精密机械微位移机构设计理论及典型

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精密机械微位移机构设计理论及典型

微位移机构
微量位移机构——精密机械与仪器的关键技术
现代高精度工业制造达到纳米（nm）级水平，微位移技术已成为制约整个设备（整体）最高性能的瓶颈。理论基础微电子技术微系统及超精密加工激光通讯技术及装备精密光学
26/02
§8.1 低速微动的平稳性 1. 爬行现象及过程
（1）精密机械系统运行参数
●微小型化的尺寸效应 ●微结构设计数据库 ●有限元和边界分析 ●CAD/CAM仿真和模拟技术
●微系统建模
如：力的尺寸效应、微结构表面效应、
微观摩擦机理、热传导、误差效应、微构件材料性能等
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4. 影响爬行的因素及消除措施
（1）影响爬行的因素
1）摩擦系数变化 ●静止状态下静摩擦系数变化； ●边界摩擦状态的静、动摩擦之差； ●运动状态动摩擦变化；
力作用产生应变而产生电极化的现象。
逆压电效应：
在外电场作用下，压电陶瓷发生应变。
●电极化的大小→应力成正比 ●电极化的方向→应力的方向
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电致伸缩效应：
外界电场作用下，由感应极化作用引起应变的现象，应变与方向无关。
（1）微位移机构工作原理
利用外电场作用导致的压电陶瓷零件变形量，驱动相应进给机构实现微量进给。
●毫米级小行程 ●微米和纳微米级灵敏度和精度。常用微位移机构分机械式和机电式两大类，由微位移器和精密导轨两部分组成。
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各类加工装备
精密多功能车铣床
立式镗床进刀机构精度等级： 0.001mm
精密数控冲床工作台
精密机械制造领域：
工作台两轴进刀单轴重荷载精密伺服电机驱动系统电火花加工进刀机构
固定端

微位移技术

微位移技术第一章概论第二章微位移机构第三章柔性铰链第一章概论作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。

例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5u m。

计算机外围设备容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。

特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。

256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。

生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。

随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。

由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。

例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小围的光学对准，都离不开微位移技术。

因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。

1.1国外现状及发展趋势美国LLN以美国知名核聚变实验室)研制的加工大口径光学元件的金刚石车床(LODTM)是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT(错钦酸铅压电瓷)，能在士1.27um围分辨力达到2.5nm，频率响应可达到IOOHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士0.05um，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为0.01um，行程为20um[4]。

精密机械课程设计报告-微动螺旋机构设计

精密机械课程设计报告微动螺旋机构设计车刀进给机构是车床中的重要机构，刀具进给的精度决定了工件的精度。

本文设计的是一个提高车床车刀进给精度的装置。

该装置采用的是螺旋差动微动原理，实现车刀进给量的微米级精确控制，比普通的车刀进给装置精度上有了大幅的提升。

该装置的示数原理与螺旋测微器相似，是通过长刻度筒和圆刻度筒确定车刀当前位置。

然后论述了该装置的加工工艺并分析了影响该装置精度的一些因素。

关键词：车刀；进给量；精度；螺旋微动1 绪论 (1)2 方案论证 (2)3 结构设计 (3)3.1整体结构设计 (3)3.2微动装置设计 (3)3.3示数装置设计 (5)3.4导轨设计 (6)3.4.1 结构设计 (6)3.4.2工艺设计 (7)4误差分析 (9)5 总结体会 (10)参考文献 (11)1 绪论车削加工可以实现工件的外表面、端面、内表面以及内外螺纹的加工，不仅是切削加工中应用最广泛的形式，并且在整个机加工中占据着重要位置。

车削加工过程由主运动和进给运动两种运动形式构成。

主运动是指车床主轴的回转运动，是切削力的主要来源；进给运动指的是刀具的移动，包括沿工件轴向的进给运动、沿工件径向的进给运动和斜向运动，刀具的运动决定了工件的外形轮廓，当然也决定了工件的加工精度。

传统刀架是通过螺纹杆的转动利用螺旋副直接实现前进或回退的。

由于人手灵敏度的限制，刀具进给最小刻度一般不小于0.02mm，不可能实现微米级的精确进给控制，无法实现精确的尺寸控制。

目前解决这一问题的方法主要是靠数控加工，或使用精密车床，但数控车床或者精密车床成本都很高，因此只适用于批量加工。

针对这一缺陷，本文介绍了一种新的刀具进给控制机构。

这种机构采用的是差动螺旋微动机构的原理，用机械的方式提高了加工精度。

经过这种改造，普通车床也能实现较高精度要求零件的加工，可以为小批量生产节约生产成本。

12 方案论证方案一：减小螺纹螺距螺距就是螺杆旋转一周时所前进的距离（单线螺纹），减小螺距必然可以实现更高精度的进给量控制。

微位移机构

℃[℃
5、压电元件和电致伸缩式微位移优点：结构紧凑、体积小、分辨力高、控制简单等优点，同时没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。电致伸缩效应：电介质在电场的作用下由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为电致伸缩效应。压电效应：压电效应是指电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。
电容式位移传感器原理：当恒定的交流电加在传感器电容上，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比。特点：无磨损、免维修、高的零点稳定性和精度、几乎与温度无关、传分辨率极高，可达0.1nm，但行程较小、输出特性为非线性且其价格较昂贵。
激光干涉仪原理：光的干涉原理特点：测量精度高、分辨率高，可测出 0.1nm以下的长度变化。但机构庞大、价格昂贵。
鱼博马万里祁晓敏武俊峰精品资料一微位移技术介绍1微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键技术2微位移技术包括微微位移机构检测装置和控制系统微位移技术微位移机构检测装置控制系统精品资料微位移机构
广义机构 ——微位移机构
组员：鱼博、马万里、祁晓敏、武俊峰 PPT Design By 武俊峰
一、微位移技术介绍
4 F 的作用时簧片发生变形，使工作台在水平方向上产生微小位移。由于弹性导轨仅利用受力后的弹性变形来实现微位移，故仅存在弹性材料内部分子之间的内摩擦而且没有间隙，因此可以达到极高的分辨率但其行程较小。
四、检测装置
检测系统的精度占仪器总精度的1/3~1/10常用检测仪器，包括电感式位移传感器、电容式位移传感器、激光干涉仪、光纤位移传感器等。电感式位移传感器原理：利用线圈自感或互感的变化来实现位移测量。但是存在线圈阻挠。境要求不高，分辨率可达0.01um，稳定性好。

精密机械微动装置课设说明书

前言微动装置一般用于精确、微量地调节某一部件的相对位置，它们常常是构成精密机械和仪器的不可缺少的部分或重要的部件。

常见的微动装置的结构形式有螺旋---微动、螺旋---斜面微动、螺旋---杠杆微动、螺旋---齿轮微动、弹性微动等。

如：显微镜中，调节物体相对物镜的距离，使物象在视场中清晰，便于观察；在仪器的读数系统中，调整刻度尺的零位，如在万能测长仪中，用摩擦微动装置调整刻度尺的零位；还可用于仪器工作台的微调，如万能工具显微镜中工作台的微调装置。

微动装置性能的好坏，在一定程度上影响精密机械的精度和操作性能。

因此，对微动装置的基本要求是：（1）应有足够的灵敏度，使微动装置的最小位移量能满足精密机械的使用要求。

（2）传动灵活、平稳，无空回产生。

（3）工作可靠，调整好的位置应保持稳定。

（4）若微动装置包括在仪器的读数系统中，则要求微动手轮的转动角度与直线微动（或角度微动）的位移量成正比。

（5）微动手轮应布置得当，操作方便。

（6）要有良好的工艺性，并经久耐用。

目录1总体方案 (1)1.1微动装置结构分析 (1)1.2螺旋微动装置的用途 (2)1.3螺旋微动的工作原理 (2)2结构设计 (3)2.1螺杆的设计 (3)2.2紧定螺钉的选用 (3)2.3螺母的设计 (3)2.4刻度套筒的设计 (4)2.5手轮的设计 (5)2.6螺钉的选用 (5)2.7减速杠杆的设计 (6)2.8 弹簧的选择 (6)3主要零件--螺杆的工艺 (6)3.1零件工艺分析 (6)3.2工艺流程 (7)4总结 (8)参考文献 (9)螺旋杠杆微动装置设计1总体方案1.1微动装置结构分析图1.1如图1.1所示，这次设计的是一个螺旋-杠杆微动装置。

图中，左侧是一个螺旋微动装置，下方是一个杠杆，右侧是工作台。

旋动左侧的螺旋微动装置，推进螺杆，使杠杆向左倾斜，从而提升右边的工作台；当左侧的螺旋微动装置往回旋转，螺杆向上缩回时，右侧的平台受弹簧的施力作用而向下移动。

第五章微位移机构及设计li（ＰＤＦ）

l
E E=U
b
（3）提高压电陶瓷行程、增大变形量的措施：
d = Δl b lU
Δl = l Ud b
①增大 l，提高U；
②减小b；
③选用d大的材料；
④利用极化方向的变形来驱动，通常d33=(2~3)d31
⑤采用压电堆，提高变形量。当 b = l 时： Δl = Ud
选取较小厚度且相同的n块，则： ΔL = n ⋅ Δl （图）
3、滚动导轨—压电器件驱动：
高分辨率，大行程
4、平行片簧导轨—步进电机驱动机械式微小位移机构驱动：
（1）弹性位移缩小机构：
F
=
KAKB KA + KB
xi
x
=
F KA
=
KB KA + KB
xi
（2）杠杆式位移缩小机构：
（3）楔块式位移缩小机构：
x0 = xi tanθ
5、平行片簧导轨—电磁位移驱动：
导轨微位移器
机械式机电式
控制系统
（2）应用
①精度补偿 ②微进给 ③微调整
二、常用的微位移机构：
1、柔性支承—压电器件驱动：
柔性支承：无间隙、无摩擦、不发热压电器件：精度高、无噪声、不受温
度电磁场影响实现0.1～0.001微米
2、平行片簧导轨—压电器件驱动：
分辨率0.01微米，方法简便，精度高
第五节微位移机构及设计
一、微位移技术概述：
1、微位移技术：与微小位移相关的技术
（1）金刚石车刀车削大型望远镜抛物面的反射镜，几何形状误差 <0.05微米；
（2）磁头与磁盘间隙，1微米；（3）256K动态RAM，线宽1.25微米， 0.1微米。

微位移技术

图! 二维微位移机构原理图
与压电驱动相比，电致伸缩驱动具有 %）滞后小，瞬时 !）稳定性好，位移重复性好， "）热膨胀系数很小等特点。 $）本研究以 12（ 34% 0 " 陶瓷制 52! 0 "） 6（简称 735） " 作电致伸缩驱动器，其应变（ ! ）# 场强（ "）特性如图 " 所示，从曲线可见，增程（场图 " 铌镁酸铅陶瓷应变强增加）与回程（场强减少）（ !）（ "）特性 # 场强不重合，但滞后量较小仅 8 ( 场强减小至零后，无残余应变；在 %&&&+ 0 ’’ 电场 ,* ；驱动下，其应变 ! . % ( &* - %& # " ，由式（ "）可得电致伸 #9 缩系数 & . % ( &* - %& （无压电效应，故 ) . &）。叠层驱动器是将电极与电致伸缩陶瓷烧结为一整体如图 $: 所示，每层既为一平板电容器，图 $2 是驱动器等效电路，故驱动器的总电容 + ! 为： 0 - !& !/0・ !/ .!& （$） . ! ! .! （ ;）；式中： , 为层数， + 为一层的电容 . 为极板间距 ! （’）； ! 为驱动器工作中的最大应变为 % ( &* - %& # " ； 0 + ! . ,・+ . !! . 为极板面积； - 为驱动器行程； !/ . %8%&& 为材料的介 # %! ! ! ・为真空介电常电常数， ’（ 0 =4 ’"） !& . , ( ,* - %& < ・数。平板电容器内部场强 " 与极板上的驱动电压 1 的关系为 1 . ". ，根据式（"），可得： ! . &"! . & 则， 1. 1! .! （*）

三维精密位移系统的设计

三维精密位移系统的设计王生怀;陈育荣;王淑珍;谢铁邦【摘要】为满足精密位移的需要,研究开发了一种大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统.采用模块化结构设计,即3个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构,分别称为X、Y、Z向一维工作台.位移系统在X、Y、Z 3个方向采用粗、精两级驱动,并分别装有计量光栅.各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行,精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行,每个方向的两级驱动共用一套计量光栅,从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型.介绍了位移系统的结构设计,分析了位移系统的位移分辨率、计量原理以及它的运动性能.实验表明,在40 mm位移行程内,X、Y和Z向工作台两级驱动实际位移与设定位移之差分别不超过±0.030、±0.028和±0.033 μm,验证了位移系统设计的有效性,为位移系统的设计提供了依据.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)001【总页数】8页(P175-182)【关键词】三维精密位移系统;结构设计;粗、精两级驱动【作者】王生怀;陈育荣;王淑珍;谢铁邦【作者单位】华中科技大学,机械学院,仪器系,湖北,武汉,430074;湖北汽车工业学院,机械系,湖北,十堰,442002;湖北汽车工业学院,机械系,湖北,十堰,442002;华中科技大学,机械学院,仪器系,湖北,武汉,430074;华中科技大学,机械学院,仪器系,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TH703.81 引言现代科学技术正迅速向微小、超精密领域发展,微纳米技术的兴起,引发了制造、信息、材料、生物、医疗和国防等领域的革命性变化,对社会和人类生活质量产生了巨大影响。

许多领域越来越迫切地需要微型系统或微动系统,如生物细胞、聚合物的各种操作,微外科手术,扫描探针显微镜SPM,光纤对接和微细加工等,因此,精密位移技术已成为前沿科学和工程技术领域的关键技术之一[1-5]。

一维精密微位移机构的设计【文献综述】

毕业设计开题报告机械设计制造及其自动化一维精密微位移机构的设计1前言部分（阐明课题的研究背景和意义）微位移机构通常指机构工作时所产生的工作位移小于毫米级的机构，其核心是微位移器，通常根据产生微位移的原理将其分为机械式和机电式。

微位移机构（或称微动工作台）由微位移驱动器和导轨两部分组成。

根据导轨形式和驱动方式可分成五类：柔性支承、压电或电致伸缩微位器驱动；滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；滑动导轨，机械式驱动；平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移驱动器驱动；气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动[1]。

高精度微动工作台系统是现代许多学科和高科技赖以发展的基础，是精密微驱动技术中一项重要内容，在现代航空航天、光纤对接、扫描隧道显微镜（STM）、机器人、细胞操作、集成电路制造等得到了广泛的应用[2]。

精密工作台是集精密位置检测技术、驱动技术、直线导向技术、控制技术等多项技术为一体的有机综合体[3]。

作为21世纪机密机械与精密技术的关键技术之一——微位移技术,近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。

广泛应用于宇航、机械、微电子领域，它的发展是其它尖端技术的基础,美国、日本、英国等国家均将它列入国家发展计划进行重点研究。

由于宇航和航空等技术的发展的需要,对实现小范围内偏转的支承,不仅提出了高分辨的要求,而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

20世纪60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无间隙的柔性铰链[4]。

在微位移技术中,柔性铰链是实现微位移和高分辨率的理想机构。

随着柔性铰链的研究发展，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速度计、精密天平等仪器仪表中,并获得了前所未有的高精度和稳定性[5]。

如日本工业技术院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3分的角度范围内，达到了1000万分之一度的稳定分辨率。

精密机械总体方案设计

单考虑输出功率，方案3最好。
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2）数值越小越好的指标（如成本、耗油等） Minqij 标准分值计算公式： dij qij dij——第j个方案的第i项指标标准分值 qij——第j个方案的第i个指标值
例：三种方案成本分别为20、25、30（万元）试作无量纲处理（属数值越小越好）
●方案1标准分值： d12=min（20；25；30）/20=1.00 ●方案2标准分值：d22=20/25=0.80 ●方案3标准分值：d32=20/30=0.67
现代社会物资丰富已达到一定水平，精神文明称为发展的最重要因素之一，社会效益的价值比例逐渐上升，已占有较大的比例。
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2.设计方案评价的方法
综合技术经济社会三方面因素，对总体设计方案客观、合理评价十分重要。
目前常用的评价方法： ●哥顿法 ●检查提问法 ●形态分析法 ●评分法
评分法：评价设计方案的重要方法。以评价者的分析、计算、判断等为依据，采用打分或其他记分的方法，对方案进行累计。
例：三个设计方案的输出功率分别为100、120、 125kw，试作无量纲处理。输出功率属于数值越大越好的指标。 qij dij Maxqij ●方案1标准分值：
d11=100/max（100；120；125）=0.80
●方案2标准分值：d12=120/125=0.96
●方案3标准分值：d13=125/125=1.00
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（1）工作可靠性
确保加工质量和设备运行稳定性（性能）；符合期望的生产效率。现代机电产品（线）组成的内容及其复杂性，研究与控制的对象包括：专用结构、配套结构、通用部件、标准件等。（2）精度控制在使用寿命时间内，保证使用性能。控制对象：所有机电加工件、配套件评价指标：几何精度、传动精度、动态精度

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●毫米级小行程 ●微米和纳微米级灵敏度和精度。常用微位移机构分机械式和机电式两大类，由微位移器和精密导轨两部分组成。
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各类加工装备
精密多功能车铣床
立式镗床进刀机构精度等级： 0.001mm
精密数控冲床工作台
精密机械制造领域：
工作台两轴进刀单轴重荷载精密伺服电机驱动系统电火花加工进刀机构
原理图

360
装配图
26/17
2. 热膨胀微位移机构
原理：利用系统温度差异造成热胀冷缩的实现
微量进给。热膨胀元件长度为L的微位移量： l al L(t t0 )
热敏元件
热敏元件
条件：精准的温度控制系统
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3. 磁致伸缩微位移机构
原理：磁敏（磁致伸缩）材料在磁场中，其长
度随磁场强度的变化而变化，变化量和材料本身长度成正比，即： l L 合理选用不同长度的磁致伸缩材料棒，改变线圈电流强度，可获精确微小位移。
26/06
3. 机械爬行对精密机械的危害（1）影响加工精度加工进给不均匀，造成已加工面表面刀痕不均匀，影响尺寸精度、表面质量。（2）影响定位精度相同驱动条件下，系统重复定位精度出现随机变化。（3）损坏构件、刀具（4）增大机械故障概率
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爬行研究相关理论与技术：
●微小型理论基础
26/10
2）减轻（稳定）摩擦力
关键问题：减少和稳定运动过程摩擦力 ●结构措施：
运动副材料、滚动摩擦及流体静压(空气、液压)摩擦；合理设计卸荷装置。
●工艺措施：
导轨的制造与装配质量；合理选择润滑方式；正确的使用和维护。
26/11
§8.2
微位移机构的主要类型
组成：微位移机构、检测装置、控制系统核心问题：微位移机构设计
●低速进给运动(0.05-1.00mm/min) ●实现微小位移(0.1-2.0μ m)
（2）爬行现象
进给系统中在主动件匀速驱动的条件下，从动部分运动速度呈现明显的不均匀。
26/03
（3）产生爬行的原因
实际上低速、微位移条件下的滑动摩擦极其复杂，爬行是一种摩擦自激振动现象。
●相对运动摩擦系数变化 ●驱动机构的刚度不足
2）运动件的质量较大时的惯性问题； 3）中间驱动机构刚度不足； 4）环境条件不变时，从动件速度存在产生爬行的下限值。
26/09
（2）消除（减轻）爬行的措施
1）提高进给传动系统的刚度
●结构改进：
合理布置承力构件、缩小支承跨度、减小传动间隙、缩短传动链、缩短丝杆长度等。
●尺寸优化：
关键承力构件尺寸；尽量减小运动件质量提高刚度；加粗丝杠直径等
F0
匀速驱动

F′ F
26/05
非匀速运动
运动微分方程：
（2）运动、动力分析
m x c （ 1 x v) k ( x vt ) F

微分方程中：
主、从动件速度差 —— x v 主、从动件相对位移 ——

x vt
驱动无爬行现象的条件：讨论：
该方程右端分子为应满足： x v 0 ； x vt 0 摩擦力，不可能为零；令此时位移为xm，唯有增加分母的系统刚 Fm 度k，能减轻爬行。则有： xm vt k
常用磁致伸缩材料有：
●纯镍 ●铁镍合金 ●铁钴镍合金 ●铁钴合金
26/19
进给方向
进给过程原理图
结构：具体结构与温敏、电致伸缩等机构相同。条件：
放松端
紧固端
●材料属性
●电源控制 ●结构刚性
26/20
4.
压电陶瓷微位移机构
压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3、PZT）压电效应：压电陶瓷在一定条件下受机械应
总进给量S为逆压电效用与电致伸缩效应两者产生的变形量之和：
S dE ME 2
26/22
S——位移（m） E——电场（V/m） d——压电系数 M——电致伸缩系数
（2）应用概况及范围
压电陶瓷微位移机构时间不长，精度可达亚微米级。具有微位移精度高、灵敏度高、响应快、易自动控制、抗强磁场强辐射等优点。
F0
匀速驱动
F′
F
非匀速运动
驱动机构物理模型
26/04
2. 相关理论
（1）物理模型运动微分方程
主动件开始驱动进给机构时为初始时间，令t=0；此时弹簧处于自由状态，经过时间t 后，从动件有位移x，则运动方程式为微分方程，有如下关系：
m x c （ 1 x v) k ( x vt ) F
力作用产生应变而产生电极化的现象。
逆压电效应：
在外电场作用下，压电陶瓷发生应变。
●电极化的大小→应力成正比 ●电极化的方向→应力的方向
26/21
电致伸缩效应：
外界电场作用下，由感应极化作用引起应变的现象，应变与方向无关。
（1）微位移机构工作原理
利用外电场作用导致的压电陶瓷零件变形量，驱动相应进给机构实现微量进给。
●微小型化的尺寸效应 ●微结构设计数据库 ●有限元和边界分析 ●CAD/CAM仿真和模拟技术
●微系统建模
如：力的尺寸效应、微结构表面效应、
微观摩擦机理、热传导、误差效应、微构件材料性能等
26/08
4. 影响爬行的因素及消除措施
（1）影响爬行的因素
1）摩擦系数变化 ●静止状态下静摩擦系数变化； ●边界摩擦状态的静、动摩擦之差； ●运动状态动摩擦变化；
实例1：螺旋微动机构
利用丝杆转角与轴向位移的比例关系达到微量进给目的。进给量： lmin t
360
26/1
典型结构：
微动手轮转角△ψ与最小进给量lmin。
l t 行程 min 360
26/16
实例2：差动螺旋微动机构
由螺距不等、螺旋旋向相同的两个螺旋副组成，丝杠驱动时，从动件螺母有运动叠加。从动螺母位移量： L (t1 t 2 )
微位移机构
微量位移机构——精密机械与仪器的关键技术
现代高精度工业制造达到纳米（nm）级水平，微位移技术已成为制约整个设备（整体）最高性能的瓶颈。理论基础微电子技术微系统及超精密加工激光通讯技术及装备精密光学
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§8.1 低速微动的平稳性 1. 爬行现象及过程
（1）精密机械系统运行参数
固定端
2）圆管式
圆柱形压电陶瓷零件，电场作用下轴向长度变化，量可驱动楔块，镗刀头进给量可小到10μ m。
镗刀
楔块
+
压电陶瓷
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思考题：
P28 滑动直线导轨设计的主要内容
●六项基本要求及评价参数 ●结构设计：导轨截面、导轨组合 ●材料及工艺 2.机座与机架结构设计
●机座类型：板、梁、柱经典结构和组合 ●机座材料：铸铁（钢）、花岗岩 ●机架类型：重载焊接结构、轻载焊接结构 ●及架材料：各类钢及铝合金型材
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第8 章
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精度等级： 0.005mm
微位移机构选择：
典型微位移机构包括：
●机械传动微位移机构 ●热膨胀微位移机构 ●磁致伸缩微位移机构 ●压电陶瓷微位移机构 ●弹性变形微位移机构
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1. 机械传动微位移机构机械传动微位移机构主要：丝杠螺母机构等
螺旋—斜面传动；螺旋—杠杆传动；齿轮—杠杆传动；蜗轮—凸轮传动；其他机构如：摩擦传动、弹性传动等。
应用范围：
光学仪器、微电子技术、精密加工设备、激光通讯、航天航空等领域。
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（3）目前使用的两类典型结构
1）叠片式
运动端铜片与压电陶瓷薄片间隔叠加，直流电源压电陶瓷正负极接线如图。铜片
驱动进给系统
+ -
改变电源电压，电场强度变化导致零件总长度变化，运动端获得精确位移。
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精密机械微位移机构设计理论及典型

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