【文章內容簡介】 或控制得很??；具有增力作用，主動件上轉矩很小時，從動件能產生很大的軸向力。缺點是絲杠的安裝誤差、絲桿本身的彎曲、滾珠的跳動及制造上的誤差、螺母的預緊程度等都會給導軌運動精度帶來影響，位移分辨率較低，其運動剛度決定于設計參數(shù)。該類裝置的自動控制進給過程比較復雜，響應速度低，難以用于特別精密的微進給驅動。與傳統(tǒng)進給驅動相比，直線電機驅動具有以下優(yōu)點：省略了中間轉換機構，減少了機械磨損，系統(tǒng)運行時可以保持高增益，實現(xiàn)精確的進給前饋，對給定的加工路徑可以用高速進行準確跟蹤，從而保證了機床的高精度和使用壽命。運行時，直線電機不像旋轉電機那樣會受到離心力作用，因此其直線速度不受限制。直線驅動的慣性主要存在于滑臺，因此加工時可以有很高的加速度。直線電機靠電磁推力驅動，故系統(tǒng)噪聲很小，改善了工況環(huán)境。直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。如圖所示：直線電機示意圖該結構電機特點為：(1)直線電機位移裝置由三部分組成：力與運動發(fā)生裝置、刀架及運動導軌副、力與運動控制系統(tǒng)。(2)用直線型電磁裝置來產生所需的驅動力和直線運動。(3) x、z方向的驅動力通過徑向支承結構和導軌副來承受。(4)驅動力與位移精度均由控制系統(tǒng)調節(jié)。 由于直線電機驅動的高速超精密氣浮平臺，其直線進給單元加速度變化的不連續(xù)性以及缺少中間彈性阻尼環(huán)節(jié)，易產生超調和振蕩，限制了直線進給精度，難以滿足超精密的要求；并且直線氣浮系統(tǒng)傳動阻尼小，抗干擾能力較差，并隨驅動功率的增大而變得更差。因為干擾力和負載變化直接影響其動態(tài)性能，最終極大地影響了高定位穩(wěn)定性和動態(tài)精度的實現(xiàn)。所以需要對直線電機的驅動技術進行研究，對其進行進給結構設計，利用有限元法對其進行電磁—流—固耦合分析，驗證電機推力，分析直線電機進給機構的動態(tài)特性。（2） 工作臺：刻劃機的工作臺為單層臺結構，優(yōu)化設計使其滿足大剛度和輕質量基本要求，還使導軌的移動副和光柵毛胚刻劃面處于同一平面上，即符合阿貝原則。（3） 工作臺氣浮導軌：工作臺導軌起承載和導向作用，是大光柵刻劃機最重要的組成元件之一，其直線性精度直接決定了光柵的刻劃精度，有嚴格的要求。傳統(tǒng)的光柵刻劃機多采用滑動導軌或滾柱式導軌?；瑒訉к壘哂袡C構簡單、緊湊、剛度高，停止時的穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性高及價格低等優(yōu)點，作為超精密加工用的元部件可以充分利用其優(yōu)點。但是滑動導軌也有缺點，即動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的差值較大，有爬行，定位精度有限，低速時運動的平滑度比其他導軌差。滾柱導軌的優(yōu)點是剛度大、抗干擾能力強、結構簡單、維護方便，也便于后續(xù)的精研磨處理；缺點是雖然摩擦系數(shù)較小，但還是在一定程度上存在動、靜摩擦系數(shù)的差異，在極低速運行的情況下（~）還會有一些不確定的非線性位移狀態(tài)的存在。另外由于滾動體與導軌之間的接觸為點接觸或線接觸，其抗振性與滑動導軌相比較差。而氣浮導軌的優(yōu)點是導軌副的摩擦力幾乎為零，系統(tǒng)的隨動性能極好，可以從根本上解決“爬行”問題，氣體支承可在最清潔的狀態(tài)下工作，具有冷態(tài)工作的特點，運動精度高，壽命長，可以在很寬的溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作，能夠保持很小的間隙。但缺點是剛度低、抗干擾能力差、結構復雜，維護不方便，而且由于有外來氣體向恒溫室內的泄漏，會對恒溫精度和激光干涉儀的測量精度產生不利影響。解決的措施是采取一些主、被動措施來降低該影響的程度，如將外泄的氣體回收并導出恒溫室，并將激光干涉儀的光路利用伸縮筒封閉起來等。從精度的角度考慮，并參考國際上現(xiàn)有的超精密定位平臺，本項目擬采用氣浮導軌，導軌的示意圖如下圖所示。氣浮導軌結構圖針對氣浮導軌的缺點，對導軌承載能力、剛度特性進行分析（4） 壓電陶瓷微位移精定位機構：壓電陶瓷微進給機構是目前應用最廣的微進給機構，壓電陶瓷具有出力大，響應速度快，無發(fā)熱，位移分辨率高的優(yōu)點，是微位移機構的理想驅動元件。此外，壓電陶瓷驅動的柔性并行機構不僅具有更高的精度、剛度，還包括無間隙、幾乎無摩擦、無潤滑、無熱量產生的優(yōu)點。根據(jù)刻劃精度要求，分度精度應該優(yōu)于10nm，首先需要確定執(zhí)行機構壓電驅動器的分辨力要高于這個分度精度。，，可以滿足使用需求。刻劃系統(tǒng)由刀架摩擦驅動機構、刀架氣浮導軌、刻刀微位移機構組成，該系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)金剛石刀具的等速往復運動并完成光柵的刻劃。其中刀架氣浮導軌同時對刀架承重和導向?？痰段⑽灰茩C構的功能是實現(xiàn)金剛石刀具的抬落和刀刃的切換。工作時伺服電機帶動驅動輪，由摩擦力推動刀架機構等速往復運動；由壓電驅動器控制金剛石刀具的抬落，并在待刻光柵上刻一條刻槽。（1） 刀架摩擦驅動機構：傳統(tǒng)的刻劃系統(tǒng)是通過偏心連桿機構作往復直線運動，連桿帶動中間滑塊，中間滑塊牽引刻橋運動。高精度的刻劃常設計刀架等速機構，其作用是使刻刀在刻劃過程中保持勻速運動，以確保光柵刻線的刻劃質量。在單一刻線的刻劃過程中，如果刻刀通過刻線上各點的速度不同，鋁膜的被擦光程度和被擠壓程度都不相同，這會影響光柵的整體質量。采用等速機構可以解決這個問題。另外，在刻劃方式上如果采用連續(xù)式刻劃，刻刀的不等速會造成刻槽直線的彎曲，必須采用等速刻劃。但這樣的刻劃系統(tǒng)傳動鏈較長，結構復雜，傳動精度對裝配精度要求較高，在刻劃不同面積的光柵時，等速機構擺桿調節(jié)較麻煩。本項目擬采用摩擦驅動作為刀架往復等速驅動機構。摩擦驅動可以實現(xiàn)無反向間隙、噪聲小的等速傳動。由于結構上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少，所以一直被認為是一種非常適合超精密加工的傳動系統(tǒng)。一般的摩擦驅動機構的結構和齒輪齒條相似，可以把電機的勻速回轉運動直接轉換為勻速直線運動。摩擦驅動機構其工作原理如下：與導軌運動體相連的驅動桿夾在兩個摩擦輪之間，用彈簧壓板壓緊，使驅動桿無滑動。兩個摩擦輪均有靜壓軸承支承，可以自由轉動。下摩擦輪有電機驅動，靠摩擦力帶動導軌作非常平穩(wěn)的直線運動。采用摩擦傳動機構，機床導軌的直線運動非常平穩(wěn)，并且達到極高的直線運動精度。最典型的應用即美國LODTM大型超精密機床采用的就是摩擦驅動。（2） 刀架氣體靜壓導軌：刻槽的直線性由刀架導軌的平面度保證，導軌的平面度為1/8λ。另外，在系統(tǒng)的回轉軸上安裝有21位光電軸角編碼器，作為系統(tǒng)的抬落刀時間基準和連續(xù)工作模式的基準位置信號，落刀時間與分度系統(tǒng)的配合由計算機控制。目前國內現(xiàn)有刻劃機刀橋的運行方式是刀橋帶著刀架在曲柄連桿驅動下作往復直線運動，刀橋導軌分別放在工作臺的兩側，刀橋橫跨工作臺，質量和尺寸都較大。由于刀橋刀架一起運動，運動質量比較大，慣性大，換向時容易產生振動和沖擊。國外的一些刻劃機，如日立機以及MITC機等，都采用兩根導軌，其中一根高精度平面導軌為小刀架導向，另一根圓導軌承載刀橋及小刀架的全部重量。本方案考慮到需要進行金剛石刻刀的換刃問題，設計了刀架微位移機構，導致刀架系統(tǒng)的重量增加，因而不能沿用已有的導軌形式。設計采用閉式氣體靜壓導軌，導軌的上平面為承重面，垂直的一個側平面為導向面。，中間為刀架微位移機構。刀架氣體靜壓導軌結構圖采用球面與V型支座組合形成的鉸接支撐結構，可極大地降低裝配工藝難度，減少由于裝配過程引起的導軌扭曲變形。右端壓電微驅動機構實現(xiàn)水平微位移，左端柔性鉸接彈性變形實現(xiàn)X 、Y導軌直線誤差的精度補償。這樣刀架導軌微位移精度補償機構與左端柔性交接組合，通過鉸接處的彈性變形，為刀架導軌提供橫向微量角位移與精細定位。在微位移補償運動過程中，支撐鋼球并不產生實際的滾動，各支撐鋼球以彈性元件形式對導軌的形成彈性支承，不會對微位移過程產生遲滯或爬行等不利的影響。（3） 刻刀微位移機構：刻刀微位移機構包括金剛石刀具的抬落機構和刀刃的切換機構。因光柵的最大刻劃面積為300300mm，當刻劃79線／mm的中階梯光柵時，并且刻劃力很大；當刻劃300線／mm的天文光柵時，行程更高達90km，會引起刀具的明顯磨損。為了解決刀具在刻劃過程中的磨損，延長刀具的使用壽命，設計了兩種金剛石刀具：一種是四面體刀，這種刀由四個平面交于一點，兩邊的棱決定刻線的輪廓、刻劃時前刃和后刃近于一條直線（通常為178176。）。后槽是很鈍的二面角，類似于圓弧型刻刀。這種刻刀，擠壓作用由鈍的二面角完成，代替了普通刻刀銳的棱尖，相比較而言強度更高、耐磨性更好，延長了刀具的壽命。缺點是前刃和后刃的直線性不容易保證，需要進行工藝上的探索。另一個方案是研制一種具有圓弧形結構的刻刀，利用復合式刀架的高精度轉刃機構實現(xiàn)刀刃的切換。該方案的優(yōu)點是刀刃的定位精度相對容易保證，刀架結構相對簡單。缺點是每一把刀只能刻劃一種角度的光柵，不具備互換性；因制作刀具的金剛石為單晶結構，每個方向的硬度各異，刻劃工藝和刻刀的制作工藝不成熟，并需要重新設計制作一臺高精度磨刀機。圖為不同金剛石刻刀的示意圖，圖為刻刀微位移機構的機構圖。 a:常用刻刀 b:圓弧刻刀 c:四面體刀 金剛石刻刀圖 復合式刀架結構圖三、 刻劃機工作臺的運動方式1. 間歇式運動這里所說的工作臺間歇式運動，是指光柵機工作臺運行一個光柵常數(shù)后停止，然后由刻劃系統(tǒng)完成一條刻線的刻劃。下圖為工作臺間歇式運動時刻劃過程的原理框圖。工作臺間歇運動時刻劃過程的原理框圖具體工作過程如下：首先由直線電機驅動工作臺在氣浮導軌上運行一個光柵常數(shù)名義值，完成工作臺的粗定位。該過程屬于開環(huán)控制。工作臺導軌帶來的運行誤差，需做進一步的補償。工作臺上放置待刻光柵，并安裝測長干涉儀和測角干涉儀的測量鏡，由這兩臺干涉儀分別測出工作臺的定位誤差和擺角誤差。工作臺與底部的直線電機通過柔性機座相連，通過壓電驅動器驅動工作臺做微量調整，以補償粗定位的定位誤差和擺角誤差，待工作臺精確定位后，即可由刻劃系統(tǒng)完成一次刻劃，該過程為閉環(huán)控制。所謂工作臺連續(xù)式運動，是指光柵工作臺以恒定的速度在一個方向連續(xù)運行，刻劃系統(tǒng)在工作臺運動狀態(tài)中完成一次刻劃。該方式的機械結構與間歇式運動時完全相同，只是在刻劃系統(tǒng)的回轉軸上增加了一個21位角位移編碼器。下圖為工作臺連續(xù)式運動時刻劃過程的原理框圖。工作臺連續(xù)運動時刻劃過程的原理框圖具體工作過程如下：首先根據(jù)待刻光柵的具體刻線參數(shù)，通過計算機確定刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)的運動速度，并根據(jù)該速度分別設定驅動分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)的電機速度。該工作方式為連續(xù)刻劃（也可以理解為動態(tài)刻劃），實際上就是通過光柵工作臺運動速度與刀架運動速度（或位置）的精確匹配，完成光柵的刻劃并保證光柵的刻線間距精度和刻線的直線性。工作臺同樣采用粗精兩級調速，由刻劃系統(tǒng)的光電軸角編碼器發(fā)出一系列在時間上均勻分布的交流信號，并以該信號作為控制工作臺運動的時間基準。驅動分度系統(tǒng)的直線電機的速度是根據(jù)待刻光柵的具體參數(shù)事先設定的，并由它本身的控制系統(tǒng)加以控制，可以達到較高的直線精度，但由工作臺導軌帶來的誤差，必然會引起工作臺的運行誤差，該誤差需經做進一步的補償。補償?shù)倪^程為首先由激光干涉儀測量上臺的運動速度，并實時輸出運動信號的信息（周期或頻率），該信號經處理后與編碼器輸出信號的相位相比較，并通過壓電驅動器控制二者的相位同步精度，實現(xiàn)光柵的高精度刻劃。從技術角度分析，間歇刻劃的最大缺點是工作臺在分度過程中處于一種循環(huán)式的“走?！边\動狀態(tài)，采用靜壓式氣浮導軌，因工作臺加上待刻光柵的質量較大，存在因慣性力而引起的諸多不確定因素。這種方式的優(yōu)點是光柵的刻線間距精度和刻線直線性精度分別由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)單獨保證，二者之間相互獨立，沒有互相干擾的問題。而連續(xù)刻劃的缺點在于，作為時序基準的光電編碼器的輸出存在誤差，會導致光柵刻線出現(xiàn)彎曲。刀架機構的等速誤差也會產生刻線彎曲等等。同時，光柵的刻線間距精度和刻線直線性精度由分度系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)運行速度的配合來保證，控制難度相對增大。優(yōu)點是工作臺在分度過程中處于連續(xù)運動狀態(tài)，慣性力的問題可以在很大程度上可以解決。因此可以在機械結構不變的條件下，采取以間歇刻劃為主同時兼顧連續(xù)刻劃的控制方式更為穩(wěn)妥可靠。四、 光柵刻劃機結構關鍵零部件研究內容1. 精密工作臺的結構優(yōu)化為了滿足光柵刻劃符合阿貝原則，工作臺外臺采用了兩端懸臂的特殊結構。工作臺面的尺寸為350350（mm2）。工作臺加光柵毛坯總質量約90kg。對于工作臺，我們首先關心在承載光柵毛坯情況下毛坯刻劃面面型的變形是否滿足使用要求；其次關心工作臺懸臂處受力情況以及驅動方向的剛度能否滿足使用要求。重力作用下工作臺臺面與光柵毛坯的接觸表面可能發(fā)生變形導致毛坯的支撐方式發(fā)生了變化，由原來的底面全接觸變成了只有兩端局部面接觸，必然會引起毛坯刻劃面的面型變形。所以需要通過有限元分析了解工作臺和光柵毛胚的接觸變形，并對工作臺結構進行優(yōu)化設計，使其達到最佳使用條件。2. 精密氣浮導軌的研制氣浮導軌布置圖針對工作臺氣浮導軌的缺點，為了保證和提高軸承的承載能力與剛度特性，需要對節(jié)流器部分關鍵尺寸進行研究，分析節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔長度、氣腔直徑和氣腔深度對矩形導軌承載能力與剛度的影響，進行多參數(shù)的結構優(yōu)化設計，獲得符合要求的承載能力和剛度特性。由于系統(tǒng)所采用的氣浮導軌，會導致系統(tǒng)發(fā)生振幅為納米級的微幅振動，進而影響系統(tǒng)精度。微振動發(fā)生時其振幅通常在幾納米到幾十納米，頻率從幾十赫茲到幾千赫茲。這種振動的一個顯著特點是只有給氣浮軸承通氣時才出現(xiàn)，因此顯然是一種流體引發(fā)的振動。這種振動對于一個精度要求達到納米級的運動定位系統(tǒng)極為有害。首先，這種振動沿運動方向的分量直接影響定位精度；其次，這種振動的頻率如果落在控制帶寬之內，由于屬于一種閉環(huán)之外的擾動，控制系統(tǒng)對它的抑制作用很小，且系統(tǒng)一旦加上使能，這種振動將會被放大，從而大大降低系統(tǒng)的控制精度。因此必須對導軌進行流固耦合分析，采取相應的抑制措施，保障超精密氣浮工件臺系統(tǒng)的精度實現(xiàn)。3. 壓電陶瓷微位移進給機構壓電陶瓷驅動的鉸鏈微位移機構可以使精定位達到很高的精度和分辨率。不同的彈性鉸鏈其力學性能相差較大，所以需要對鉸鏈微位移機構優(yōu)化設計，使得其滿足性能要求。柔性鉸鏈的基本性能包括剛度、精度、應力特性等多方面，不同性能直接關系到微進給系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。需要通過有限元分析得到壓電陶瓷微進給機構