超精密驱动机构比较

超精密驱动机构比较

Ξ

田,王建华,李平,徐萍

(西安工业学院机电工程系,陕西西安710032)

摘　要:　介绍了滚珠丝杠、静压丝杠、直线电机、摩擦驱动等超精密驱动机构,比较分析了各机构的优缺点及其在超精密加工领域中的应用前景.关键词:　超精密加工;定位精度;分辨率;驱动机构中图号:　TH132　　　文献标识码:　A　　　文章编号:　100025714(2002)0120062205

Thecomparisonofdrivingmechanismswithultraprecision

TIANJun2wei,WANDJian2hua,LIPing,XUPing

(DeptofMechEngr,Xi’anInstofTech,Xi’an710032,China)

Abstract:　Theapplicationandthedevelopmentofultraprecisionmachiningareintroducedbriefly.Drivingmechanismsbasedonball2screw,hydrostaticscrew,linearmotor,friction2drivingstructurearealsointroducedinthispaper.Theadvantagesanddisadvantagesofthesedrivingmechanismsandtheirapplicationprospectarediscussed.KeyWords:　ultraprecisionmachining;positionalprecision;distinguishrate;drivingmechanism

作为高新技术之一的超精密加工技术在现代科技领域中处于相当重要的地位,目前已广泛应用于国防工业、信息产业、民用产品等领域.20世纪60年代,美国对铝合金和无氧铜镜面切削用单刃金刚石车床的研制揭开了超精密加工机床研制的帷幕.1980年,美国研制成功M218AG三坐标控制非球面加工机床,用来加工核聚变用大型金属反射镜.该机床的问世标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟.1984年,美国LLNL实验室研制成功大型金刚石车床LODTM,是迄今为止精度最高的超精密加工机床.日本自1981年起开发多棱体反射镜加工机床、微细加工机床及磁盘端面车床,近年来则以非球面加工机床和短波长X射线反射镜面加工机床为主.德国、英国、荷兰等国也在超精密加工领域处于世界先进水平.我国从80年代初开始超精密加工技术的研究并取得了显著的成果.

影响超精密加工机床加工精度的因素很多,其中超精密伺服驱动系统的性能是最关键的因素之一,本文对常用的超精密驱动机构作以简介并对其优缺点进行比较.

Ξ收稿日期:2001210208

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作者简介:田(1973-),男(汉族),西安工业学院助教,在职硕士研究生.

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1　常用的超精密驱动机构

1.1　滚珠丝杠机构

滚珠丝杠驱动是传统的精密驱动方式,也是超精密加工机床最常用的驱动方式,一般超精密加工机床选用C0级精密滚珠丝杠,在闭环控制下,这种驱动机构可达到0.01μm的定

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位精度.哈尔滨工业大学研制的HCM2I型超精密加工机床驱动系统就采用了这种机构.该机床在严格保证伺服电机与丝杠、丝杠与螺母和底座与溜板的联结装配的基础上,加大溜板的气浮面积,提高其气浮刚度,从而减小丝杠的误差对溜板运动精度的影响,并且,丝杠螺母与溜板采用浮动联结结构,减小了溜板起伏所造成滚珠丝杆受压波动而引起的丝杠瞬间或永久的变形,同时也避免了由于滚珠丝杠本身弯曲引起的因丝杠旋转而造成的溜板运动[4]

误差,从而实现了≤0.01μm的最小位移分辨率.1.2　静压丝杠机构静压丝杠是继滑动丝杠之后出现的一种驱动机构,常用的静压丝杠有空气静压丝杠和液体静压丝杠.目前空气静压丝杠分辨率可以达到0.01μm,进给精度比C0级丝杠高两个数量级,但其刚度较小,例如直径为25mm,导程为10mm的空气静压丝杠最大刚度为50MNΠm.由于油膜的刚度比气膜大,液体静压丝杠的定位精度和刚度都优于空气静压丝杠,其定

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位精度一般为0.03μm,可优于0.01μm.静压丝杠中,丝杠和螺母之间介质膜的厚度会影响机构的性能,针对这一问题,韩国机械和材料学院研制出了HydrostaticPlusHingetypeCoupling液体静压丝杠,该丝杠采用压电元件来反馈、补偿丝杠和螺母之间的间隙,从而改善其直线运动精度和动态性能.采用反馈控制系统驱动,使系统的直线度由2.5mmΠ200m提高到0.25mmΠ200m,角度偏差由1.5″Π200mm提高到0.4″Π200mm,系统最高分辨率可达

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25nm.1.3　直线电机

直线电机可以直接提供直线运动,无需中间转换环节,从而减少了因传动链而引入的误差.直线电机适合于高速和高精度驱动场合,一般情况下,高速滚珠丝杠可在40mΠmin和4.

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9mΠs的情况下工作,而直线电机的加速度可达49mΠs,速度和刚度可分别大于滚珠丝杠的30倍和7倍,Indramat公司称其直线电机定位精度为0.04μm,分辨率为0.01μm,速度可达200mΠs

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1.4　摩擦驱动机构

摩擦驱动是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成从动杆的直线运动,从而实现无间隙驱动.传统的摩擦驱动类似于齿轮齿条副驱动或齿轮啮合驱动.在摩擦驱动直线运动时,驱动系统的等效导程等于主动摩擦轮的周长,进给分辨率则取决于驱动电机回转一周的步进数.英国RankTailorHobson公司开发的Nanoform600超精密镜面加工机床的进给机构就采用了这种驱动方式,该机床在300mm行程上可获得1.25nm位移分辨率,±0.1μm的

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定位精度.在摩擦驱动旋转运动时,其传动比和主动轮、从动轮周长有关.西安工业学院机电工程系测量与控制技术研究所研制的CNC齿轮测量中心就成功运用这种驱动方式实现

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了主轴的精密回转运动.另一种较新的摩擦驱动方式为扭轮摩擦驱动,它是正交摩擦驱动和螺旋驱动相结合的产物,具有上述两种驱动系统的优点,能够很好地解决大行程和高分辨

[9][10]

率问题.这种驱动方式曾应用于柴油机上的转速遥控装置,扩散炉上的轴推拉机构,冰箱发泡线上的光轴螺旋驱动机构等对驱动机构的精度要不高的场合.在摩擦螺旋驱动出现初期人们认为其螺距精度不高,不能应用于精密和超精密驱动场合,直到意大利DEA公

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司的GAMA型三坐标机成功运用了这种摩擦螺旋驱动机构后,人们才改变了对它的看法.1993年日本的MizumotoHiroshi教授提出了具有纳米级定位分辨率的扭轮摩擦驱动,并成功的实现了50mm范围内10nm精度的定位.这种驱动机构适合切削力较小的超精密机床和精密测量平台.

[13]

除了上面几种超精密驱动装置外,还有基于磁浮丝杠的驱动机构,据报道,俄罗斯研制的电磁丝杠可达到以下技术指标:直径62mm,螺距和螺纹齿高4mm,丝扣宽1mm,间隙δ=0.1μm,承载能力和静刚度分别为700N,75MNΠm,和气浮平台联合使用时驱动装置的分辨率为0.01μm.[11]

[2]

2　各机构比较分析

上述几种超精密驱动系统都能达到超精密加工机床对驱动系统分辨率和定位精度的要求,但他们性能各有长短,因而使用领域也不尽相同.

滚珠丝杠是最早应用的驱动机构之一,从一开始就以其优良的定位精度,较高的位移分辨率,较高的动、静刚度受到工程技术人员的好评.现在,滚珠丝杠驱动机构被广泛应用于数控加工和精密测量等领域.随着加工工艺的发展,滚珠丝杠各项性能将会进一步提高,因此

[14]

它仍是超精密加工设备中首选的驱动机构.据报道,国防科技大学利用滚珠丝杠副超精密进给系统,在闭环控制下,对半径为50mm的圆进行跟踪试验时,跟踪定位精度达0.033

[15]

μm.利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理也可以实现纳米级分辨率的进给.滚珠丝杠的最大缺点是杠机构中丝杠和螺母之间的预紧力对系统的分辨率和静态、动态性能会产生影响.为解决这一问题,NationalChung2ChengUniversity机械工程系提出了利用压电陶瓷进行预紧和控制的滚珠丝杠驱动机构.这种滚珠丝杠驱动机构采用三组压电陶瓷对丝杠螺母副进行预紧和运动补偿,以实现系统的高速准确定位.机构的进给运动分为高速粗运动和低速精确运动,高速粗运动时,压电陶瓷给丝杠螺母副施以较小的预紧力,使丝杠螺母副摩擦较小,实现高速粗定位;低速精确运动时,压电陶瓷给丝杠螺母副施以较大的预紧力,以消除间隙,减小弹性变形对运动精度的影响,并通过压电陶瓷对其位移进行补偿,从而实现超精密

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定位.这种压电陶瓷预紧2控制的滚珠丝杠驱动系统补偿了原双螺母预紧中因预紧力和制造所造成的运动精度分散、定位精度和分辨率难以提高的缺点,但其制造工艺和反馈控制过于复杂.另外,滚珠丝杠的衰减性不好,易产生微小振动,对前期加工要求高,在进行非球面等轮廓曲线跟踪时,滚珠丝杠的精度及其在运动中的微小振动都会对系统的动态和静态特性产生影响.这些缺点使滚珠丝杠驱动机构在超精密加工领域的应用受到.随着制造工艺的发展和丝杠螺母结构的进一步优化,这些缺点将会逐步得到克服.

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静压丝杠利用高压介质使丝杠和螺母不直接接触,因而没有摩擦引起的爬行及反相间隙,而且可以长期保持精度.由于介质膜有均化作用,提高了进给精度,可以在较长的行程上达到纳米级定位分辨率.和滚珠丝杠相比,液体静压丝杠的精度和稳定性更好,衰减性小,因此在超精密加工领域颇受欢迎.韩国机械和材料学院提出的HydrostaticPlusHingetypeCoupling液体静压丝杠使液体静压丝杠的运动精度和动态性能得到进一步改善,但它的制造工艺复杂,成本高.目前静压丝杠更多的应用在大型超精密加工设备中.气体静压丝杠由于刚性小、易产生振动、对工作环境要求高等缺点,很少用在加工领域,而大多应用于测量领域.

直线电机的驱动系统结构紧凑,运动灵活,经济性也较为理想,但超精密驱动中多选用永磁式直线电机,具有磁场强、装配和拆卸不方便、易吸引铁屑和其他金属碎屑、发热现象严重、直接驱动易引入振动而使系统的稳定性和动态性能变差等不足.因此,直线电机目前主要应用于半导体行业,印刷线路板制造设备,激光加工水喷射切削等高速、轻载、小工作范围的设备上.

摩擦驱动机构已被成功的应用于超精密加工设备,英国Nanoform600超精密镜面加工机床,美国LODTM大型金刚石车床上都采用了这种驱动机构.螺旋摩擦驱动机构的提出第一次从理论上实现了驱动系统导程的无限小,使驱动系统从理论上可以达到任一运动分辨[17]

率,从这一点来讲,螺旋摩擦驱动系统更适合于超精密驱动.和前面几种超精密驱动机构相比,螺旋摩擦驱动有如下优点:螺旋摩擦驱动系统可以实现大行程、高分辨率的超精密驱动.理论分辨率可任意小使摩擦驱动系统容易满足超精密机床对分辨率的要求,其较高的刚度使它的行程可以更大;螺旋摩擦驱动不存在间隙和爬行,静、动刚度较高,静、动态性能更好,且不易产生振动;摩擦驱动机构螺母结构虽然较复杂,但制造并不困难,对加工要求相对较低,结构设计灵活;螺旋摩擦驱动机构无须其他附属设备,体积小,经济性好,适于用作大、中、小型超精密加工机床的驱动系统.当然,扭轮驱动机构也有不足之处,对导程而言,负载的波动会引起导程的波动,对刚性而言,扭轮与驱动轴之间的“弹性滑动”现象会使其刚性有所下降,这些不足之处可通过闭环控制和加大预紧力得以改善,如果从动力学和机构上对系

m.我国国防科技大学研制成功的扭轮摩擦驱动系统加以改进,其定位精度有望突破0.01μ

统导程小于0.2mm,有效行程300mm,采用分辨率为(1Π655360)r的驱动电机,系统的名义运动分辨率小于0.2nm,实测运动分辨率小于10nm,可以精确的进行50nm精度的定位运

[17]

动,螺母刚度可达30MNΠm.

尽管俄罗斯称其磁浮丝杆可以满足超精密加工的需要,这一类丝杠现在尚没有应用于超精密加工领域.

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3　发展方向

随着超精密加工技术的发展,超精密加工设备逐渐趋于小型化和通用化,其驱动系统也将更加紧凑.从这一点来看,滚珠丝杠驱动系统、直线电机和摩擦驱动系统发展前景看好.但滚珠丝杠本身诸多缺点使其应用受到一定的.直线电机应用于超精密加工领域的控制技术尚不完善,目前它更多的应用于民品行业.纵观上述各种驱动机构,其定位精度大致目标都是0.01μm,对这一加工精度的突破从某种意义上讲就是和微小弹性变形争夺精度,因

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此要突破这一目标首先要尽可能提高系统的名义分辨率.由于结构的,滚珠丝杠和直线电机的进给分辨率不可能无地减小,而扭轮摩擦驱动的导程从理论上讲可以任意小.从这一点来看,扭轮摩擦驱动更适合超精密驱动.

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