高精密二維平臺關(guān)鍵零部件選型

摘 要：高精密二維平臺在生產(chǎn)加工中得到了廣泛的應(yīng)用，在平臺設(shè)計過程中關(guān)鍵零部件如：支撐形式、驅(qū)動方法、閉環(huán)檢測控制手段等是保證高精度的基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)需求好，合理選擇，合理搭配。

關(guān)鍵詞：直線電機；直線導(dǎo)軌與滑塊；光柵尺

1隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類在制造領(lǐng)域中采用的尺度將由微米邁向納米，在這個進程中，高精密的運動平臺是實現(xiàn)納米級定位和加工的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，在一些工程領(lǐng)域，已經(jīng)對納米級微進給平臺提出了要求，如半導(dǎo)體器件；光學(xué)器件；微型機械的制造及特種材料加工等。尤其是在微型機械和超精密加工領(lǐng)域，往往需要十分精確的定位和非常精細的運動，因此需要高性能的超精密定位平面工作臺作為其技術(shù)支持。例如，隨著集成電路集成度的提高，線寬已達到亞微米級，因此在制造過程中對定位精度有著苛刻的限制。在微型機械領(lǐng)域要求對微小的零部件進行裝配，就必須為其提供精密的運動。同時， 微型機械制造超精密加工、生物工程、集成電路制造、醫(yī)療手術(shù)、掃描探測、光纖對接等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

2平臺的搭建

2.1平臺結(jié)構(gòu)

平臺結(jié)構(gòu)形式，支撐形式，驅(qū)動連接方法以及構(gòu)件的尺寸和材料決定平臺的運動學(xué)和動力學(xué)特性，進而決定其所能達到的性能，是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容。這里平臺的具體細節(jié)為：采用了大理石或花崗巖平臺作為零部件安裝支撐體，固定龍門式X/Y運動分離的結(jié)構(gòu)，永磁同步直線電動機+導(dǎo)軌支撐的驅(qū)動形式，高分辨率直線光柵尺，驅(qū)動器+PMAC運動控制器。

機械系統(tǒng)屬于精密運動平臺實現(xiàn)功能的支撐體和執(zhí)行者，機械系統(tǒng)的精度和剛度是影響精密運動、定位的最重要的因素。精密機械零部件的制造水平是一個國家制造業(yè)水平的重要反映。精密運動平臺的關(guān)鍵零部件包括直線電機，直線導(dǎo)軌和滑塊，直線光柵尺。這里從精密運動平臺的關(guān)鍵件如直線電機、直線導(dǎo)軌、滑塊和直線光柵尺的使用特點和選型原則，對這些關(guān)鍵零部件進行選型

2.2直線電機

永磁同步直線電機（PMLSM）具有機械結(jié)構(gòu)簡單，無反沖、低摩擦阻力，可執(zhí)行長距離高速高精度定位等優(yōu)勢文獻。而U型無鐵芯直線同步電機更有無徑向吸力，并且齒槽效應(yīng)為零，運動非常平穩(wěn)，重量輕可以實現(xiàn)高加速度。一般定位精度和重復(fù)定位精度要求較高的平臺都選用U型無鐵芯直線同步電機。在推力要求大，加速度不高的地方一般選用有鐵芯直線電機。

2.3直線導(dǎo)軌與滑塊

首先介紹直線滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，如圖2. 6所示。主要由軌道、滑塊、鋼球、保持架和端蓋等五部分組成.軌道起支承作用，安裝在支承件上，滑塊裝在移動件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對運動時鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置進入返向孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進行滾動運動。返向器兩端的防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。然后確認直線導(dǎo)軌的精度。精度是個綜合概念，一般由滑塊基準(zhǔn)側(cè)面相對同側(cè)滑軌側(cè)面的行走直線誤差、組合高度誤差，滑軌側(cè)面至滑塊基準(zhǔn)側(cè)面寬度誤差、成對高度誤差以及成對寬度誤差構(gòu)成。直線導(dǎo)軌精度可分為普通級（N），高級（H），精密級（P），超精密級（SP）與超高精密級（UP）五個等級。精密級（P級）的直線導(dǎo)軌行走平行度都在2μm以上。高精度直線導(dǎo)軌具有高剛性、高載荷，行走順暢度佳，載荷均勾，高速低噪音，具自動調(diào)心能力，滑塊共軌設(shè)計，定位精度高等特點。這些優(yōu)點讓它成為精密運動領(lǐng)域的核心零部件之一。對于多數(shù)產(chǎn)業(yè)機械，N級或H級精度可以滿足要求，數(shù)控機床等設(shè)備通常選擇P級精度，超精密運動平臺選擇SP和UP精度。

2.4直線光柵尺

高精度位置檢測技術(shù)是實現(xiàn)精密定位的基礎(chǔ)，位置反饋精度直接決定精密運動系統(tǒng)的定位精度。目前用于精密定位系統(tǒng)的位置檢測裝置有：感應(yīng)同步器裝置、光柵尺裝置、磁尺位置檢測裝置、脈沖編碼器、激光干涉位置檢測裝置等。隨著高精度、低成本光柵的開發(fā)，光柵刻制技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，細分技術(shù)的逐歩完善，光柵尺位置檢測裝置廣泛應(yīng)用于精密運動平臺系統(tǒng)。文獻[2]總結(jié)了光柵尺傳感器的優(yōu)點：數(shù)字量輸出，易與數(shù)字電路匹配；大行程，高精度，低成本；穩(wěn)定性、抗干擾性好，具有較高的測量速度。指出了光柵尺系統(tǒng)與激光干涉測量儀相比，具有光路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整難度小的，價格相對較低，不需要透鏡組合卻能獲得很高的放大倍數(shù)的特點。文獻[4]提出了一種基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法，探討了雙光柵尺信號的切換合成方法，并驗證了該雙光柵尺系統(tǒng)在大于1m/s的移動速度是具有10nm定位精度。采用CPLD器件EPM7128SLC84-10設(shè)計光柵尺信號處理電路，使用USB總線作為光柵尺傳感器信號處理電路與計算機間的通訊接口，提高了光柵尺接口卡的穩(wěn)定性和使用的通用性。

3.結(jié)束語

這里簡單的介紹了高精度二維平臺在設(shè)計時應(yīng)注意哪些關(guān)鍵零部件，這些零部件的選擇原則及方法。為設(shè)計平臺時提供一些參考。

參考文獻：

[1]葉云岳，等.直線電機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]鄭薈民.基于光柵微位移檢測電路系統(tǒng)的研究：[碩士學(xué)位論文].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2010

[3]張健.髙精度平面定位與控制技術(shù)的研究：[碩士學(xué)位論文].南京：東南大學(xué)，2004

[4]節(jié)德剛 劉延杰 孫立寧 陳智超 蔡鶴皋.基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法[J].光學(xué)精密工程，2007， 15 （7）： 1077-1083

[5]樊松.基于USB和CPLD的新型光柵尺接口卡的設(shè)計與實現(xiàn)：[碩士學(xué)位論文].天津：天津理工大學(xué)，2008

作者簡介：

劉永力，男，本科 出生日期：1976年7月6日職務(wù)：機械設(shè)計工程師 職稱：中級機械工程師單位：哈爾濱泰富電氣有限公司