微动工作台的分类和组成

1.2 微动工作台的类型及主要组成

微动工作台根据其工作原理和驱动方式的不同可分为以下几种。

1.2.1 扭轮摩擦传动式微位移平台

扭轮摩擦传动式微位移机构是利用扭轮摩擦传动机构实现微位移

机构。一般的摩擦传动方式是将驱动摩擦轮展开为直线运动，运动分辨率有限。当将摩擦副的主动轮与从动杆母线交角从直

扭轮摩擦传动图

图二

角减小为一很小的角度时，形成的摩擦副即为扭轮摩擦副，利用扭轮摩擦副做成的传动机构称扭轮摩擦传动机构，它可以得到很小的导程和纳米级的运动分辨率和定位精度，具有运动平稳、无间隙和无爬行等优点。我们研制的扭轮摩擦传动机构示意图如图1所示，其导程小于0．2mm，若选用高运动分辨率的电机，则可达在250mm范围内得到纳米级的运动分辨率和

定位精度。它可应用于许多超精密传动领域。

1.2.2 机械传动式微位移平台

机械传动式微位移机构是一种最古老的机构，在精密机械和仪器中应用很广，其结构形式较多，主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等，所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度，所以该机构只适宜于中等精度。

螺旋式微动机构简图

图三

差动螺旋式微位移机构

图四

1.2.3 螺旋式微位移平台

螺旋式微位移机构的结构简图如图2所示，其结构简单、制造维修方便，它是利用螺旋传动原理米获得微小直线位移，转动手轮l转动经螺杆2将螺旋运动转换为直线运动。运动件的直线位移J与手轮转角中关系为：J=±—}·≯因此，若螺杆螺距f已定，在螺杆与螺母配研和传动平稳时，控制妒的大小即可得到微位移，其精度可达l 0 u m。它广泛应用于微调和测量机构，如千分尺等。为了得到更高精度的微位移，就采用如图3所示的差动螺旋式微位移机构。它的螺杆l有两段螺距分别为，2和f，的螺纹，f2大于，。且螺旋方向相同，则螺母2的微位移(即输出位移)s为：

s=(f2一f1)／(2)

式中西为手轮转角，若屯和f】分别为0．75mm和0．7mm，其差值为O．05mm，手轮的圆周刻度分划为50格，则手轮转动1格时，在螺杆与螺母配研和传动平稳以及零件达到加工精度时，运动件的位移量为1 u m。差动螺旋式微位移机构除此之外还有采用差动螺母的形式，其工作原理类似，结构相对紧凑，但相对而言，其加工精度稍难保证，因差动螺母较难保证加工精度。

1.2.4 组合式机械传动式微位移平台

凸轮式微位移机构是利用凸轮曲线的微小变化来实现运动件的微位移，其传动链短、刚性好。螺旋一斜面微位移机构是利用螺旋微位移机构推动一斜块运动以使斜块在某一方向产生微位移。蜗轮一凸轮式微位移机构，其原理是：主动杆蜗轮转动，经蜗轮蜗杆副减速，带

动凸轮转动，再通过滚轮使运动件产生微位移。齿轮一杠杆式微位移机构是利用手轮轴的转动，经过几级齿轮减速，变成扇形齿轮的微小转动，再通过杠杆机构将其微小转动转化为运动件的直线微位移。此外，还有齿轮一摩擦式微位移机构和螺旋一锥轮式微位移机构等等。但组合式微位移机构相对复杂些，一般应用于特定场合。

1.2.5 热变形式微位移平台

热变形式微位移机构的微动原理是：如下图4所示，传动杆l的一端固定在机架上，另一端固定在沿导轨作微位移的零部件2上，当线圈通电加热时，使传动杆受热伸长，其伸长量为：

△￡=a￡(t1一t0)=a￡△t

式中a——传动杆材料的线膨胀系数；

￡传动杆的长度：t1、t0——分别为被加热达到的温度和加热前的温度。改变通入电流或者电压的值

电热式微位移机构原理图

图五

使传动杆温度改变。即可得到不同的微位移量d热变形式微位移机构结构、操作控制方便，与大降速比的机械传动式微位移机构相比，它的刚度高且无间隙。但因传动杆与周围介质之间有热交换，因而影响位移精度且由于热惯性的存在以及对传动杆的冷却速度难以准确调节。因此限制了微位移的速度，故不适宜于行程较长、频率较高的微位移。

1.2.6 弹性变形传动式微位移平台

弹性变形传动式微位移机构的结构示意图及其动力学模型如图5所示，其原理是利用两个串联在一起的主动弹簧的刚度差，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。设主动弹簧和从动弹簧的刚度分别为K1、k2,且K2远大于L1，主动弹簧的位移（即输入位移）和从动弹簧的位移（即输出位移）分别为△X1、△X2，则：

)/(*21112k k k x x +∆=∆

弹性变形式微位移机构如下图

图六 弹性变形式微位移机构动力学模型如下图

图七 如果主动弹簧由千分尺驱动，其精度为10um ，K2=9K1，理想情况下其输出精度微1um ，如果K2与K1相差更大，则分辨率、精度更高。该机构传动链短、摩擦力小、易获得精确

位移，且其精度高、稳定性好，可用于扫描隧道显微技术（STM），及需达到原子级分辨率的高精度测量技术和光学零件的精密调整机构。但当该机构的运动件受到为例或存在摩擦力时，这将直接影响精度，而且对于步进状态态的输入位移，容易产生过渡性震荡，所以不适宜于动态响应的情况。

1.2.7 磁致伸缩式微位移平台

磁致伸缩式微位移机构的工作原理如图6所示，磁致伸缩棒1的一端固定在机座上，另一端与运动件相连，绕在伸缩棒外的线圈通电激磁后，在磁场的作用下，伸缩棒产生变形而使运动件实现微量位移，改变磁场强度可得到不同的微位移量，其精度可达亚微米。该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、转动惯量小、工作稳定性好等优点。但其磁场强度与磁致伸缩量之间不严格成线性关系，磁场作用下还伴有发热，故微动精度不高。它适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度变形补偿及自动调节系统等。

磁致伸缩式微位移机构如下图

图八磁致伸缩式微位移机构

1.2.8压电陶瓷式微位移平台

该机构利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移，改变输入电压的大小即可得到不同的微位移，它从而避免了机械结构造成的误差，所以具有结构简单、尺寸小、分辨率极高（可达纳米级）、发热少、无杂散电磁场和便于遥控等优点。它已成功勇于高科技领域，如机器人微位移定位器、磁头、喷墨打印、扬声器和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构