚动导轨作为精密仪器中的精密工作台是一种常见的导轨形式，它具有行程大，运动灵活、结构简单、工艺性好、易实现较高的定位精度的优点。

我国1445所使用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，压电器件驱动实现了对自动分步重复光刻机（DSW）的微定位控制。

微动台的最大行程9.5m，定位精度为0.04m。

第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,4.平行片簧导轨机械式位移缩小机构驱动

（1）弹性缩小机构：

这种微动机构利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小，如图所示。

第四节典型微位移系统,该缩小机构的缺点是当微动台承受外力或移动导轨部分存在摩擦力时，它将直接成为定位误差的因素，而且对于步进状态的输人位移容易产生过渡性的振荡，所以在不适于动态响应的条件下，可用于光学零件的精密调整机构等。

4.平行片簧导轨机械式位移缩小机构驱动

（2）杠杆式位移缩小机构杠杆式位移缩小机构也是微动机构中常用的一种形式。

（3）楔形位移缩小机构利用具有微小角度的斜楔机构的位移缩小机构也已在实际中应用。

特点是易获得大的缩小比，同时又能获得较大的移动范围。

第四节典型微位移系统,4.平行片簧导轨机械式位移缩小机构驱动,第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,6气浮导轨一步进电机及摩擦传动：

在近代精密导向技术中，行程与分辨率是一对主要矛盾。

弹性导轨是为解决高分辨率（亚微米甚至是毫微米级）而采用的，但行程较小。

为解决大行程和中等分辨率（亚微米级）的矛盾，在实际中广泛使用了气浮导轨。

滚动导轨虽然也有可能达到亚微米级的精度，但一般而言，滚动导轨不如气浮导轨精度高且保持性和抗干扰性比较差。

气浮导轨具有误差均化作用，因而可用比较低的制造梢度来获得较高的导向精度，而目气浮导轨还可使工作台得到无摩擦和无振动的平滑移动，因此在精密机械和仪器获得广泛的应用。

第四节典型微位移系统,下图是日本富士通公司的一种精密自动掩模对准上作台，其独特之处是楔形缩小机构与驱动机构同时兼作x，y方向的直线导轨。

楔块部分由空气轴承构成，通过滚珠丝杠推动位移输人块，在2mm的移动范围内，得到0.03m的分辨率。

第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,第四节典型微位移系统,8.滑动导轨压电致动右图是安徽机械科学研究所研制的、利用压电陶瓷实现刀具自动补偿的微位移机构及其原理示意图，在压电陶瓷上加电压之后，向左伸长，推动方形楔块和圆柱楔块，克服压板弹簧的弹力将固定镗刀的刀套顶起，实现镗刀的径向补偿。

第四节典型微位移系统,

（一）设计要求1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。

2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。

3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。

4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。

5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。

6）系统响应速度要快，便于控制。

第五节精密微动系统设计实例,

（二）精密微动工作台设计中的几个问题

（1）导轨形式的选择在微动工作台微位移范围内，要求工作台有较高的位移分辨率，又要求响应特性好。

因此要求导轨副导向精度高。

滑动摩擦导轨摩擦力不是常数，动、静摩擦系数差较大，有爬行现象，运动均匀性不好。

滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小，但由于滚动体的尺寸一致性误差、滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨面间产生相对滑动，使摩擦力在较大范围内变动，即动、静摩擦力也有一定差别，也有爬行现象产生，但运动灵活性好于滑动导轨。

第五节精密微动系统设计实例,弹性导轨，包括平行片簧导轨和柔性支承导轨，它们无机械摩擦，无磨损，动、静摩擦系数差很小，几乎无爬行，又无间隙，不发热，可达到很高的分辨率，是高精度微动工作台常用的导轨形式，但它们行程小，只适合用于微位移。

空气静压导轨，这种导轨导向精度高，无机械摩擦、无磨损、无爬行，又具有减震作用，但成本较高。

在要求既要大行程，又要高精度微位移情况下，可采用粗、细位移相结合的方法。

大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动，而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动。

第五节精密微动系统设计实例,

（2）微动工作台的驱动微工作台的驱动可采用如下方法：

电机驱动与机械位移缩小装置（杠杆传动、齿轮传动、丝杠传动、楔块传动、摩擦传动）相结合，这是一种常规方法，但结构复杂、体积大、定位精度低于0.1m。

适于大行程，中等精度微位移场合。

电热式和电磁式机构较简单，但伴随发热，易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为0.1m左右，行程较大，可达数百微米。

压电和电致伸缩器驱动不存在发热问题，稳定性和重复性都很好，分辨力可达纳米级，驱动工作台的定位精度可达0.01m。

但行程小，一般为几十微米。

第五节精密微动系统设计实例,（3）微动工作台的控制微动工作台的控制有开环控制和闭环控制，并配有适当的误差校正和速度校正系统。

对于闭环控制还要有精密检测装置。

用微机进行控制具有速度快、准确、灵活、便于实现精密微工作台与整机的统一控制等优点，是目前发展的主要方向。

第五节精密微动系统设计实例,