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微位移机构的现状及趋势 程颖 【 摘要】微位移机构是精密机械和精密仪器的关键部件之一。介绍了一些典型的微位移机构的结构、原理、特点和应用, 并对这些机构进行了比较。 关键词: 微位移机构; 扭轮摩擦传动; 直线电机; 弹性变形; 柔性铰链; 压电陶瓷 【 Abstract】The micro-motion mechanism is one of key components of precision machinery and precision instrument.Introduces structure,principle,characteristics and applications of some typical the micro-motion mechanisms.The comparison among these mechanisms are carried out. Keywords: Micro- motion mechanism; Torsion wheel friction transmission; Linear motor ; Elastic deformation; Flexible hinge; Piezoelectric ceramic 当前随着科学技术的迅速发展, 尤其是在微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展, 对精密机械和精密仪器的精度及灵敏度要求越来越高。例如, 在材料学科中, 科学家们为了探测材料表面的原子结构, 甚至将其原子结构做重新排列, 对于相应的操作精度要求达到了亚纳米级。[1] 1 机械传动式微位移机构 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。 1.1 螺旋式微位移机构 该微位移机构可以获得微小直线位移也可以获得大行程的位移, 并具有较高的分辨率, 其机构简单, 制作方便, 其原理如图 1 所示。转动手轮 1 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 s 与手轮转角φ关系为: s=±tφ/2π 其微动灵敏度为: Δs=tΔφ/2π 式中: t—螺旋的螺距; φ ,Δφ手动的转角。 因此, 若螺杆螺距 t 已定, 在螺杆与螺母配研和传动平稳时, 精确控制φ的大小即可得到微位移, 其精度可达 10μm。它广泛应用于测量机构及微调机构, 如千分尺和精密工作台的传动机构等。为了得到更高精度的微位移常采用如图 2 所示的差动螺旋式微位移机构。它是由练歌螺距不等(t1,t2)、旋向相同的螺旋副组成的, 转动螺杆 1, 使螺母 3 获得位移 s, 其关系为: s=(t1,t2)φ/2φ 由上式可见, 当 t1 与 t2 相接近时, 可获得较高微动灵敏度。 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 机械组合式微位移机构 螺旋—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。 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。蜗轮—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—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。[2] 此外, 还有齿轮—摩擦式微位移机构和螺旋—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。 2 扭轮摩擦和直线电机式微位移机构 2.1 扭轮摩擦传动式 该微位移机构是利用扭轮摩擦传动来实现微位移的机构。一般的扭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1( 见图 3) 与从动杆 2 的母线交角从直角减小到一很小的角度时, 此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。它可应用于许多超精密传动领域。 2.2 直线电机式微位移机构 该微位移机构是直接利用直线电机作为驱动元件产生微位移。直线电机的作用原理是以磁场与通电导体之间的相互作用为基础。 直线电机的 3 个基本组成部件是磁铁、线圈和磁场的软磁铁导轨。它