高精密二維平臺關鍵零部件選型

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

關鍵詞：直線電機；直線導軌與滑塊；光柵尺

1隨著科學技術的發(fā)展，人類在制造領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鍵技術。當前，在一些工程領域，已經對納米級微進給平臺提出了要求，如半導體器件；光學器件；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、掃描探測、光纖對接等領域都有廣泛的應用。

2平臺的搭建

2.1平臺結構

平臺結構形式，支撐形式，驅動連接方法以及構件的尺寸和材料決定平臺的運動學和動力學特性，進而決定其所能達到的性能，是平臺結構設計的核心內容。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運動分離的結構，永磁同步直線電動機+導軌支撐的驅動形式，高分辨率直線光柵尺，驅動器+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。精密運動平臺的關鍵零部件包括直線電機，直線導軌和滑塊，直線光柵尺。這里從精密運動平臺的關鍵件如直線電機、直線導軌、滑塊和直線光柵尺的使用特點和選型原則，對這些關鍵零部件進行選型

2.2直線電機

永磁同步直線電機（PMLSM）具有機械結構簡單，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直線導軌與滑塊

首先介紹直線滾動導軌的結構，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，當導軌與滑塊作相對運動時鋼球就沿著導軌上的經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、屑末進入滑塊內部。然后確認直線導軌的精度。精度是個綜合概念，一般由滑塊基準側面相對同側滑軌側面的行走直線誤差、組合高度誤差，滑軌側面至滑塊基準側面寬度誤差、成對高度誤差以及成對寬度誤差構成。直線導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）的直線導軌行走平行度都在2μm以上。高精度直線導軌具有高剛性、高載荷，行走順暢度佳，載荷均勾，高速低噪音，具自動調心能力，滑塊共軌設計，定位精度高等特點。這些優(yōu)點讓它成為精密運動領域的核心零部件之一。對于多數(shù)產業(yè)機械，N級或H級精度可以滿足要求，數(shù)控機床等設備通常選擇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是實現(xiàn)精密定位的基礎，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)，光柵刻制技術和電子技術的迅速發(fā)展，細分技術的逐歩完善，光柵尺位置檢測裝置廣泛應用于精密運動平臺系統(tǒng)。文獻[2]總結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，具有光路結構簡單，調整難度小的，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.結束語

這里簡單的介紹了高精度二維平臺在設計時應注意哪些關鍵零部件，這些零部件的選擇原則及方法。為設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：[碩士學位論文].哈爾濱：黑龍江大學，2010

[3]張健.髙精度平面定位與控制技術的研究：[碩士學位論文].南京：東南大學，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計與實現(xiàn)：[碩士學位論文].天津：天津理工大學，2008

作者簡介：

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