高精密二维平台关键零部件选型

摘 要：高精密二维平台在生產加工中得到了广泛的应用，在平台设计过程中关键零部件如：支撑形式、驱动方法、闭环检测控制手段等是保证高精度的基础，在设计过程中应根据需求好，合理选择，合理搭配。

关键词：直线电机；直线导轨与滑块；光栅尺

1随着科学技术的发展，人类在制造领域中采用的尺度将由微米迈向纳米，在这个进程中，高精密的运动平台是实现纳米级定位和加工的关键技术。当前，在一些工程领域，已经对纳米级微进给平台提出了要求，如半导体器件；光学器件；微型机械的制造及特种材料加工等。尤其是在微型机械和超精密加工领域，往往需要十分精确的定位和非常精细的运动，因此需要高性能的超精密定位平面工作台作为其技术支持。例如，随着集成电路集成度的提高，线宽已达到亚微米级，因此在制造过程中对定位精度有着苛刻的限制。在微型机械领域要求对微小的零部件进行装配，就必须为其提供精密的运动。同时， 微型机械制造超精密加工、生物工程、集成电路制造、医疗手术、扫描探测、光纤对接等领域都有广泛的应用。

2平台的搭建

2.1平台结构

平台结构形式，支撑形式，驱动连接方法以及构件的尺寸和材料决定平台的运动学和动力学特性，进而决定其所能达到的性能，是平台结构设计的核心内容。这里平台的具体细节为：采用了大理石或花岗岩平台作为零部件安装支撑体，固定龙门式X/Y运动分离的结构，永磁同步直线电动机+导轨支撑的驱动形式，高分辨率直线光栅尺，驱动器+PMAC运动控制器。

机械系统属于精密运动平台实现功能的支撑体和执行者，机械系统的精度和刚度是影响精密运动、定位的最重要的因素。精密机械零部件的制造水平是一个国家制造业水平的重要反映。精密运动平台的关键零部件包括直线电机，直线导轨和滑块，直线光栅尺。这里从精密运动平台的关键件如直线电机、直线导轨、滑块和直线光栅尺的使用特点和选型原则，对这些关键零部件进行选型

2.2直线电机

永磁同步直线电机（PMLSM）具有机械结构简单，无反冲、低摩擦阻力，可执行长距离高速高精度定位等优势文献。而U型无铁芯直线同步电机更有无径向吸力，并且齿槽效应为零，运动非常平稳，重量轻可以实现高加速度。一般定位精度和重复定位精度要求较高的平台都选用U型无铁芯直线同步电机。在推力要求大，加速度不高的地方一般选用有铁芯直线电机。

2.3直线导轨与滑块

首先介绍直线滚动导轨的结构，如图2. 6所示。主要由轨道、滑块、钢球、保持架和端盖等五部分组成.轨道起支承作用，安装在支承件上，滑块装在移动件上，当导轨与滑块作相对运动时钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端的防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。然后确认直线导轨的精度。精度是个综合概念，一般由滑块基准侧面相对同侧滑轨侧面的行走直线误差、组合高度误差，滑轨侧面至滑块基准侧面宽度误差、成对高度误差以及成对宽度误差构成。直线导轨精度可分为普通级（N），高级（H），精密级（P），超精密级（SP）与超高精密级（UP）五个等级。精密级（P级）的直线导轨行走平行度都在2μm以上。高精度直线导轨具有高刚性、高载荷，行走顺畅度佳，载荷均勾，高速低噪音，具自动调心能力，滑块共轨设计，定位精度高等特点。这些优点让它成为精密运动领域的核心零部件之一。对于多数产业机械，N级或H级精度可以满足要求，数控机床等设备通常选择P级精度，超精密运动平台选择SP和UP精度。

2.4直线光栅尺

高精度位置检测技术是实现精密定位的基础，位置反馈精度直接决定精密运动系统的定位精度。目前用于精密定位系统的位置检测装置有：感应同步器装置、光栅尺装置、磁尺位置检测装置、脉冲编码器、激光干涉位置检测装置等。随着高精度、低成本光栅的开发，光栅刻制技术和电子技术的迅速发展，细分技术的逐歩完善，光栅尺位置检测装置广泛应用于精密运动平台系统。文献[2]总结了光栅尺传感器的优点：数字量输出，易与数字电路匹配；大行程，高精度，低成本；稳定性、抗干扰性好，具有较高的测量速度。指出了光栅尺系统与激光干涉测量仪相比，具有光路结构简单，调整难度小的，价格相对较低，不需要透镜组合却能获得很高的放大倍数的特点。文献[4]提出了一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法，探讨了双光栅尺信号的切换合成方法，并验证了该双光栅尺系统在大于1m/s的移动速度是具有10nm定位精度。采用CPLD器件EPM7128SLC84-10设计光栅尺信号处理电路，使用USB总线作为光栅尺传感器信号处理电路与计算机间的通讯接口，提高了光栅尺接口卡的稳定性和使用的通用性。

3.结束语

这里简单的介绍了高精度二维平台在设计时应注意哪些关键零部件，这些零部件的选择原则及方法。为设计平台时提供一些参考。

参考文献：

[1]叶云岳，等.直线电机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]郑荟民.基于光栅微位移检测电路系统的研究：[硕士学位论文].哈尔滨：黑龙江大学，2010

[3]张健.髙精度平面定位与控制技术的研究：[硕士学位论文].南京：东南大学，2004

[4]节德刚 刘延杰 孙立宁 陈智超 蔡鹤皋.基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法[J].光学精密工程，2007， 15 （7）： 1077-1083

[5]樊松.基于USB和CPLD的新型光栅尺接口卡的设计与实现：[硕士学位论文].天津：天津理工大学，2008

作者简介：

刘永力，男，本科 出生日期：1976年7月6日职务：机械设计工程师 职称：中级机械工程师单位：哈尔滨泰富电气有限公司