精密电位器线性修刻系统分析与开发文档格式.docx
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第一章绪论
第一章绪论1．1课题的背景及意义
精密电位器是一种分辨力高，能连续调节的电位器，广泛应用于军工、航空航天、精密机械等行业【lJ。
它成本较低、适用范围较广，随着电子技术的发展，其应用越来越广，同时对其各项技术指标的要求也越来越高。
随着中国加入WTO和国际制造业向中国的转移，国内电阻电位器行业的发展目前处于快速增长阶段。
一方面，国内电子制造业飞速发展，在国内生产和组装的电子整机激增，带来巨大的需求；
另一方面，近几年电位器出口的持续增长也对电阻电位器行业的发展产生了推动力[61。
据海关资料统计，2000年，我国内地出口电阻电位器971亿只，创汇额22359万美元，同比分别增长74．9％和16．6％。
而电子工业系统内企业，2000年销售电阻电位器787亿只，同比增长70．7％，其中出口378．9亿只，同比增长83．3％，产销率为90．7％。
据中国电子元件行业协会信息中，D,2006年中期发布的信息，2006年企业整体经营进入新一轮增长期。
电子元件外贸出口形势继续好转。
特别是一些跨国大公司和国内较大的通信公司大量出口为整机配套的电子元件，也给生产元件的中小企业带来巨大商机。
2006年上半年全国生产电位器的厂家为120余家，销售收入达到35．10亿元，
在这样的形势下，各企业都在努力扩大市场占有份额，但要想把自己的产品做强做大，而且能打入国际知名大公司，必须靠高的产品质量、高的生产效率、良好的服务信誉和价格优势等。
对于国内生产电位器的企业，特别是电子工业系
统内企业，为生产出更具竞争力的产品，迫切需要更先进的制造设备，以便抓住机遇求得更大发展。
精密电位器线性修刻机是提高产品质量的关键设备。
如果依靠进口，一方面资金投入太大无法实现，另一方面国外对最先进修刻技术仍保密封锁。
因此无论从电位器生产企业的利益考虑，还是从国内经济发展趋势出发，对精密电位器的修刻系统进行研究与开发，缩小与国际先进水平的差距，都是十分重要和必要的。
概括地讲，本文的研究工作具有以下重要意义：
1）提高国产电位器精度，稳定产品质量；
2）为企业提高生产效率，创造经济效益；
3）降低工人劳动强度；
4）为开发更高精度、更多种产品规格的修刻系统作理论与实践的准备。
从现实意义来讲本课题是有针对性的为国内数家电位器生产企业提高产品
精度和生产效率，实现生产自动化，提高经济效益，使这些企业的关键设备尽快实现更新换代而进行的科研项目。
1．2国内外精密电位器修刻技术现状
1．2．1电位器的基本概念
（1）电位器电位器是通过一定方式改变某一种电参量（电阻、电容、电感等），来改变
输出电位的一种可调节的电子元件。
（2）电位器的分类
电位器的分类方法很多，常用以下几种分类方法。
一、按构造原理分，电位器可以分为电阻式电位器、光电式电位器、感应式电位器等，它们的构造和工作原理各不相同。
其中电阻式电位器的应用最为广泛。
电阻式电位器的基本组成包括电阻体、接触刷、骨架或基体以及基座。
其中电阻体和接触刷是电位器的工作部分，而电阻体是决定电位器电气性能的关键性构件。
二、按电阻体形式分，电位器可以分为线绕式电位器和非线绕式电位器两大类。
非线绕式电位器按照电阻体材料的不同又分为金属膜电位器、导电塑料电位器及合成碳膜电位器等。
构成电阻体的材料不同，电位器的性能也不同，其使用场合和适用范围也就不同。
1、金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。
金属膜一般是用真空蒸发、溅射或者其它镀膜方法，将金属及其氧化物、化合物或电阻合金丝、箔、粉等，沉积在绝缘的基体上形成的。
这类电位器的特点是分辨率高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。
但造价高、工艺复杂。
2、导电塑料电位器是用特殊工艺将DAP（邻苯二甲酸二稀丙脂）电阻浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。
它具有t平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀等十分优良的特性。
它可以用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。
3、合成碳膜电位器是在电子技术领域中应用最为广泛的一种非绕线式电位器。
它是用丝网印刷法、流延法或者喷涂法，将经过研磨的碳黑，石墨，石英等材料涂覆绝缘基体上，经过高温聚合，使碳黑粒连成导电链网包围填料颗粒，石墨粉粒填充在碳黑颗粒之间，再分布在固化的有机粘结相中，并牢固的附着在基体的表面上，形成厚膜电阻体的电位器。
合成碳膜电位器的制造工艺简单、便于
2
自动化生产、价格低廉、分辩力高、耐磨性好、寿命较长。
但缺点是电流噪声太．非线性大，耐潮性以及阻值稳定性差。
三、按运动方式分，电位器可以分为旋转式电位器和直滑式电位器。
四、按电位器用途分，电位器可以分为微调电位器、预调电位器和精密电位器。
精密电位器是实际输出函数特性复现理论输出函数特性的精度较高的电位器。
对于台成碳膜电位器和导电塑料电位器．通过采用修刻电阻件的方法，获得最佳的输出特性，电位器经过任刻以后，线性度一般可达01％左右。
五、按输出特性分，电位器可分为线性和非线性的。
如图1-l和1-2所示。
a）旋转式鞭密合成碳膜电位器b）直滑式精密台威碳膜电位器
圈1-3精密合成碳膜电位器
1．2．2电位器的工作原理脚
电位器在电路中既可以作变阻器使用，也可以作分压器使用。
①当电位器作变阻器使用时，它是个两端元件，串接在电路中，如图1．4a所示，通过调节接触电刷2在电阻体上的位置，起到调节电路中电阻值大小的作用。
②当电位器作
分压器用时，它是个四端元件，并接在电路中，如图l一4b所示，调节驱动装置操纵接触电刷在电阻体表面上从一端运动到另一端时，能够从输入电压Ui中，获得线性的输出电压Uox。
在输出端空载情况下，存在以下关系式：
U。
ex
UiOe
式中Ui——电位器引出端1与3之间的输入电压；
U帆——电位器引出端1与2之间的输出电压；
0。
——电位器引出端1与3之间的总行程；
0x——电位器引出端l与2之间的行程。
输出电压Uax与输入电压Ui之比称为输出比，0。
与0。
之比称为行程比。
33
a）作变阻器使用的原理b）作分压器使用的原理图1．4电位器工作原理
1．2．3电位器的评价指标
电位器精度的高低关键是看其输出特性好坏，输出特性是描述电位器的输出比（Uox／Ui）随行程比（O。
／O。
）变化的一个基本特性，它又分为理论输出特性和实际输出特性。
（1）理论输出特性由上述的分压器作用原理可知，线性电位器的输出特性是一条斜率为l，截
距为0的直线，这是一种绝对理想的理论直线（见图1—5），称为绝对理论直线。
4
但由于电阻体结构和接触电刷形状、大小等的影响，这种绝对理想的状态是难以达到的，因而线性电位器的理论输出特性用数学表达式表示为如下形式：
告=K芑+BUi0．m2，
、’
式中，K、B为待定系数。
由于端电阻等因素的影响，K≠l，B≠o，这种形式下的理论直线（如图1．5
所示）称为独立理论直线。
也就是线性电位器的理论输出特性是用独立理论直线来表示的。
矿U“
Uox
Ui
1．0l．0
O
图卜5理论输出特性图1-6电位器输出特性
（2）实际输出特性在规定行程上，当行程比从0变到1时，与各行程比所对应的实际输出比各
点的连接线，称为实际输出特性。
对于每一只电位器，实际输出特性为一条曲线，它并不完全与理论输出特性相重合，而是具有复现理论输出特性的随机变化偏差，如图1．6所示。
（3）线性精度线性电位器的线性精度是指实际输出特性与理论输出特性之间的偏差。
从
图1-6中可以看出，在不同的行程比处，偏差也不同。
其中最大偏差Cm戤称为这只电位器的线性精度，它不应超过允许的偏差范围。
线性精度通常用下式表示：
c：
I坠坠I×
100％'
（1—3）
IUjI
式中C——线性精度oUof——实际输出电压；
Um——理论输出电压；
Ui——输入总电压。
当参考的理论输出特性直线是绝对理论直线时，此时的线性精度称为绝对线性度；
当参考的理论输出特性直线是独立理论直线时，此时的线性精度称为独立线性度。
1．2．4国内外电位器修刻技术现状及发展趋势
随着国际生产的大转移和我国内地电子信息工业的高速发展，内地已成为世界传统引线式电位器的主要生产基地之一。
全国生产电位器的厂家为120余家，N2000年电子工业系统内有合成碳膜电位器生产企业近30家，以合成碳膜电位器为主产品的厂家至少20多家12,31。
国内本土企业生产导电塑料电位器近10家。
电子工业系统内企业年产量达到G．1亿只左右，其中合成碳膜电位器有4．76亿只，出1212．57亿只。
目前，我国精密合成碳膜电位器生产能力不断增强，电位器修刻这一生产工艺中的关键技术也有了较快的发展，产品精度和可靠性得到较大的提高。
但是与国际先进水平相比，国内厂家的修刻技术在总体上还有差距。
国外目前高端电位器产品的独立线性度远远高于国内，如美国的Midori公司生产CPP．60导电塑料电位器和Novotechnik公司及Vishay公司等企业的电位器，独立线性度均在0．05
％至0．02％。
而国内最好水平也只有0．1％，且能达到此精度的电位器厂家主要是依靠与国外企业合资，引进国外先进设备和技术来提高产品质量。
如辽宁电位器总厂与日本ALPS公司的合资。
也有一些专业生产合成碳膜电位器的厂家，如武进市华宇电位器厂、无锡市电位器厂以及上海环球电位器有限公司等，用自行研制的修刻设备生产出了较高质量的产品。
另外，上海好光科工贸有限责任公司研发的导电塑料电位器全自动修刻机，修刻精度可达≤0．1％，但没有完整的技术报道，在公开的资料中找不到修刻技术方面的信息。
还有部分厂家仍然沿用过去的手工修刻和半自动修刻设备，产品精度较低。
天津大学为某电位器生产厂家研制的旋转式精密合成碳膜电位器修刻检测系统，修刻精度堇0．2％t31，部分产品达No．1％，已在实际生产中使用了五年多，运行正常，开机率10096。
就国外的电位器修刻技术情况来看，其电位器的生产技术已经非常成熟，尤其在日本。
例如，著名的企业ALPS、松下、村田、三洋等公司，都拥有先进的生产设备和技术水平，电位器年产量均在数亿以上，且产品精度高，可靠性高。
美国、日本、德国、法国等国家也都在不断研究更为先进的电位器生产设备。
但由于其使用的有关精密电位器方面的加工设备和加工工艺都对外严格保密，因而很难获取国外的精密电位器加工的先进技术信息。
1．3本文的主要研究内容
本文的主要内容包括以下几个方面：
l、研究影响电位器线性精度的因素
从电位器的定义和工作原理入手，针对市场发展前景看好的某种精密电位器，分析影响其线性精度的关键因素，找出其中主要问题。
2、精密电位器修刻原理和修刻方式的分析和研究
从最原始的修刻原理着手进行分析，找到一种最佳的修刻方法。
根据确定的最佳的修刻方法，分析和选择出适用性较强的修刻方式。
3、精密电位器修刻系统总体方案的研究与设计
根据修刻原理和修刻方式，分析对电阻体修刻精度影响的因素，研究修刻机的基本功能，确定通用性较强的修刻系统总体方案。
4、针对回转式合成碳膜电位器研发出一套精密修刻系统
参考企业在用的精密合成碳膜电位器修刻系统，并根据企业实际情况和所提技术要求的电位器类型，完成包括基础部件、运动部件、驱动系统等部分的具体设计结构，形成一套完整的可应用的精密合成碳膜电位器修刻设备。
第二章精密电位器修刻技术研究
第二章精密电位器修刻技术研究2．1影响电位器线性精度的因素
对于常用的非绕线电阻式电位器，其电位的输出是靠接触刷与电阻体相对机械运动来实现的，电位器的线性精度取决于构成电位器的电阻体、接触电刷、基体和驱动装置等。
1、电阻体的影响电阻体是将电阻浆料或电阻粉用印刷法、流延法或喷涂法涂覆在基体上经过
高温烧结或聚合而制成的电阻元件，是提供总电阻值、影响电位器线性精度的关键性构件。
电阻体影响电位器线性精度的主要因素有：
1）电阻浆料本身的特性，如导电相颗粒大小不均匀性、分布不均匀性，电阻率随温度变化而变化，耐湿、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐磨损性高低，电阻稳定性及接触电阻大小等。
2）电阻体横截面积的不均匀性，如厚度不均或宽度不均等。
3）两端银带的影响。
为了降低电阻体端点的接触电阻，减小端点突跳，一般在电阻体两端涂覆分子银过渡带，但银带宽度和银带之间的距离很难保证完全一致，使各电阻体的总电阻值和理论线性特性相异，影响电位器线性精度。
2、接触电刷的影响
接触电刷是沿电阻体运动，引出输出电位的导电性接触构件。
对于不同材质、不同批次的材料及其制造误差的影响，其弹性会有所不同，因而与电阻体的接触力不同，造成接触电阻不同，线性精度也就不同。
3、基体的影响基体是电位器的绝缘支撑体，电阻浆料是涂覆在基体上，基体的几何形状和
尺寸精度对电阻体横截面积不均匀性、电刷与电阻体接触的松紧有很大的影响。
另外基体的电绝缘性、导热性、机械强度等因素也会对线性精度产生影响。
4、驱动装置的影响
驱动装置是电位器中用于操纵接触刷沿电阻体运动的构件。
通常有转轴、滑柄和导向螺杆等三种形式。
驱动装置自身的精度高低会对电刷与电阻体接触的松紧有很大的影响，因而间接影响线性精度。
5、装配工艺的影响电位器由电阻体、电刷、基体、基座、驱动装置及外壳等构件装配而成，因
此即使各元件精度性能都很好，但由于装配误差的存在，使电位器的线性精度受到影响。
本文仅对电阻体电阻变化的不均匀性进行分析和研究，采用修刻电阻体的方法提高线性精度，来达到精密电位器的精度要求。
修刻的关键在于保证电阻体膜层截面积的均匀性，即电阻值变化均匀性。
2．2精密电位器修刻原理
在众多的资料中，有很多关于电阻膜浆料的配制及涂覆工艺的文章，也有少部分控制部分的介绍资料，但对于修刻技术和原理基本上没有介绍。
从掌握的文献资料看，目前精密电位器的修刻从原理上主要有以下几种：
（1）电桥法
电桥法工作原理如图2-1所示【刀。
如为一个桥臂，凡为一个桥臂，RI和R。
为
CD
k
BR5
Rx
A
F
lll：
被修刻电阻体：
R。
、112：
精密电阻箱：
It,、It,1电阻箱：
llI：
多圈电位器：
Y：
光点指零表：
7：
五位数字电压表图2-1电桥法修刻原理
一个桥臂，R。
和拟修刻电阻体Rx为另一个桥臂。
由于R。
和R2是作为复现理论输出特性的两个标准电阻器，电桥调节平衡前要按被修刻电阻体的实测情况进行初始设置。
为保证电桥平衡后该桥臂总阻值不变，Ik初始值设为修刻电阻体Rx修刻后与修刻前阻值之差。
然后将电刷移到拟修刻电阻体R。
前零位上，调节电阻凡，使检流计Y指示为零，电桥Y处于平衡状态，四个对应桥臂电阻比值相等，B、E两点间无电流通过，相当于断开状态。
此时以Z为电桥又相当于组成一个新的电桥电路，调整R。
使电压表Z为零，调整R。
使检流表Y为零。
这样两个电桥电路同时
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达到平衡状态。
此时精密电阻箱切换到下一个档位，Z电桥失去平衡，修刻刀开始对电阻体某一截面进行修刻，当阻值增加到一定数值时，Z电桥又达到一个新的平衡状态。
如此逐点切换精密电阻箱的阻值，同时逐点修刻电阻体，使阻值分布均匀，来达到提高线性精度的目的。
目前采用这种原理来进行电位器修刻的厂家还很多。
应用电桥法修刻电阻体的具体修刻步骤是：
1）将待修刻电阻体安装在修刻工作台上，测得其有效行程0。
；
2）假设刻线分辨率为a，修刻前与修刻后阻值之差为r欧姆，则预先设定各电阻值为：
=0，112=（0。
／a）×
100欧姆，113≈（1／3）Rz，R6=r；
3）加电压调节凡做为零，即电桥平衡；
4）调前零位补偿：
使电刷处于前零位上，调R。
及凡，使z、Y都指零；
5
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