蠕动式X_Y_微动工作台的设计实现.pdf

文章编号:1004-132 (2001)03-0263-03蠕动式 X-Y-微动工作台的设计实现吴鹰飞博士研究生吴鹰飞李勇周兆英刘钦彦摘要:提出了一种新颖的 X-Y-微动工作台。利用单一压电元件驱动及柔性铰链机构传动获得平面上 3个自由度的运动,并与电磁夹紧机构配合实现蠕动式进给,使平面工作台具有高的位移分辨率、大的工作行程和简洁的结构。工作台的核心部件柔性铰链传动机构采用对称设计,有利于运动的导向。通过力学分析,对柔性铰链机构进行了参数选择。测试了工作台的性能,柔性铰链机构刚度的实测值同理论值接近。运动速度大于 10 m/s,位移分辨率小于 0.1 m。关键词:压电元件;柔性铰链机构;X-Y-微动工作台中图分类号:T H13 文献标识码:A收稿日期:2000 08 31在微型机械和超精密加工领域,往往需要十分精确的定位和非常精细的运动,因此需要高性能的超精密定位平面工作台作为其技术支持。例如,随着集成电路集成度的提高,线宽已达到亚微米级,因此在制造过程中对定位精度有着苛刻的限制。在微型机械领域要求对微小的零部件进行装配,就必须为其提供精密的运动。另外,在机械加工非圆球面时,为了得到精确的形状和高质量的表面,对加工过程中刀具相对工件的运动精度提出了严格的要求。这一切都在很大程度上取决于平面运动工作台功能的完善和性能的提高。实现亚微米甚至纳米级的平面定位,常规的驱动和传动方式已不再适用。比如,通常为了实现精密定位,往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案,然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在,其定位精度一般只能达到微米级,因此,必须寻求特殊的驱动和传动方式以使平面工作台具有亚微米,甚至纳米级的位移分辨率。利用电磁驱动可直接对平面工作台进行精细的位置调整,但是其系统结构较为复杂1。另一种经常被采纳的超精密定位方案是利用压电元件作为驱动装置,柔性铰链机构作为传动装置构成超精密定位系统2。压电元件具有体积小、刚度大、位移分辨率高和响应迅速的特点,适合微小位移的驱动。通常的传动机构由于机械摩擦和回退空程的存在而难以传递微小位移,且在尺寸上往往较为庞大,结构上较为复杂,不易于小型化,所以不能满足压电元件驱动的超精密平面工作台的传动机构的要求。柔性铰链利用了弹性材料微小角位移及其自回复的特性,消除了传动过程中的空程和机械摩擦,能获得很高的位移分辨率,并且利用柔性铰链机构作为传动装置在结构上十分简洁、紧凑,利于系统小型化,又能与压电元件直接联接,形成预紧。因此,选择压电元件作为驱动装置,柔性铰链机构作为传动装置是一种较为理想的超精密平面工作台的设计方案。文中提出了一种新颖的 X-Y-微动工作台的运动原理,对其核心部件柔性铰链传动机构采用了对称结构,并确定了合理的设计参数,测试了柔性铰链传动机构的刚度和蠕动式 X-Y-微动工作台的运动性能。1 单驱动 X-Y-微动工作台的原理1.1 多自由度运动机构的运动原理利用压电元件驱动,柔性铰链机构传动的平面工作台能实现超高精度定位。通常在平面上实现 X方向、Y方向的运动需要各自单独的压电元件进行驱动,且不易获得 方向的转动。为了简化平面工作台的结构和控制,完善其功能并提高其性能,提出了一种新颖的单驱动 X-Y-微动工作台的设计方案。其核心部件柔性铰链传动机构采用了由单个元件驱动的多自由度运动机构的原理,见图 1。杆 1、2,运动块 A、B及固定端 O通过铰链连接,运动块 C与杆 2固接。当驱动元件 P伸长时,运动块 A相对固定端 O沿 X 方向运动。如果过 A处铰链作 Y 轴的平行线,过 B处铰链作263蠕动式X-Y-微动工作台的设计实现 吴鹰飞李勇周兆英等图 1 多自由度运动机构的运动原理图X 轴的平行线,它们与杆 1的延长线交于一点,则运动块 A相对固定端 O 沿 X 方向运动时,运动块 B 就能够相对固定端 O 沿 Y 方向运动。自然,在运动块 C上能获得相对固定端 O的旋转运动。1.2 蠕动式 X-Y-微动工作台的运动原理由单驱动多自由度运动的柔性铰链传动机构为核心构成的蠕动式 X-Y-微动工作台的结构见图 2。图中底板为导磁材料。在传动机构的固定端 O以及运动块 A、B、C上分别安装电磁夹紧图 2蠕动式 X-Y-微动工作台的结构图机构。固定端 O和运动块 A上的电磁夹紧机构工作,运动块 B和 C上的夹紧机构始终松脱(不通电),配合压电元件 P 的变形实现 X 方向的蠕动进给为例,简要地说明 X-Y-微动工作台的运动原理如下:固定端 O的电磁夹紧机构吸附(通电),运动块 A上的电磁夹紧机构松脱;压电元件 P加压伸长;运动块 A上的电磁夹紧机构吸附(通电),固定端 O 的电磁夹紧机构松脱;压电元件 P减压收缩。重复步骤 ,即可实现平面工作台 X 方向的蠕动进给。改变电磁夹紧机构和压电元件的工作顺序可以实现反向的蠕动进给。同理,选择不同的电磁夹紧机构与压电元件配合工作,能逐一地实现工作台 Y 方向和 方向的蠕动进给。2 柔性铰链传动机构的设计2.1 柔性铰链传动机构的对称设计如图 1所示的传动装置原理设计柔性铰链机构,为了确保运动块 A无偏转地沿 X 方向运动和运动块 B无偏转地沿 Y 方向运动,就必须对它们进行导向。如果为此专门附加导轨或其它导向机构,无疑会增扩传动装置的体积。有鉴于此,设计了一种对称结构的柔性铰链传动机构,见图 3。由于该柔性铰链机构满足多自由度传动机构的要图 3 柔性铰链传动机构结构图求,并且 在几 何结构和机械受力上 的对 称性,所以当压电驱动元件变形时,相对于固定端 O,运动块A无偏转地沿 X方向运动,运动块B 无偏转地沿 Y方向运动,运动块C定点转动。2.2 柔性铰链传动机构的参数和性能为了使 X-Y-微动工作台具有理想的性能,并考虑安装过程的合理性,与压电元件配合的柔性铰链传动机构应有适宜的刚度和运动范围。希望柔性铰链传动机构的性能如下:1 106N/mK 3 106N/mSm 150 m式中,K为柔性铰链传动机构的刚度;Sm为柔性铰链传动机构所允许的最大位移。在柔性铰链传动机构的 X轴方向施力,可列写柔性铰链传动机构各处的受力和变形的平衡方程组。由此可求得柔性铰链传动机构的刚度和最大应力,进而得到柔性铰链传动机构所允许的最大位移。根据柔性铰链传动机构各个参数对其性能的影响,可对柔性铰链传动机构进行优化设计,使其满足性能要求。由于采用了对称设计,柔性铰链传动机构的分析和优化变得简捷。选用 65Mn(弹簧钢)制作柔性铰链传动机构,其材料的性能参数如下:E=2 1011PaG=8 1010Pae=2 108Pa式中,E为弹性模量;G为剪切模量;e为许用应力。考虑平面工作台的总体尺寸及其加工上的合理性,选取柔性铰链传动机构的几何尺寸及柔性铰链的几何参数如下:l=55mm;s=19mm;u=1.5mm;R=1mm;t=55mm;b=10mm。式中,l、s、u为柔性铰链传动机构的几何尺寸,见图 3;R为柔性铰链的半径3;t 为柔性铰链的厚度;b为柔性铰链的宽度。通过力学分析得 K=1.4983 106N/m,Sm=189 m,可见满足设计性能要求。3 平面工作台的性能测试3.1 柔性铰链传动机构刚度的测量264中国机械工程第 12卷第 3期 2001年 3月图 4柔性铰链传动机构的刚度测量曲线利用弹簧秤和千分表测量柔性铰链传动机构的刚度,试验曲线见图 4。线性拟合后,得柔性铰链传动机构的刚度为K=1.056 106N/m与理论值相差 29.52%。由于柔性铰链传动机构的刚度对参数十分敏感,例如,当 柔性铰链 的厚度 t 由 1mm 变 为0.9mm,柔性铰链传动机构的刚度理论值变为 K=1.138 106N/m,所以柔性铰链传动机构刚度的理论值同实测值是接近的。3.2 X-Y-微动工作台运动性能的测试利用电涡流传感器对 X-Y-微动工作台的运动性能进行测试,结果见图 5。(a)沿X轴大步距运动(b)沿X轴大步距运动时Y轴上的干涉(c)沿Y轴大步距运动(d)沿 Y轴大步距运动时 X 轴上的干涉(e)沿 Y 轴小步距运动图 5 X-Y-微动工作台的运动性能在压电元件上施加 0 150V电压时,X-Y-微动工作台可实现大步距运动,每步位移约为 6 m,见图 5a、图 5c,但工作台同时产生约1.5 m的干涉,见图 5b、图 5d。干涉运动要比主运动小得多,所以可通过控制加以矫正。在压电元件上施加 0 50V电压时,X-Y-微动工作台可实现小步距运动,每步位移约为 0.3 m,见图5e。如果适当地减小驱动电压,还可获得更为精细的运动。由图 5可知,X-Y-微动工作台的步距比较均匀。工作台的性能是在约 1Hz的进给频率下测试的,其实际工作频率还可提高。通过测试结果可确定 X-Y-微动工作台的 运 动速 度 大于 10 m/s,位 移 分辨 率 小 于0.1 m。由于测量手段的局限,没有对 X-Y-微动工作台的转动性能进行测试。根据工作台以大步距转动数千步后的结果估算,其每步的角位移约为 50 rad。4 结论提出了一种新颖的 X-Y-微动工作台的运动原理,利用一块压电元件驱动,产生平面工作台 3自由度的运动,而使工作台的结构更加紧凑、功能更加完善。蠕动式运动原理能够使平面工作台实现大范围的定位。柔性铰链传动机构的对称设计有利于运动的导向。测试结果表明,柔性铰链传动机构刚度的理论值同实测值接近。X-Y-微动工作台能持续、均匀地实现大步距和小步距的进给,干涉运动可通过控制加以矫正。工作台的运动速度大于 10 m/s,位移分辨率小于 0.1 m。参考文献:1 Holmes ML.Atomic-Scale Precision Motion Con-trol Stage.Annals of the CIRP,1995,44(1):455 4602高宏,李庆祥,严普强.亚微米弹性微位移工作台系统的设计及其精度分析.清华大学学报,1988,28(5):19 28 3 Paros J,WeisboroL.How to Design FlexureHinges.Machine Design,1965,37:151 157(编辑华恒)作者简介:吴鹰飞,男,1972年生。清华大学(北京市 100084)精密仪器与机械学系博士研究生。研究方向为精密定位系统。李勇,男,1962年生。清华大学精密仪器与机械学系副教授。周兆英,男,1937年生。清华大学精密仪器与机械学系微米纳米研究中心主任、教授、博士研究生导师。刘钦彦,男,1977年生。清华大学精密仪器与机械学系硕士研究生。265蠕动式X-Y-微动工作台的设计实现 吴鹰飞李勇周兆英等loose-coupling product model is established,and a test-ing environment of distributed collaborative design is builtin this paper.Key words:virtual manufacturing Internet architecture product modelingdistributed collabo-rative design Design and Develepment of an Inchworm Type of X-Y-Micro Stage W U Yingfei(Tsinghua University,Bei-jing,China)LI YongZHOU ZhaoyingLIU Qinyan p263-265Abstract:This paper presents a novel inchworm typeof X-Y-micro stage.With the actuation of one piezo-electric element and conveyance of flexure hinge mecha-nism,a three-degree-of-freedom motion is obtained.The inchworm movement can be realized by combiningthe motion with the operation of solenoid clamps.The X-Y-stage has properties of high resolution,large mo-tion range and compact structure.The flexure hingemechanism is the key part of the inchworm type of X-Y-micro stage.It is designed symmetrically so as toguide motion well.The selection of design parameters ofthe flexure hinge mechanism is described.And the per-formance of the stage is tested.The velocity is more than10m/s.The resolution is less than0.1m.Key words:piezoelectric elementflexure mecha-nismX-Y-micro stageResearch on the Modern Design and Measuring Methodfor Cylindrical Gear Reductor LIN Chao(ChongqingUniversity,Chongqing,China)LI Runfang GAO Xi-aodong LIN Tengjiao p 266-268Abstract:In order to provide useful tool for new typeof reductor development a modern design procedure forcylindrical gear reductor is discussed and the engineeringdata base is built including design optimization family,fi-nite element analysis family,CAD family and solid model-ing family etc.in this paper.Apart from these families,the measuringmethod for cylindrical reductor is de-scribed.This research is of important value for improvingthe transmission quality and load capacity as well as re-ducing vibration and noise.It is also helpful for increasingthe life period of reductor.Key words:modern designgearreductormeasurementHigh Frequency Electric Spindle with High Power andStatic Pressure Air BearingCHEN Shiyu(GuangzhouLesin high speed grinder co.ltd.,Guangzhou,China)p268-269Abstract:The series of static pressure air bearinghigh frequency electric spindle is one of the hi-tech prod-ucts in the 21st century.This product replaces ball bear-ings which are used in traditional high-speed grindingtools with air bearing.There are 2 features in its design:first,the all round bearing structure adopted by air bear-ing improving the load capacity and stiffness of the bear-ing greatly;second,compared with the same frequencyproducts at home,the power of alterable frequency elec-trical motor is much higher,which meets to the require-ments from high-efficiency grinding processes.Key words:aerostatic bearing electric spindleStudy on Energy Recovery Method in Automobile Systemof Hydrostatic Transmission with SecondaryRegulation JIAN G Jihai(Harbin Institute of Technology,Harbin,China)ZHAO ChuntaoM ENG Zhaosheng p270-272Abstract:The paper analyzes the elements,which in-fluence on the energy recovery efficiency in automobilesystem of hydrostatic transmission with secondary regula-tion in detail.On the basis of this,three kinds of energyrecovery control methods are brought up here,they aretorque control system,power control system and speedcontrol system.Then their mathematical models are es-tablished.Based on the simulation results of these mod-els,their characteristics are discussed and their energy re-covery efficiency is analyzed.Key words:automobile drive hydrostatic trans-mission secondary regulation energy recoverytechniqueResearch&Application of the Screwy Type Blast Wheel JIANG Qinghe(Shandong University,Jinan,China)ZHAO Pengcheng p273-275abstract:This article presents a new screwy typeblast wheel.As shown in experiments,the energy ex-hausted in the impeller is about one third of the total en-ergy,it is easy to conclude that the inherent structure ofimpellers in the centrifugal blast wheels has confined thefurther improvement of its shot blast capacity.Thescrewy impeller provides a new way to decrease the ener-gy exhausted in it to one tenth of the total,it also elimi-nates the“shot block”phenomenon that often occurs inthe centrifugal blast wheels.As a results,the shot blastefficiency is increased 35 45%and the shot blast capaci-ty is doubled.Besides,because of the special structure ofthe screwy impeller,the service life of the screwy im-peller is five times longer than that of the centrifugal im-peller made of the same material.It is concluded that thisis a new type of blast wheel with large shot blast capaci-ty,high efficiency and long service life.Key words:shot blast machine screwy impeller research&applicationHydrostatic Transmission of QFY Series Aircraft TowTractors W ANG Yi(Poclain Hydraulics IndustrieSAS,Beijing,China)p276-279Abstract:The task characteristics of aircraft towtractor determine that it should have wide selection instepless speed regulations,the permissible mass-ratio oftowed aircraft to tractor should be as high as possible andthe minimum stable driving speed should be as low aspossible.Furthermore,the working environment raisessome special requirements on the form of the tractor.Hy-drostatic transmission has lots of advantages:such as,good performance in speed regulation,wide range of highperformance area,the stability under low speed condi-tion,high performance in power brake and overloadprotection,flexibility in the dispose of different parts andloose matching condition with power equipment and etc.According to the research and production of QFY seriesaircraft tractor,it has been proved that the hydrostatictransmission constituted by variable pump and motor con-forms to the function and layout requirement of aircrafttow tractor better than hydrodynamic transmission andthe cost is decreased.The advantages of hydrostatic trans-mission is especially outstanding in the field of towbarlessaircraft tow tractor.Key words:airport ground support equipmentaircraft tow tractor towbarless aircraft tow tractorhydrostatic transmissionThe Application of Group Technology in Engineering ofConstruction OptimizationEngineering ExperinenceCHIN A M ECHANICAL ENGIN EERING Vol.12,No.3,2001