專利名稱：用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件。
背景技術：
對微米/納米級驅動部件的研究主要集中在以下二方面一方面是對小進給力的納米級驅動部件研究。伴隨著20世紀80年代納米級技術的迅速發展，對小進給力的納米級驅動器研究進入一個高潮。目前在微位移進給領域用得最多的壓電陶瓷驅動器，因其成功應用于掃描隧道顯微鏡和隨之出現的各種掃描探針顯微術(SPM)中，得到了較大的發展。這類驅動器技術趨于成熟，但因驅動力太小，如國產壓電陶瓷驅動器可承受的最大壓力為20Kg，進口的可承受最大壓力為75Kg，故難以大規模推廣到具有大進給力要求的變載荷的超精密加工機器人中。另一方面是對大進給力的微米/納米級驅動部件研究。這方面研究精度不高且受熱的影響，主要分為二類一類是對新穎的驅動部件研究，如稀土超磁致伸縮驅動器、形狀記憶合金驅動器、超導式驅動器等，以用得較多的稀土超磁致伸縮驅動器為例，它的承載能力大于或等于壓電陶瓷上限的5倍(≥375Kg)，因驅動力大導致發熱量也大，由驅動線圈發熱引起的超磁致伸縮材料熱變形量與超磁致伸縮驅動器可控位移輸出處于同一數量級，因此必須進行嚴格的熱變形補償；另一類是對傳統的驅動部件研究，如滑動絲桿、滾珠絲桿、液體靜壓絲桿、氣體靜壓絲桿、摩擦驅動器等。除了研究如何減少摩擦力、減少永久或瞬間變形等問題外，還重點研究熱剛度對進給精度的影響。
統計表明在超精密加工領域，尤其是具有大進給力的微米/納米級驅動領域，由熱變形引起的誤差占總的誤差的40％~70％。目前解決因熱位移引起誤差的傳統方法是被動消除或者被動補償，與其熱位移產生后的被動補償，不如把熱位移作為主動進給，本專利的提出，正是基于這一原始思想，希望在超精密加工機器人領域對熱變形的研究從被動補償轉向主動應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件。
它由多片變形體、絕熱體相間串聯方式組成，各片變形體采用網狀結構。
本發明的優點
1)采用對稱的智能結構，使納米級驅動部件能夠實現自檢、自適應、自學習的功能；2)智能結構能夠保證納米級驅動部件進給面的平面度，從而有效防止進給過程中應力集中現象；又納米級驅動部件的每一片變形體及每一片中的每一層都采用相同的材料和相同的工藝，經一體化制作后能夠消除因熱膨脹系數失配引起的應力集中。因此此結構能夠實現大進給力的要求；3)智能驅動部件由多片變形體組成，結構上采用變形體和絕熱體相間串聯方式，從而在保證精度的前提下增大了進給范圍；4)要求智能驅動部件實現大進給力的功能，在設計中降低了動態響應時間，因此此部件不適合高頻進給場合。
圖1是具有大進給力的納米級智能驅動部件控制框圖；圖2是結構上串聯的具有大進給力的納米級智能驅動部件示意圖，圖中第一層絕熱體1，第一片變形體2，第二層絕熱體3，第二片變形體4，第n片變形體5，第n+1層絕熱體6；圖3是具有大進給力的智能驅動部件各片變形體結構示意圖，圖中y平行方向第二列加熱電阻及溫度傳感器7、8、9、10，y平行方向第五列加熱電阻及溫度傳感器11、12、13、14，y平行方向第八列加熱電阻及溫度傳感器15、16、17、18，y平行方向第十一列加熱電阻及溫度傳感器19、20、21、22，x平行方向第二列加熱電阻及溫度傳感器23、24，x平行方向第五列加熱電阻及溫度傳感器25、26，x平行方向第八列加熱電阻及溫度傳感器27、28，x平行方向第十一列加熱電阻及溫度傳感器29、30，絕熱面31、32、33、34、35；圖4是超精密平面磨床z方向二級進給結構示意圖，圖中砂輪36、磨頭體37、納米級智能驅動部件38、導軌39、立柱40、滾珠絲桿41、螺母42、床身43、工件臺44、工件45。
具體實施例方式
本發明關鍵之處是把具有智能結構的各片變形體作為執行機構，根據熱膨冷縮原理，通過控制各片變形體內具有網狀結構的內部熱源，使溫度場發生改變，進而達到控制位移場的目的。由于納米級驅動部件進給面的熱位移直接作為主動進給，因而對熱變形的研究從被動補償轉向主動應用。圖2中，具有大進給力的納米級智能驅動部件在結構上由各片變形體采用串聯方式組成，目的在于不改變進給分辨率的條件下，盡量擴大進給范圍。為方便控制，并防止各片變形體之間及變形體和聯接部件之間相互導熱，各片變形體之間及變形體和聯接部件之間都采絕熱材料隔熱，絕熱材料可選用石棉、玻璃棉、巖棉、歐文斯、軟木板、纖維板等。各片變形體采用網狀結構，目的是方便驅動部件實現自檢、自適應、自學習的功能，并且保證納米級智能驅動部件進給面的平面度，從而有效防止進給過程中應力集中的現象。
各片變形體都采用以Si為主要材料的對稱結構，如圖3所示。每片變形體由八層組成，每層都以Si作為襯底，在相應位置采用集成電路制作方法制成加熱電阻及集成溫度傳感器。集成加熱電阻的制作首先在硅襯底上熱生長一層二氧化硅，并在氧化層上曝光刻蝕形成窗口，然后用離子注入(或擴散)摻進與硅襯底導電類型相反的雜質；集成溫度傳感器可以是溫敏二極管，也可以是溫敏電阻，溫敏電阻的制作過程同普通電阻類似，只是一些具體工藝不同。各片變形體中各層都以硅作為材料，因此利用硅—硅鍵合技術，可以將已經生成加熱電阻和溫敏器件的二個硅片直接鍵合在一起，實現變形體的一體化制作，此結構的優點除硅片、加熱電阻、溫度傳感器一體化制作外，因變形體各層都采用相同的材料能夠消除因熱膨脹系數失配引起的應力集中。
圖3中各片變形體第一層和第八層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻7、11、15、19、10、14、18、22，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器7、11、15、19、10、14、18、22；變形體第二層和第七層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻7、11、15、19、10、14、18、22，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器7、11、15、19、10、14、18、22，并且在第二層和第七層的另一面沿X方向第二、五、八、十一列制成加熱電阻23、25、27、29、24、26、28、30，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器23、25、27、29、24、26、28、30；變形體第三層和第六層沿X方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻23、25、27、29、24、26、28、30，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器23、25、27、29、24、26、28、30，并且在第三層和第六層的另一面沿Y方向第二、五、八、十一列制成加熱電阻8、12、16、20、9、13、17、21，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器8、12、16、20、9、13、17、21；變形體第四層和第五層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻8、12、16、20、9、13、17、21，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器8、12、16、20、9、1 3、17、21。必須綜合考慮x方向和y方向集成加熱電阻的布置，防止加熱電阻距離太近引起應力集中。由于每片變形體上下都有絕熱層，且熱源及傳感器對稱布置，因此在一片變形體中相當于有5個絕熱面31、32、33、34、35，這樣的對稱結構有利于溫度場及位移場的控制。
具有大進給力的納米級智能驅動部件控制框圖如圖1所示。控制系統以單片機為核心，并且通過RS232C接口與計算機相連，從而可以享用計算機的一切軟、硬件資源。目標位移量的輸入可以經過鍵盤設定，也可以經計算機處理后下載。為了較好保證納米級智能驅動部件進給面的平面度，變形體溫度場必須均勻，尤其要求z方向各點的溫度平均值相等。變形體溫度場的檢測采用一體化的集成溫度傳感器，由于變形體溫度場變化是準靜態的，選用多路開關切換方式的控制電路，此方式對準靜態而言，既簡化電路，又減少成本。對集成加熱電阻的控制按列進行，共有m組。單片機的數據總線分時經m個鎖存器后進入相應的D/A，信號調理后進行功率驅動，然后加以控制。采用網狀結構對變形體進行加熱，只要各列加熱電阻的功率隨環境、狀態的變化作出相應調整，就能保證進給過程中進給面具有較好的平面度，其中，環境溫度的檢測可采用集成溫度傳感器DS1624。控制系統中既有各片變形體溫度場的反饋，又有超精密位移進給量的反饋。溫度場反饋主要用于變形體進給面平面度的控制，超精密位移量的反饋主要用于進給精度的控制。
圖4是超精密平面磨床z方向二級進給示意圖，第二級應用具有大進給力的納米級智能驅動部件，是本發明的一個實施例。此二級進給系統具有進給范圍寬、進給力大、精度高的特點，第一級為粗進給，通過交流伺服電機帶動螺母旋轉，從而導致滾珠絲桿z方向上下運動，由于滾珠絲桿、納米級智能驅動部件、磨頭體連成一體，因此滾珠絲桿上、下運動帶動磨頭體上、下運動，第一級進給的目的是擴大進給范圍，提高進給效率；第二級為納米級進給，當第一級進給完成后，即滾珠絲桿不再轉動，通過納米級驅動部件的微小進給，使磨頭體上下作微小變化，從而達到Z方向高精度進給的目的。
權利要求
1.一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件，其特征在于，它由多片變形體、絕熱體相間串聯方式組成，各片變形體采用網狀結構。
2.根據權利要求1所述的一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件，其特征在于所說的變形體采用以Si為主要材料的對稱結構，每片變形體由八層組成，每層都以Si作為襯底，在相應位置采用集成電路制作方法制成加熱電阻及集成溫度傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件，其特征在于所說的每片變形體第一層和第八層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)；變形體第二層和第七層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻(7)、(11)、(1 5)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，并且在第二層和第七層的另一面沿X方向第二、五、八、十一列制成加熱電阻(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)；變形體第三層和第六層沿X方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，并且在第三層和第六層的另一面沿Y方向第二、五、八、十一列制成加熱電阻(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)；變形體第四層和第五層沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加熱電阻(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)，加熱電阻附近相應位置等間隔制成集成溫度傳感器(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)。
4.根據權利要求1所述的一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件，其特征在于所說的絕熱體材料采用石棉、玻璃棉、巖棉、歐文斯、軟木板、纖維板。
全文摘要
本發明公開了一種用于超精密加工的具有大進給力的納米級智能驅動部件。它由多片變形體、絕熱體相間串聯方式組成，各片變形體采用網狀結構。本發明的優點1)采用對稱的智能結構，使納米級驅動部件能夠實現自檢、自適應、自學習的功能；2)智能結構能夠保證納米級驅動部件進給面的平面度，從而有效防止進給過程中應力集中現象，又納米級驅動部件的每一片變形體及每一片中的每一層都采用相同的材料和相同的工藝，經一體化制作后能夠消除因熱膨脹系數失配引起的應力集中；3)智能驅動部件由多片變形體組成，結構上采用變形體和絕熱體相間串聯方式，從而在保證精度的前提下增大了進給范圍；4)要求智能驅動部件實現大進給力的功能，在設計中降低了動態響應時間，因此此部件不適合高頻進給場合。
文檔編號B23Q1/34GK1472038SQ0311703
公開日2004年2月4日 申請日期2003年5月16日 優先權日2003年5月16日
發明者胡旭曉, 何衛 申請人:浙江大學