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首页精密设计:现状、创新与纳米级发展趋势
"精密机械设计:现状与发展趋势" 精密设计是当前工业和科研领域的重要议题,尤其在高精度产品制造中占据核心地位。当前精密工程师强调可重复性和准确性,依赖于超精密机器和仪器进行验证,以确保设计的精确性。设计过程中,精密工程师不仅关注局部优化,更需寻求创新方法降低成本,如通过残余几何误差补偿、机器动力学误差补偿以及热机械误差补偿等先进技术来提高设备性能。 全球范围内,精密设计的标准和原则已被广泛接受,但挑战在于如何创造性地运用这些原则,以满足不断增长的对精密度的需求,如纳米甚至亚纳米级别的定位和测量精度。集成控制和误差补偿系统的理念正在被引入新设计中,这在精密机电一体化设计中尤为重要。 随着计算机技术、数据处理和存储能力的提升,设计过程已从20世纪50年代的集成电路时代发展至今,对机器密度和精度的要求达到了前所未有的高度。例如,Wafersteppers和高密度光学记录系统(如DVD)的制造,都依赖于高度精细的部件和亚微米级或纳米级的制造技术。计量学的进步也同步跟进,研发出如测量软件、误差模型和亚微米至纳米级测量技术,以适应这些精密需求。 未来,精密工程的发展将面临更大的挑战,需要在设计原理和特点、预测设计等方面持续创新,以保持在科技前沿。可重复性、再生性和准确性仍然是设计的核心目标,但随着技术的进步,创新思维和对前沿材料、工艺的理解将决定精密设计能否突破界限,推动行业的进一步前行。"
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件,波纹管通常被使用2,。 在图中 !, 修正一些 1- 的例子可以看出,传统的
解决方案是使用细长杆(图 !,),由于其有限的长度,横向位移导致受约束方向的产生
寄生运动。 折叠的板簧可以实现同样的功能,但没有这个缺点(图 !,7)。 在图中 !显
示了由 个棒组成的备选方案。
利用这些基本元件的组合可以构造运动机构或固定装置。 图 ! 给出了一个桌面固定
的例子。 由于采用了三个铰链式弹簧,桌面在 自由度受到限制,热中心位于板簧法线的
交点处。
运动学设计应用的一个例子就是图 ! 所示的运动学支持。具有六个固定支撑表面,
通过使弹性铰链使周围的表面变得更加灵活 ,。 通过这种方式,沿表面的
摩擦力大大降低,而“垂直于表面的接触刚度仅稍微降低。 由于刚度和摩擦之间的比率有
所改善,滞后(请参见第 节)从经典非铰接型的 -, 减小到新版本的 --!A。
!!"A00
热循环被定义为:“穿过机械部件组件的路径,其决定了在变化的温度下特定对象之间
的相对位置”。原则上热循环应该尽可能小,以尽量减少空间热梯度的影响。机器的热回路
中的热膨胀可以通过适应机器部件的有效长度并通过选择具有合适的热膨胀系数的材料
(例如,哈里森的B格子铁B摆埃文斯,。可以通过创建一个热中心(")来选择组件
相对于彼此扩展的固定点或轴,如图 ! 所示。虽然热膨胀系数并不是更好的了解,但是
在 --B 以内23,,热膨胀的影响可以通过测量,控制温度变化引起的机器部
件的膨胀来减小(8IA,),随后通过选择适当的固定点来产生相等的热长度。
位于机器内部或外部的热源会导致机器温度变化。由于机器部件的热时间常数不同,这可
能导致热循环中热膨胀率不等。因此,唐纳森强烈建议,作为他出版物中有关机床的原则
问题的源头是热量。I0 经历过具有集成热源的热机械稳定性问题。去掉这个源之后,
温度漂移减少到一个阶。内部热扰动的响应可以是中间的和部分补偿。然而,环境温度变
化只能是响应性的,而不是预测性的,因为输入是未知的。
3.4 Structural loop
根据被定义为机械部件组装件的结构环,其保持指定物体之间的相对位置。典型的一
对特定对象是一个切割工具和一个工件:结构环包括主轴,轴承和外壳,滑道和外壳,驱
动器以及工具和工件夹具。从驱动器到反应点的传播路径中的所有机械部件和接头,例如
末端执行器(切割工具或探针)或重心,必须具有较高的刚度,以避免在变化的载荷下发
生变形。
机器或仪器的设计包含一个或多个结构环。识别好的结构环设计的关键是串联和并联路径
的分离。沿着一系列路径,刚度不应发生突变。串联路径的提升可以通过增强最柔顺的部
分的硬度来实现,最好是通过从刚性部件转移材料来改进串联路径。平并联路径改进与通
过进一步改进最坚硬的部分的方法完全相反,对于具有相同质量的系统来说更好,优选地
是对于以更兼容的并联路径为代价的具有相同质量的系统。由于物理限制,闭环系统的测
量系统不可避免地位于距末端执行器一定距离处。除了良好的结构环设计之外,测量系统
和末端执行器之间的路径必须尽可能地刚性以最小化偏差,例如,通过最小化这条路径的
长度,称为“量度圈”
3.5 Metrology frame
计量框架是位移测量的参考框架,与机器基础无关,即计量系统上的外力必须是恒定
的。 德布拉建议将计量框架看作是一个更广泛原则的例子,即“分离功能”的原则。 实际上,
力和位置信息的路线是断开的,这种想法也出现在图 的旋转台的设计中。 。 讨论了
“计量框架”的历史应用,以克服机械零件变形的问题。目前发现的计量框架的第一个例子
是 5#>21 通用比较器。 最近的例子是 H0 " 在 6 等人的测量机器中,H<. 在干涉
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时间标准比较器中,在BGJAB%% 的 ..H., <"% 和 ./"% 以及 401<((
在
由 %8= 提供的 H。建议使计量框架尽可能小,以尽量减少对环境的影响,建
议在 I1 中构建计量框架或使用温度控制(例如,油喷淋)。 此外,度量框架的支撑
平面应该与机器底座的弯曲中性轴重合。
3.6 Drive offset
通过将良好的机械设计与闭环控制相结合,可以实现更高的运行速度,准确性和灵活
性。 典型的例子是光盘播放器,晶圆步进机,先进的数控铣床和车床以及快速元件安装
('%)机器。 在伺服控制定位装置的开发中,必须考虑执行器力量加载滑块的位置,以
提供由惯性,工具或测量力,摩擦力等产生的(产生的)力。正如其中一个 B十一条原则“,
应该把驱动力放在反应的轴心上。 如果这是不可能的,反作用轴偏离称为驱动偏移 >引起
机器滑块上的力矩。 如果驱动轴和测量轴位于旋转中心的同一侧,则滑块产生的旋转对其
可控性的影响最小。
3.7 Force compensation
3.7.1 Weight compensation
在许多 !>%% 的垂直柱塞被使用。 为了避免在滑块的(恒定)重量的情况下加载垂
直滑块的驱动系统,可能会施加力补偿,从而消除电机中不期望的散热。 恒定力可以通过
许多方式获得,例如, 使用额外的权重,这从动态角度来看是不利的。 替代方案是磁场,
在 压 力 或 真 空 下 的 圆 柱 体 , 或 “ 恒 定 速 率 弹 簧 ” , 例 如 , 张 力 器 " , ,
5(00,。根据滑块的行程和允许力变化的规格,一种类型的重量补偿比另一种更
合适。 在 9 < 设计的许多高精度机器中使用了重量“减轻”,其中库仑摩擦在导轨上减小。
!,5JAJ
由于固定机器部件的质量和支撑刚度有限,驱动力引起的反作用力引起这些静止部件
的运动56,,56,。由反作用力引起的机器框架的激励变得越来越
多在高频直接驱动的情况下很重要,例如,快速的刀具伺服切削<K, 和非旋
转对称表面的切割56,。除了常用的减少框架运动的方法,如增加框架的刚度
和质量,或增加)阻尼,56 提到了更多的基本方法56,。第一个例子是在
相反方向加速载荷和框架之间的反作用质量6,70 和6,。其次,可以同
时施加反作用力该框架由第二电机在定位精度方面没有严格的要求。
3.7.3 Parasitic stiffness compensation (negative
基于弹性元件的仪器和机构的优点是实际的间隙和摩擦,导致虚拟游戏 科斯特,
缺席。考虑到可制造性和必须严格抑制固定运动,挠曲的尺寸基于允许的应力与期
望的行程的组合。然而,行程受材料弹性极限的限制,并且弹性元件的刚度导致反向力与
位移成线性比例。在驱动力变得太高而无法处理的情况下,无论是通过所需的致动器的尺
寸大小还是其产生的热量作为对机器功能的干扰,必须将挠曲作为设计选项丢弃或者这种
不期望的力的影响积累必须得到补偿。出于显而易见的原因,这最好用无源元件完成。传
统的方法被称为创造B负面刚度B。对于还包含弯曲并且将其与旋转或平移弯曲阶段刚性连接
以便获得接近于零的刚度设计的装置,可以以增加复杂性为代价来克服该问题。 *(:6
给出了几个创造负刚度的例子
3.8 Symmetry
在"#,>中,建议尽可能在机器元件的特性(例如,质量和力的分布或
刚度),整个仪器和环境特性中引入对称性。在设计,制造,装配和操作精密仪器时,任
何偏离
为了克服由不对称产生的问题,必须权衡对称性。为了避免热不对称,引起机器部件的显
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