精密工作台的设计与实验研究

　　1　引　言

　　微器件装配技术是实现组合结构的微机械电子学系统(MEMS)的关键技术之一,精密工作台系统则是微装配系统的一个重要组成部分。精密工作台是高精度精密仪器的核心,它的精度的优劣直接影响整机的精度。当今精密仪器中的精密工作台正向着高速度和高精度方向发展。目前,精密工作台的运动速度一般在20~50mm/s,最高的可达到100mm/s以上,其精度要求为0·1μm以下。由于高速度带来的惯性很大,一般运动精度要求比较低,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,如图1所示。粗动工作台完成高速度大行程,微动工作台实现其精度要求,也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿。

　　2　精密工作台的设计

　　2.1　粗动工作台的设计[1]

　　粗动工作台的机械系统示意图如图2所示。工作台的主体是由两层互相垂直的V型导轨组成的。导轨分别固定在机身、中滑板2和上滑板3上,均采用滚珠支承,并由两套力矩电机通过传动系统驱动。在中滑板上分别装有光栅副4和14,用它们来测量工作台的精确位置。在工作台15上可放微动工作台。力矩电机7通过齿轮副6、丝杠螺母副5推动中滑板做X方向的运动。力矩电机8通过齿轮副9、拉杆箱10、齿轮副11、齿轮副12及丝杠螺母副13带动上滑板3做Y方向的运动。中滑板做X方向运动时,中滑板的位置是任意的,由于采用了拉杆箱结构,保证了中滑板在何位置均可把运动传递到上滑板上。

　　驱动工作台的电机采用的是力矩电机———测速机组,它可根据工作需要控制力矩电机的转速。工作台运动时,力矩电机做高速运动,使工作台迅速向需要的位置接近。当工作台的运动位移接近给定位移值时,力矩电机从高速自动转换成中速,然后再转换成低速,使工作台平稳而又准确地停在所需要的位置上,因而减少了过冲量,提高了定位精度。

　　2.2　微动工作台的设计[1]

　　微动工作台系统是微器件装配系统的重要组成部分,是微机械构件的承载体。在装配过程中,微动工作台与粗动工作台配合使用,以实现装配器件沿平面X-Y方向上的运动自由度和沿垂直于平面Z方向上的运动自由度。作者提出了一种新型的柔性铰链微定位结构,当压电陶瓷输出位移值时,所有的柔性铰链都会产生一定的偏转角。由于结构是对称的,所以会有效消除位移的交叉耦合;又由于结构在垂直于平面方向上的自由度未加限制,所以系统的柔度很大,位移量可以达到满意的输出[2~5]。微动台在三个方向上采用的都是新型结构。在X-Y平面上的微动台原理图如图3所示,在Z方向上的微动工作台的原理图如图4所示。