摘 要：高精密二維平臺(tái)在生產(chǎn)加工中得到了廣泛的應(yīng)用，在平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵零部件如：支撐形式、驅(qū)動(dòng)方法、閉環(huán)檢測(cè)控制手段等是保證高精度的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)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(jī)；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(gè)進(jìn)程中，高精密的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)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(duì)納米級(jí)微進(jìn)給平臺(tái)提出了要求，如半導(dǎo)體器件；光學(xué)器件；微型機(jī)械的制造及特種材料加工等。尤其是在微型機(jī)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(xì)的運(yùn)動(dòng)，因此需要高性能的超精密定位平面工作臺(tái)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(dá)到亞微米級(jí)，因此在制造過程中對(duì)定位精度有著苛刻的限制。在微型機(jī)械領(lǐng)域要求對(duì)微小的零部件進(jìn)行裝配，就必須為其提供精密的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)， 微型機(jī)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(cè)、光纖對(duì)接等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

2平臺(tái)的搭建

2.1平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，支撐形式，驅(qū)動(dòng)連接方法以及構(gòu)件的尺寸和材料決定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而決定其所能達(dá)到的性能，是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。這里平臺(tái)的具體細(xì)節(jié)為：采用了大理石或花崗巖平臺(tái)作為零部件安裝支撐體，固定龍門式X/Y運(yùn)動(dòng)分離的結(jié)構(gòu)，永磁同步直線電動(dòng)機(jī)+導(dǎo)軌支撐的驅(qū)動(dòng)形式，高分辨率直線光柵尺，驅(qū)動(dòng)器+PMAC運(yùn)動(dòng)控制器。

機(jī)械系統(tǒng)屬于精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能的支撐體和執(zhí)行者，機(jī)械系統(tǒng)的精度和剛度是影響精密運(yùn)動(dòng)、定位的最重要的因素。精密機(jī)械零部件的制造水平是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要反映。精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵零部件包括直線電機(jī)，直線導(dǎo)軌和滑塊，直線光柵尺。這里從精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵件如直線電機(jī)、直線導(dǎo)軌、滑塊和直線光柵尺的使用特點(diǎn)和選型原則，對(duì)這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行選型

2.2直線電機(jī)

永磁同步直線電機(jī)（PMLSM）具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無反沖、低摩擦阻力，可執(zhí)行長(zhǎng)距離高速高精度定位等優(yōu)勢(shì)文獻(xiàn)。而U型無鐵芯直線同步電機(jī)更有無徑向吸力，并且齒槽效應(yīng)為零，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，重量輕可以實(shí)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(tái)都選用U型無鐵芯直線同步電機(jī)。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(jī)。

2.3直線導(dǎo)軌與滑塊

首先介紹直線滾動(dòng)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(dòng)件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端的防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。然后確認(rèn)直線導(dǎo)軌的精度。精度是個(gè)綜合概念，一般由滑塊基準(zhǔn)側(cè)面相對(duì)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(duì)高度誤差以及成對(duì)寬度誤差構(gòu)成。直線導(dǎo)軌精度可分為普通級(jí)（N），高級(jí)（H），精密級(jí)（P），超精密級(jí)（SP）與超高精密級(jí)（UP）五個(gè)等級(jí)。精密級(jí)（P級(jí)）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(dòng)調(diào)心能力，滑塊共軌設(shè)計(jì)，定位精度高等特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)讓它成為精密運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的核心零部件之一。對(duì)于多數(shù)產(chǎn)業(yè)機(jī)械，N級(jí)或H級(jí)精度可以滿足要求，數(shù)控機(jī)床等設(shè)備通常選擇P級(jí)精度，超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選擇SP和UP精度。

2.4直線光柵尺

高精度位置檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密定位的基礎(chǔ)，位置反饋精度直接決定精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度。目前用于精密定位系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置有：感應(yīng)同步器裝置、光柵尺裝置、磁尺位置檢測(cè)裝置、脈沖編碼器、激光干涉位置檢測(cè)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(xì)分技術(shù)的逐歩完善，光柵尺位置檢測(cè)裝置廣泛應(yīng)用于精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]總結(jié)了光柵尺傳感器的優(yōu)點(diǎn)：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(cè)量速度。指出了光柵尺系統(tǒng)與激光干涉測(cè)量?jī)x相比，具有光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整難度小的，價(jià)格相對(duì)較低，不需要透鏡組合卻能獲得很高的放大倍數(shù)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于雙光柵尺的高速高精度位移測(cè)量方法，探討了雙光柵尺信號(hào)的切換合成方法，并驗(yàn)證了該雙光柵尺系統(tǒng)在大于1m/s的移動(dòng)速度是具有10nm定位精度。采用CPLD器件EPM7128SLC84-10設(shè)計(jì)光柵尺信號(hào)處理電路，使用USB總線作為光柵尺傳感器信號(hào)處理電路與計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單的介紹了高精度二維平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)平臺(tái)時(shí)提供一些參考。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]鄭薈民.基于光柵微位移檢測(cè)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(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)：[碩士學(xué)位論文].天津：天津理工大學(xué)，2008

作者簡(jiǎn)介：

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