微位移机构综述

    0  引言

    近年来，随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展，对精密机械和仪器的精度要求越来越高。例如，大规模集成电路的发展速度惊人，目前线条宽度已达到亚微米级，对于相应的工艺装备的精度要求为亚微米甚至是纳米级。

    微位移技术是精密机械和仪器实现高精度的关键技术之一。近年来得到迅速发展，广泛应用于微型机械、航天、航空、微电子领域，成为现代机械工业的基础。

    微位移技术包括:微位移机构、检测装置和控制系统3大部分。微位移机构是指行程小(小于毫米级)，精度高(亚微米、纳米级)及灵敏度高的机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一种机、电、磁一体化的组合件。它既可作为微进给和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。现在，微位移机构已能达到0.005-0.01um的分辨率。

    微位移机构由微位移驱动器和微动工作台组成。根据微位移驱动器和微动工作台导轨形式可分为5类:

    a)柔性支承，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动。

    b)滚动导轨，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动。

    c)平行弹性导轨，电磁、压电或机械式驱动。

    d)滑动导轨，机械式或压电式驱动。

    e)气浮导轨，伺服电机和直线电机驱动。

    随着微型机械和超精密测试、加工机械的研究以及微电子技术向超大规模集成电路方向发展，微位移机构得到迅猛发展，并得到广泛应用。美国LLNL(美国知名核聚变实验室)研制的加工大口径光学元件的金刚石车床(LODTM)是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT(错钦酸铅压电陶瓷)，能在士1.27林m范围内分辨率达到2.5nm，频率响应可达到10OHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士0.05um，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨率为0.1协m，行程为20林m。本文将介绍一些典型的微位移机构的结构、原理、特点及应用，并对它们作一些比较分析。

    1  直线电机式微位移机构

    直线电机具有任意的调节行程，无限的位移分辨率的优点。在利用空气轴承微步进直线电机作为驱动件产生微位移时，由于简化了系统的结构，从而避免了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等因素带来的运动误差，故这种微位移机构最明显的优点是响应快、可达到瞬时高加速度和减速度。为此，它的快速进给速度达到2.5m/S以上，几乎在瞬间可加速到几个重力加速度。在高加速度时，通常可产生几个牛顿推力。在常载下可达到1um以内的重复定位精度。另外，使用直线电机的伺服系统具有较大的刚度和较小的外形尺寸，在计算机控制的精密车削和磨削加工中得到成功的应用。但是，直线电机目前还存在着成本较高、发热较严重、控制系统较复杂等问题，故应用还受到一定限制。但是，随着科学技术的发展，直线电机的上述问题将得到解决，直线电机式微位移机构将会得到广泛的应用。