昆明理工大学调研报告

昆明理工大学毕业设计（论文） 调 研 报 告 题 目：三维微纳米精密位移平台及微小力系统设计 学 院： 机电学院 专 业： 机械工程及自动化 年级班级： 10级2班 学生姓名： 李雪洁 学 号： 201010301253 指导教师： 杨晓京 日 期： 2014年4月 昆明理工大学 0 引言 走进二十一世纪，随着微电子技术、航空航天技术、集成电子制造和生物工程等高新技术的发展，制造技术对加工精度和加工质量提出了更高的要求。在激烈的国际竞争中，精密加工和超精密加工技术和装备，直接影响着很多具有重要战略意义的先进技术产品的制造。精密精工甚至是超精密加工技术是先进制造技术领域的前沿课题，它对国防、航空航天、核能以及国民经济各高新技术领域的精密零件的研制具有关键作用，是发展国防以及先进装备制造业的基石，因此受到各工业发达国家的重视。而高质量的微进给系统是实现精密加工的关键。 随着科学技术的发展，目前常见的微进给机构的实现方式有很多种，一般是利用弹性形变、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料（压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩）等实现微进给。而利用压电陶瓷的逆压电效应驱动的微位移平台凭借着比其他致动器更多的优点，迅速占领了微进给平台的市场。 1 微位移平台研究的背景和目的 随着科学技术的发展，现代制造业正以崭新的面貌出现在世人面前。为了满足国家和社会的发展要求，现代制造业正从生产率和精度两个方面受到新的挑战。各类产品和各种装备对加工精度的要求越来越高，精密加工和超精密加工技术已经成为现代制造技术的关键技术之一，是一个国家的国力和科技水平的重要标志。在十多年的时间内，科技迅速的迅速发展使得机械加工精度提高了1-2个数量级，即从六十年代的微米级提高到目前的0.1到0.01微米级，现在又正向纳米级发展。 精密和超精密加工技术在国防工业、信息产业和民用产品中都有着广泛的应用前景。在国防工业中，导弹陀螺仪的质量直接影响其命中率，1Kg的陀螺转子，其质心偏离对称轴0.0005微米，就会引起100米的射程误差和50米的轨道误差；此外，天梯望远镜的透镜、红外线特测器的反射镜、激光核聚变用的曲面镜等都是靠超精加工才能制造的。在信息产业中，计算机芯片、磁盘和磁头、复印机的感光鼓等都要经过超精密加工，包含纳米加工才能达到要求。民用产品中，如隐形眼镜就是利用超精密加工而成的。从上述例子可以看出，超精密加工技术直接影响着很多具有重要战略意义的先进技术产品的制造，是发展国防及先进装备制造业的基石，因此许多发达国家将将此列入国家发展计划研究的重点，为了缩小与发达国家在先进制造业技术上的差距，我国也在本世纪初将对超精密和纳米加工列为国家目标。而作为提高加工精度和实现精密制造技术发展的关键技术之一，目前，对于微位移平台技术的研究已经迫在眉睫。 2 课题研究现状 2.1 微位移平台的研究现状 随着压电、电致、磁致以及静电等微动执行元件的出现和发展，极大地推动了微位移平台技术的发展。目前，常用的微位移机构主要有以下几种形式： (1)弹性变形微位移机构 弹性变形微位移机构的工作原理是利用传动弹簧与平行板弹簧的刚度差，将输入位移进行大幅度缩小后作为输出位移输出，以提高输出位移的分辨率。移动范围为几十微米到几十纳米，定位精度可达0.1微米以上，目前已应用在X射线曝光机上。 (2)磁致伸缩微位移机构 磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现的。通常选用不同长度的磁致伸缩材料棒或管，和改变通入线圈电流的强度，即可获得精确的微小定位。常用的磁致伸缩材料有：纯镍、铁股镍合金、铁镍和铁钴合金等，其中以纯镍的磁变效应最为显著。由于金属材料的磁致伸缩性能稳定，故可获得精度很高的微量步进进给，但磁致伸缩位移机构只能做间歇的进给运动。 (3)热膨胀微位移机构 热膨胀微位移机构是利用热膨胀的原理实现微量进给的。其结构特点是结构简单，操作控制方便。但由于转动杆与周围介质有热交换，而影响位移精度；由于有热惯性，限制了传动杆的快速动作，若隔热不合理，会引起邻近部件热变形，影响加工精度，亦影响了它的应用范围。 (4)械传动微位移机构 常用的机械传动微位移机构有螺旋传动、螺旋—斜面传动，螺旋—杠杆传动，齿轮—杠杆传动，蜗轮—凸轮传动，摩擦传动以及弹性传动。其中螺旋微动机构结构简单、制造方便，广泛应用于显微镜等精密机械中。但由于受空间和加工技术的影响，在某些仪器和电子精密机械设备中，采用差动螺旋、螺旋—斜面、螺旋—杠杆等传动机构，来提高微动机构的灵敏度。 (5)压电陶瓷微位移机构 压电陶瓷微位移机构，是近年来发展起来的高精度微位移机构，可达亚微米级的微位移。由于其微位移精度高、灵敏度高、响应快、易自动控制、抗强磁场强辐射等优点，在光学、微电子技术、精密加工、激光通信、航天等领域广泛采用。压电陶瓷微位移平台的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷片在直流电场的作用下产生的应变力与电厂强度的平方成正比。压电陶瓷常用的材料是锆钛酸铅和钛酸钡。 由压电陶瓷制成的微位移机构具有许多特点：位移量大，行程可达几个厘米；移动精度和分辨率极高（位移精度可达0.05微米，分辨率每步可达0.006微米）；动作快，位移速度每分钟可达20mm；可提供直线运动，不必通过机械传动机构把转动变成直线运动，因而避免了机械结构造成的误差；重复性好，结构简单，尺寸小，不发热，无杂散电磁场。压电陶瓷由于它固有的压电效应，被用作x—y精密微动工作台的驱动部件，可实现x、y、z三个方向的移动，还可实现微动工作台的调平及偏转。在精密和超精密加工中，当运动分辨率达到亚微米级或者纳米级时，压电驱动微位移机构就体现出了自身的优势。 2.2 压电陶瓷微位移机构研究现状 随着精密电子、航空航天、计算机等高、精尖技术的迅猛发展，当定位精度达到纳米级别时，压电陶瓷微位移机构以其他微位移机构所不能比拟的高精度和高分辨率的优势脱颖而出，以多种封装形式迅速出现在各个领域中，在许多领域逐渐取代了其他几种微位移机构，成为了行业中的宠儿，目前压电由压电陶瓷做成的微位移机构主要有以下几种形式： (1)叠片式压电陶瓷微位移机构 叠片式微位移机构由若干相同的圆形压电陶瓷片串联而成，电场以并联的方式加到每片上，相邻的陶瓷片有相反的极化方向，但每片的极化方向与电场方向一致。加上电场后，每片都与相同的伸长量，若一端固定，另一端可连接负载，推动负载位移，其结构如图一所示，但由于其行程小，应用受到限制。
图1 叠片式压电陶瓷微位移机构(1—压电陶瓷，2—青铜片） (2)圆管式压电陶瓷微位移机构 管状压电陶瓷微位移机构简单，但行程小，叠片和管状压电陶瓷都已被用于X射线曝光装置中的精密微动工作台上，行程±10微米，但位移的增长不是线性的。 (3)尺蠖式压电陶瓷微位移机构 这种微位移机构的特点是行程大，可达几厘米，其原理如图二所示。它是由三个互相绝缘，各自单独控制的压电陶瓷管组成。其中压电陶瓷伸缩原件2产生轴向位移，夹头1和3产生径向伸缩，即对传动杆4夹紧和放松。设夹头3的轴向位置固定，压电陶瓷伸缩原件2通过传动杆4推动负载移动。其中传动杆的材料一般用锻钢，其热膨胀系数较小，又是较好的磁性材料，这种压电陶瓷微位移器，已用于扫描电镜、软X射线曝光机和电子束曝光机上。
图2 尺蠖式压电陶瓷微位移机构 蚯蚓式压电陶瓷微位移机构 图3是蚯蚓式压电陶瓷微机构的原理图。它是由压电陶瓷管1，空心杆2和法兰4组成。在压电陶瓷管的外表面镀上8个隔开的环状银电极3，，如果在其中的的一个或两个电极上加负的电压，这一段