一种毫微米级进给机构几个问题的研究

　　随着高精度及微细加工技术的发展，对毫微　米级微进给装置和微位移定位技术提出了愈来愈高的要求。扫描隧道显微技术(STM)是一种能达到原子级分辨率的高精度非接触式的测量技术。

　　STM的微进给系统必须要求有定位精度高、稳定性好的性能。STM的微进给系统通常由3部分组成，即:　粗进给机构，其进给范围为十几毫米至十]IL微米，半精细进给机构，进给范围约为几十微米至十几纳米，最后一级为精密微进给机构，其进给范围约为um~0. 1nm。本文介绍了一种从宽范围扫描的STM的设计要求出发研制的用于半精细进给的毫微米级精度的微进给机构。

　　1微进给机构的工作原理

　　微进给机构的结构简图如图1，由平行板弹簧、传动弹簧及外径千分尺(精度为0. Olmm)组成。其工作原理为，利用传动弹簧与平行板弹簧的刚度差，实现输出位移相对于输入位移的大幅度缩小，以提高输出位移的分辨率。微进给机构可简化为如图2所示的一阶系统

　　的动力学模型l。其中，k1为传动弹簧的刚度，k2为平行板弹簧的刚度，C为阻尼系数，m为板弹簧的质量。当输入位移为x(t)时，输出位移为yt),则该系统的动力平衡方程为(初始条件为:y(0)= 0,y(0)=0)

　　若已知输人位移x(t)的具体形式，即可求出该系统的位移输出y(t).设输入位移x(t)为一个阶跃函数，即x(t)=A，这相当于输入的位移保持于某一恒定的稳定状态，对其作拉氏变换得

　　由式(4)可见，当输入函数为一恒定位移时，相当于输入一个阶跃函数，此时系统的响应y(t)为一阶跃响应函数，其由两部分组成:一部分为以自然阻尼频率}d按指数形式衰减的振动;另一部分则为一常稳态输出，亦即当系统达到稳定时的输出。由式(4)可知，达到稳定状态的过渡时间与系统的固有频率wn阻尼比g有关;wr越高，g参越大，则达到稳态输出的过渡过程的时间越短。当系统伏到稳定之后，倘若输入位移保持常量，则系统的输出位移y(t)亦为一常量，即

　　上式说明，系统稳定时，其输出位移相对于输入位移是唯一确定的，不受初始条件的影响，故可获得稳定的高分辨率和运动精度。而且，由于传动弹簧的刚度远小于平行板弹簧的刚度，即k1《k2，因此该机构可以获得缩小比很大的输出位移y(t)。基于这一原理，它又被称为“弹性式微位移机构”。

　　2弹性式微位移机构设计要点

　　为了得到预期的缩小比和分辨率，必须对该机构中平行板弹簧的尺寸及传动弹赞的刚度进行计算。平行板簧的受力分析如图3所示。取坐标如图，该平行板簧为中心对称的结构。其中，中间厚盘部分为工作台，其两侧与上下两层平行簧片连接，而簧片的外侧则由刚度远大于簧片的厚筋支撑，使得当中间工作台承受作用力时，只产生平行板簧的弹性变形，而两侧厚筋的变形小至忽略不计，因此工作台的变形近似为上下两层板簧当长度为x=a。时的弹性变形。因此根据双重平行板弹簧的弹性变形方程，可求得工作台的弹性变形方程。