精密位移工作台与高速精密主轴标准系统

目录

摘要 (1)

第一章精密位移工作台 (1)

1.1前言 (1)

1.2精密位移工作台分类及应用 (1)

1.2.1精密位移工作台的分类 (1)

1.2.2精密位移工作台的应用 (2)

1.3关键技术分析 (3)

1.3.1微位移驱动器 (3)

1.3.2微定位执行机构 (4)

1.3.3位移检测器 (5)

1.3.4控制方式 (5)

1.4国内外发展现状 (5)

第二章高速精密主轴系统 (7)

2.1前言 (7)

2.2高速精密电主轴的发展现状 (7)

2.2.1国内高速精密电主轴的发展现状 (8)

2.2.2国外高速精密电主轴的发展现状 (8)

2.3高速精密电主轴的关键技术 (9)

2.3.1精密主轴轴承 (9)

2.3.2主轴电机及控制技术 (9)

2.3.3电主轴润滑及冷却技术 (10)

2.4高速精密电主轴的发展趋势 (10)

摘要

随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的迅速发展，精密位移工作台系统在电子、光学、精密制造等众多技术领域中得到越来越广泛与深入的应用；同时，随着高速精密加工技术的迅速发展，高速精密电主轴已成为高端数控机床发展的关键技术之一。本文第一部分介绍了精密位移工作台的发展背景、分类与应用，对其关键技术和国内外的发展现状进行了分析；第二部分介绍了高速精密电主轴系统发展背景，分析了其国内外的发展现状，阐述了研制高速精密电主轴的轴承、主轴电机及控制、润滑及冷却等关键技术，并对高速电主轴的发展方向给出了预测性的分析。

关键词：精密位移工作台,微位移驱动器,微执行机构,精密主轴系统,主轴电机

第一章精密位移工作台

1.1前言

近年来，随着微电子技术，宇航，生物工程等学科的迅速发展，正式进入了“亚微米-纳米”时代。在电子，光学，机械制造等众多技术领域中，迫切需要高精度，高分辨率，高可靠性的微定位系统，用以直接工作或配合其他仪器设备完成高精度的研究和使用。微定位技术在微机电系统，纳米制造技术，微电子及纳米电子技术，纳米生物工程等众多高科技领域将发挥越来越重要的作用。

微纳米加工技术的发展,离不开精密工作台技术的发展与进步。所有纳米操作及超级精密制造的研究及应用领域的进一步发展，都需要依靠高精度的定位平台和更高的控制精度。精密工作台是集精密位置检测技术、驱动技术、直线导向技术、控制技术等多项技术为一体的有机综合体。

1.2精密位移工作台分类及应用

1.2.1精密位移工作台的分类

精密位移工作台系统包括微位移机构，检测系统，控制系统三部分，如图1-1所示。微位移机构由微位移器和导轨组成。按其形式可分为以下五类：（1）平行弹性导轨，机械式，电磁、压电或电致伸缩微位移器驱动。

（2）柔性支承，压电或电致伸缩微位移器驱动。

（3）滚动导轨，压电或电致伸缩微位移器驱动。

（4）滑动导轨，机械式驱动。

（5）气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。

图1-1精密位移工作台组成

1.2.2精密位移工作台的应用

精密位移工作台在精密仪器中主要用于提高整机的精度，根据目前的应用范围，大致可分为四个方面：

（1）精度补偿

精密工作台是高精度精密仪器的核心，当前精密工作台的运动速度，一般在20mm/s～50mm/s，最高的可达100mm/s以上，而精度则要求达到1μm以下，由于高速度带来的惯性很大，一般运动精度比较低，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来实现。如图1-2所示粗工作台完成高速度大行程而高精度由精密位移工作台来实现，通过精密位移工作台对粗动工作台运动中带来的误差进行精度补偿，以达到预定的精度。

图1-2 粗精工作台的结合

（2）微进给

主要用于精密机械加工中的微进给机构以及精密仪器中的对准微动机构，如图1-3所示金刚石车刀车削镜面磁盘，车刀的进给量为5μm就是利用微位移机构实现的。

图1-3 金刚石车刀车削镜面磁盘

（3）微调

精密仪器中的微调是经常遇到的间题，如图1-4所示，左图表示磁头与磁盘之间的浮动间隙的调整，右图为照相物镜与被照乾版之间焦距的调整。

图1-4 微调作用

（4）微执行机构

主要用于生物工程、医疗、微型机电系统、微型机器人等，用于夹持微小物体。如图1-5所示，微型器件装配系统的微夹持器。

图1-5 微型器件装配系统的微夹持器

1.3关键技术分析

微定位技术的实现，依赖的支撑技术包括：微位移驱动器、微位移执行机构、位移测量和控制方法。

1.3.1微位移驱动器

进行微定位技术研究，微位移驱动是微定位平台的关键部分。常用的机械式驱动方式，如丝杠-螺母机构、杠杆机构、楔块机构、弹性机构等，可靠性较高，但这些驱动方法均只适用于大行程的定位，难以满足微定位的行程和精度要求。

为满足微纳定位的定位要求，国内外对微纳定位的驱动方式进行了不断而且深入的研究，表1-1列出各种使用较多的微驱动器的性能比较：

表1-1 各种微驱动器比较

基于电磁、静电、压电陶瓷或形状记忆合金、热膨胀的微型驱动器在近几年是研究的热点。

1.3.2微定位执行机构

微位移执行机构品种很多，因工作性质和用途不同，主要分成直线位移载物工作台和回转载物工作台2类，有一维、二维或多维运动等，所谓的多维载物工作台实际都是在一维运动的基础上复合而成。

（1）机械执行机构，是大行程的精密定位机械工作载物台，经常采用滚珠丝杆/ 螺母传动和滚动导轨，由步进电机或伺服电机驱动，代替了传统的滑动丝杆副和导轨副，获得高精度直线位移和定位度，这类产品的售价都很贵，精度均在微米量级，不足于直接达到纳米量级定位精度。

（2）直线电机执行机构，载物工作台直接由直线电机驱动，两者连为一体，结构简洁，避免了机械传动系统，这在哈工大的精密定位机构的研制工作中已经获得应用。

（3）压电陶瓷马达执行机构，是新型的精密载物工作台，台面的侧面装有铝整流子，由压电陶瓷马达将其推动，使台面沿着导轨实现纳米级精度往复运动，特点是：行程无限，5 nm的高分辨率，速度范围宽1μm/s～250mm/s。

（4）柔性铰链机执行机构，柔性铰链利用了弹性材料微小角变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率，并有很紧凑的机械结构和很高的刚度，以及迅捷的响应。它由压电陶瓷驱动，可以实现纳米量级微运动，目前广泛应用于精密定位技术。为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足，通常采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出。