三维一体化超微定位系统的研制

　　科学技术的发展在诸多领域迫切需要超微定位技术,尤其是在纳米科学和技术领域,纳米加工、测量与三维超微定位技术更是密不可分。目前国内外研制的超微定位机构还只是一维、二维及拼接式三维超微定位机构,还没有在整块材料上直接加工出三维运动机构的三维一体化超微定位机构。虽然拼接式结构和一体化结构相比加工简单,但安装复杂,安装精度要求高,安装时三运动方向上存在的垂直度误差将产生交叉耦合误差。其存在抗干扰能力差、对外界温度、振动较敏感、运动方向上的刚度易变化、长期稳定性差等缺陷,并且由于粘接、紧固件的连接,在纳米级尺寸必然存在爬行、蠕动等致命弱点。而三维一体化超微定位机构以其一体化和整体性结构的独特优势,可以避免拼接式结构的这些缺陷和弱点。因此发展三维一体化的超微定位机构有很大的使用价值和广泛的应用前景。

　　超微定位系统的构成

　　超微定位系统由微定位机构(微定位工作台)、微位移检测装置和控制系统构成,如图1。

　　1.微定位机构

　　微定位机构是指行程一般小于毫米级,灵敏度和精度优于亚纳米、纳米级的机构,通常由微位移器和导轨两部分组成。根据导轨形式和位移驱动方式可分成以下五类:

　　(1)柔性铰链为弹性导轨—压电、电致伸缩位移器构成的微定位机构;

　　(2)滚动导轨—机械式或压电、电致伸缩位移器构成的微定位机构;

　　(3)弹性导轨—机械式或电磁及压电、电致伸缩位移器构成的微定位机构;

　　(4)气浮导轨—伺服电机或直线电机驱动器构成的微定位机构;

　　(5)滑动导轨—机械式位移器构成的微定位机构;

　　导轨形式的选择对微定位机构的定位精度和位移分辨率有重要的影响,在不考虑微位移器的误差的前提下,微位移定位机构的定位误差范围的大小为:

　　其中,FS为系统摩擦表面的静摩擦力,Fd为系统摩擦表面的动摩擦力,K为传动系统的刚度。

　　由式(1)可知,微位移定位系统的定位精度取决于系统摩擦力的绝对值和系统的刚度,减小摩擦力的绝对值和提高系统的刚度是提高定位精度的重要措施。柔性铰链是一种新型的弹性导轨形式,具有无机械摩擦、无间隙、无热源、加工简单及运动灵敏性高等优点,是理想的导轨形式。机械式微位移驱动器存在较大的机械间隙及机械摩擦,电热式、电磁式微位移驱动器具有发热现象,可导致相邻零件产生热变形,微位移精度难以达到纳米量级。压电、电致伸缩微位移驱动器结构紧凑、体积小、位移分辨率高、不产生噪音和发热、易于控制、刚度大,是较理想的微位移驱动器件。