专利名称：用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件。
背景技术：
对微米/纳米级驱动部件的研究主要集中在以下二方面一方面是对小进给力的纳米级驱动部件研究。伴随着20世纪80年代纳米级技术的迅速发展，对小进给力的纳米级驱动器研究进入一个高潮。目前在微位移进给领域用得最多的压电陶瓷驱动器，因其成功应用于扫描隧道显微镜和随之出现的各种扫描探针显微术(SPM)中，得到了较大的发展。这类驱动器技术趋于成熟，但因驱动力太小，如国产压电陶瓷驱动器可承受的最大压力为20Kg，进口的可承受最大压力为75Kg，故难以大规模推广到具有大进给力要求的变载荷的超精密加工机器人中。另一方面是对大进给力的微米/纳米级驱动部件研究。这方面研究精度不高且受热的影响，主要分为二类一类是对新颖的驱动部件研究，如稀土超磁致伸缩驱动器、形状记忆合金驱动器、超导式驱动器等，以用得较多的稀土超磁致伸缩驱动器为例，它的承载能力大于或等于压电陶瓷上限的5倍(≥375Kg)，因驱动力大导致发热量也大，由驱动线圈发热引起的超磁致伸缩材料热变形量与超磁致伸缩驱动器可控位移输出处于同一数量级，因此必须进行严格的热变形补偿；另一类是对传统的驱动部件研究，如滑动丝杆、滚珠丝杆、液体静压丝杆、气体静压丝杆、摩擦驱动器等。除了研究如何减少摩擦力、减少永久或瞬间变形等问题外，还重点研究热刚度对进给精度的影响。
统计表明在超精密加工领域，尤其是具有大进给力的微米/纳米级驱动领域，由热变形引起的误差占总的误差的40％~70％。目前解决因热位移引起误差的传统方法是被动消除或者被动补偿，与其热位移产生后的被动补偿，不如把热位移作为主动进给，本专利的提出，正是基于这一原始思想，希望在超精密加工机器人领域对热变形的研究从被动补偿转向主动应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件。
它由多片变形体、绝热体相间串联方式组成，各片变形体采用网状结构。
本发明的优点
1)采用对称的智能结构，使纳米级驱动部件能够实现自检、自适应、自学习的功能；2)智能结构能够保证纳米级驱动部件进给面的平面度，从而有效防止进给过程中应力集中现象；又纳米级驱动部件的每一片变形体及每一片中的每一层都采用相同的材料和相同的工艺，经一体化制作后能够消除因热膨胀系数失配引起的应力集中。因此此结构能够实现大进给力的要求；3)智能驱动部件由多片变形体组成，结构上采用变形体和绝热体相间串联方式，从而在保证精度的前提下增大了进给范围；4)要求智能驱动部件实现大进给力的功能，在设计中降低了动态响应时间，因此此部件不适合高频进给场合。
图1是具有大进给力的纳米级智能驱动部件控制框图；图2是结构上串联的具有大进给力的纳米级智能驱动部件示意图，图中第一层绝热体1，第一片变形体2，第二层绝热体3，第二片变形体4，第n片变形体5，第n+1层绝热体6；图3是具有大进给力的智能驱动部件各片变形体结构示意图，图中y平行方向第二列加热电阻及温度传感器7、8、9、10，y平行方向第五列加热电阻及温度传感器11、12、13、14，y平行方向第八列加热电阻及温度传感器15、16、17、18，y平行方向第十一列加热电阻及温度传感器19、20、21、22，x平行方向第二列加热电阻及温度传感器23、24，x平行方向第五列加热电阻及温度传感器25、26，x平行方向第八列加热电阻及温度传感器27、28，x平行方向第十一列加热电阻及温度传感器29、30，绝热面31、32、33、34、35；图4是超精密平面磨床z方向二级进给结构示意图，图中砂轮36、磨头体37、纳米级智能驱动部件38、导轨39、立柱40、滚珠丝杆41、螺母42、床身43、工件台44、工件45。
具体实施例方式
本发明关键之处是把具有智能结构的各片变形体作为执行机构，根据热膨冷缩原理，通过控制各片变形体内具有网状结构的内部热源，使温度场发生改变，进而达到控制位移场的目的。由于纳米级驱动部件进给面的热位移直接作为主动进给，因而对热变形的研究从被动补偿转向主动应用。图2中，具有大进给力的纳米级智能驱动部件在结构上由各片变形体采用串联方式组成，目的在于不改变进给分辨率的条件下，尽量扩大进给范围。为方便控制，并防止各片变形体之间及变形体和联接部件之间相互导热，各片变形体之间及变形体和联接部件之间都采绝热材料隔热，绝热材料可选用石棉、玻璃棉、岩棉、欧文斯、软木板、纤维板等。各片变形体采用网状结构，目的是方便驱动部件实现自检、自适应、自学习的功能，并且保证纳米级智能驱动部件进给面的平面度，从而有效防止进给过程中应力集中的现象。
各片变形体都采用以Si为主要材料的对称结构，如图3所示。每片变形体由八层组成，每层都以Si作为衬底，在相应位置采用集成电路制作方法制成加热电阻及集成温度传感器。集成加热电阻的制作首先在硅衬底上热生长一层二氧化硅，并在氧化层上曝光刻蚀形成窗口，然后用离子注入(或扩散)掺进与硅衬底导电类型相反的杂质；集成温度传感器可以是温敏二极管，也可以是温敏电阻，温敏电阻的制作过程同普通电阻类似，只是一些具体工艺不同。各片变形体中各层都以硅作为材料，因此利用硅—硅键合技术，可以将已经生成加热电阻和温敏器件的二个硅片直接键合在一起，实现变形体的一体化制作，此结构的优点除硅片、加热电阻、温度传感器一体化制作外，因变形体各层都采用相同的材料能够消除因热膨胀系数失配引起的应力集中。
图3中各片变形体第一层和第八层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻7、11、15、19、10、14、18、22，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器7、11、15、19、10、14、18、22；变形体第二层和第七层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻7、11、15、19、10、14、18、22，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器7、11、15、19、10、14、18、22，并且在第二层和第七层的另一面沿X方向第二、五、八、十一列制成加热电阻23、25、27、29、24、26、28、30，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器23、25、27、29、24、26、28、30；变形体第三层和第六层沿X方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻23、25、27、29、24、26、28、30，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器23、25、27、29、24、26、28、30，并且在第三层和第六层的另一面沿Y方向第二、五、八、十一列制成加热电阻8、12、16、20、9、13、17、21，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器8、12、16、20、9、13、17、21；变形体第四层和第五层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻8、12、16、20、9、13、17、21，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器8、12、16、20、9、1 3、17、21。必须综合考虑x方向和y方向集成加热电阻的布置，防止加热电阻距离太近引起应力集中。由于每片变形体上下都有绝热层，且热源及传感器对称布置，因此在一片变形体中相当于有5个绝热面31、32、33、34、35，这样的对称结构有利于温度场及位移场的控制。
具有大进给力的纳米级智能驱动部件控制框图如图1所示。控制系统以单片机为核心，并且通过RS232C接口与计算机相连，从而可以享用计算机的一切软、硬件资源。目标位移量的输入可以经过键盘设定，也可以经计算机处理后下载。为了较好保证纳米级智能驱动部件进给面的平面度，变形体温度场必须均匀，尤其要求z方向各点的温度平均值相等。变形体温度场的检测采用一体化的集成温度传感器，由于变形体温度场变化是准静态的，选用多路开关切换方式的控制电路，此方式对准静态而言，既简化电路，又减少成本。对集成加热电阻的控制按列进行，共有m组。单片机的数据总线分时经m个锁存器后进入相应的D/A，信号调理后进行功率驱动，然后加以控制。采用网状结构对变形体进行加热，只要各列加热电阻的功率随环境、状态的变化作出相应调整，就能保证进给过程中进给面具有较好的平面度，其中，环境温度的检测可采用集成温度传感器DS1624。控制系统中既有各片变形体温度场的反馈，又有超精密位移进给量的反馈。温度场反馈主要用于变形体进给面平面度的控制，超精密位移量的反馈主要用于进给精度的控制。
图4是超精密平面磨床z方向二级进给示意图，第二级应用具有大进给力的纳米级智能驱动部件，是本发明的一个实施例。此二级进给系统具有进给范围宽、进给力大、精度高的特点，第一级为粗进给，通过交流伺服电机带动螺母旋转，从而导致滚珠丝杆z方向上下运动，由于滚珠丝杆、纳米级智能驱动部件、磨头体连成一体，因此滚珠丝杆上、下运动带动磨头体上、下运动，第一级进给的目的是扩大进给范围，提高进给效率；第二级为纳米级进给，当第一级进给完成后，即滚珠丝杆不再转动，通过纳米级驱动部件的微小进给，使磨头体上下作微小变化，从而达到Z方向高精度进给的目的。
权利要求
1.一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件，其特征在于，它由多片变形体、绝热体相间串联方式组成，各片变形体采用网状结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件，其特征在于所说的变形体采用以Si为主要材料的对称结构，每片变形体由八层组成，每层都以Si作为衬底，在相应位置采用集成电路制作方法制成加热电阻及集成温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件，其特征在于所说的每片变形体第一层和第八层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)；变形体第二层和第七层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻(7)、(11)、(1 5)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(7)、(11)、(15)、(19)、(10)、(14)、(18)、(22)，并且在第二层和第七层的另一面沿X方向第二、五、八、十一列制成加热电阻(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)；变形体第三层和第六层沿X方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(23)、(25)、(27)、(29)、(24)、(26)、(28)、(30)，并且在第三层和第六层的另一面沿Y方向第二、五、八、十一列制成加热电阻(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)；变形体第四层和第五层沿y方向第二、五、八、十一列制成集成加热电阻(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)，加热电阻附近相应位置等间隔制成集成温度传感器(8)、(12)、(16)、(20)、(9)、(13)、(17)、(21)。
4.根据权利要求1所述的一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件，其特征在于所说的绝热体材料采用石棉、玻璃棉、岩棉、欧文斯、软木板、纤维板。
全文摘要
本发明公开了一种用于超精密加工的具有大进给力的纳米级智能驱动部件。它由多片变形体、绝热体相间串联方式组成，各片变形体采用网状结构。本发明的优点1)采用对称的智能结构，使纳米级驱动部件能够实现自检、自适应、自学习的功能；2)智能结构能够保证纳米级驱动部件进给面的平面度，从而有效防止进给过程中应力集中现象，又纳米级驱动部件的每一片变形体及每一片中的每一层都采用相同的材料和相同的工艺，经一体化制作后能够消除因热膨胀系数失配引起的应力集中；3)智能驱动部件由多片变形体组成，结构上采用变形体和绝热体相间串联方式，从而在保证精度的前提下增大了进给范围；4)要求智能驱动部件实现大进给力的功能，在设计中降低了动态响应时间，因此此部件不适合高频进给场合。
文档编号B23Q1/34GK1472038SQ0311703
公开日2004年2月4日 申请日期2003年5月16日 优先权日2003年5月16日
发明者胡旭晓, 何卫 申请人:浙江大学