摘 要:微器件装配技术是实现组合结构的微机械电子学系统(MEMS)的关键技术之一,精密工作台系统则是微装配系统的一个重要组成部分。精密工作台系统包括粗动工作台和微动工作台:粗动工作台包括精密机械及其传动系统、光栅定位系统、直流力矩电机驱动系统及计算机控制系统;微动工作台包括微动台、压电陶瓷驱动电源和电感测微移。实验结果表明,粗动台系统的最高速度为5mm/s,最低速度为3.4μm/s,系统的重复定位精度为±1μm;微动台系统的定位精度可达到±1μm。
1 引 言
微器件装配技术是实现组合结构的微机械电子学系统(MEMS)的关键技术之一,精密工作台系统则是微装配系统的一个重要组成部分。精密工作台是高精度精密仪器的核心,它的精度的优劣直接影响整机的精度。当今精密仪器中的精密工作台正向着高速度和高精度方向发展。目前,精密工作台的运动速度一般在20~50mm/s,最高的可达到100mm/s以上,其精度要求为0·1μm以下。由于高速度带来的惯性很大,一般运动精度要求比较低,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,如图1所示。粗动工作台完成高速度大行程,微动工作台实现其精度要求,也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿。
2 精密工作台的设计
2.1 粗动工作台的设计[1]
粗动工作台的机械系统示意图如图2所示。工作台的主体是由两层互相垂直的V型导轨组成的。导轨分别固定在机身、中滑板2和上滑板3上,均采用滚珠支承,并由两套力矩电机通过传动系统驱动。在中滑板上分别装有光栅副4和14,用它们来测量工作台的精确位置。在工作台15上可放微动工作台。力矩电机7通过齿轮副6、丝杠螺母副5推动中滑板做X方向的运动。力矩电机8通过齿轮副9、拉杆箱10、齿轮副11、齿轮副12及丝杠螺母副13带动上滑板3做Y方向的运动。中滑板做X方向运动时,中滑板的位置是任意的,由于采用了拉杆箱结构,保证了中滑板在何位置均可把运动传递到上滑板上。
驱动工作台的电机采用的是力矩电机———测速机组,它可根据工作需要控制力矩电机的转速。工作台运动时,力矩电机做高速运动,使工作台迅速向需要的位置接近。当工作台的运动位移接近给定位移值时,力矩电机从高速自动转换成中速,然后再转换成低速,使工作台平稳而又准确地停在所需要的位置上,因而减少了过冲量,提高了定位精度。
2.2 微动工作台的设计[1]
微动工作台系统是微器件装配系统的重要组成部分,是微机械构件的承载体。在装配过程中,微动工作台与粗动工作台配合使用,以实现装配器件沿平面X-Y方向上的运动自由度和沿垂直于平面Z方向上的运动自由度。作者提出了一种新型的柔性铰链微定位结构,当压电陶瓷输出位移值时,所有的柔性铰链都会产生一定的偏转角。由于结构是对称的,所以会有效消除位移的交叉耦合;又由于结构在垂直于平面方向上的自由度未加限制,所以系统的柔度很大,位移量可以达到满意的输出[2~5]。微动台在三个方向上采用的都是新型结构。在X-Y平面上的微动台原理图如图3所示,在Z方向上的微动工作台的原理图如图4所示。
3 精密工作台的实验测试与结果分析
3.1 粗动工作台的实验测试
X_Y工作台系统由精密工作台、光栅定位系统、PC接口板、计算机、D/A板、直流力矩电机驱动电源及力矩电机等组成闭环控制系统,其控制框图如图5所示。
力矩电机选用四川成都电机厂生产的90LY_C01型永磁直流力矩电机———测速发电机组,力矩电机的电源采用脉宽调制(PWM)的驱动方式,D/A板选用的是祥云计算机通用设备公司研制的D/A和A/D板,只用了D/A的功能。莫尔条纹读数系统的作用是将光栅的位移转换成近似正弦的莫尔条纹的光电信号,经电路处理后用于精密机械运动的定位或测量。莫尔条纹读数系统包括直读式、分光式、镜像式、调相式等,本系统采用直读透射式莫尔条纹读数系统,如图6所示。
工作台沿X-Y方向运动的测量是通过两套光栅定位测量系统来实现的。在X-Y方向上,工作台的速度特性实验各分为四组。
(1)X方向
第一组:速度设定向左高速,位移与时间的关系曲线如图7所示。
第二组:速度设定向右高速,位移与时间的关系曲线如图8所示。
第三组:速度设定向左低速,位移与时间的关系曲线如图9所示。
第四组:速度设定向右低速,位移与时间的关系曲线如图10所示。
(2)Y方向
第一组:速度设定向上高速,位移与时间的关系曲线如图11所示。
第二组:速度设定向下高速,位移与时间的关系曲线如图12所示。
第三组:速度设定向上低速,位移与时间的关系曲线如图13所示。
第四组:速度设定向下低速,位移与时间的关系曲线如图14所示。
通过对以上的实验及特性曲线进行分析可知,电机最高速度达到了5mm/s,已超过直流力矩测速机组所允许的最高速度3mm/s。在实际工作中,工作台的移动速度只能是3mm/s,以免工作台的速度过高损坏机组;它在低速范围内具有很好的稳定性,最低稳定速度达到了3.4μm/s。
3.2 微动工作台的实验测试
对三维微动台进行了静态特性测试,采用哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司生产的压电陶瓷驱动电源进行驱动,电感测微仪测量微动台的位移量大小,实验测试结果如图15、图16和图17所示。
微动工作台采用压电陶瓷驱动,具有无摩擦、结构紧凑、刚度好和分辨率高等优点。由以上特性实验可知,该微动台可以达到0.2μm的测量分辨率和1μm的定位精度。将这种微动台和大行程的粗动台结合起来,可以同时满足大量程、高精度的定位要求。
参考文献:
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基金项目:973国家重大基础研究资助项目(2003CB716201)
作者简介:巩娟(1979_),女,河北省邯郸市人,清华大学精密仪器与机械学系硕士研究生,主要从事微装配系统的研究。
E-mail:gong_j02@mails、tsinghua、edu、cn
