摘 要

随着MEMS制造中的器材封装与组装、生物医学工程、精密光学工程、高速精密加工及高速扫描检测等领域的快速发展，对定位系统的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求。然而大行程与高精度始终是一对矛盾，高精度定位系统希望机构运行平缓，而高生产率又希望系统高速大行程运动并高速启停，如何协调两者之间的关系至关重要。目前，实现大行程运动的同时达到精密定位已成为当前微加工领域一个亟待解决的问题。

由于精密定位技术应用领域的广泛性、对高科技发展影响的重要性，因而一直是各个发达国家的科研机构、高等院校和大型企业研究的重点。为了较好的协调和解决大行程与高精度之间的矛盾，本文设计了一个宏微复合驱动精密进给工作台。该机构分为宏动部分和微动部分，宏动部分通过高性能直线电机直接驱动，滚动直线导轨完成导向，避免了大多数双重驱动机构由滚珠丝杠传动而产生反向间隙、惯性和刚度不足的缺点，完成大行程的微米级定位；微动部分通过压电陶瓷驱动器来驱动，柔性铰链机构进行导向，可实现纳米级的定位精度。安装在微动台上的精密光栅尺进行位置检测完成全闭环位置反馈。此机构兼备直线电机可大行程运动和压电陶瓷响应快、定位精度高的优点。

主要设计内容:1.以传统直圆型柔性铰链为基础，设计了一种大位移，低耦合位移的新型柔性铰链机构。

2.设计了一种串联的宏微工作台，操作空间较大，操作灵活。

3.采用压电陶瓷驱动微动台，对压电陶瓷的特性进行了研究，并计算出预紧力。

4.对直线电机，导向装置和位置检测装置进行了选型和安装设计，使机构结构简单紧凑。

关键词：宏微复合驱动 直线电机 精密定位 精密光栅尺

ABSTRACT

As the equipment for production of MEMS packaging and assembly, bio-medical engineering, precision optical engineering, high-speed precision machining and high speed scanning detection in the areas of rapid development, the stroke, speed, acceleration and precision of the positioning system put forward higher requirements.Large travel and high precision is always a pair of contradiction, however, want to smooth operation, high precision positioning system with high productivity and want high speed large stroke motion system and the start-stop, how to coordinate the relationship between the two is very important.At present, making a big trip movement at the same time to achieve precision positioning has become a current problem to be solved a chip packaging industry.

Because of precision positioning technology application in the field of universality, the importance of the impact on the high-tech development, thus has always been a scientific research institutions, colleges and universities in the developed countries and the focus in the study of large enterprises.In order to better coordinate and solve the contradiction between the two, this article designed a macro micro compound drive precision feed table.The bench by the high performance linear motor direct drive macro moving parts, rolling linear guide to complete the guidance, to avoid the most double driving mechanism of the macro dynamic unit have reverse clearance of ball screw drive, the shortcomings of inertia and stiffness, complete with large stroke micron grade positioning;Micro parts can be driven by piezoelectric ceramic actuator, flexible hinge mechanism to guide, nanometer resolution and positioning accuracy can be realized.Installed on the micro precision grating ruler to complete full closed-loop position feedback position detection.The agency has both linear motor can be large stroke motion and piezoelectric ceramic the advantages of fast response, high displacement resolution.

The main design content：On the basis of the traditional straight circular flexible hinge, we design a large displacement, a new type of flexible hinge mechanism displacement of low coupling.Design a series of macro micro workbench, operating space is larger, flexible operation.Driven by piezoelectric ceramic micro machine, studied the characteristics of the piezoelectric ceramics, and calculate the pre-tightening force.For linear motor, guide and position detection device for the selection and installation design, make the simple and compact structure.

Keywords：Macro-micro compound drive linear motor precision positioning precision linear encoder

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 Ⅳ

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外关于精密定位平台的研究现状 1

1.2.1国内大行程精密定位现状研究 2

1.2.2国外大行程精密定位的研究现状 2

1.3宏微双重驱动精密定位平台的关键技术与问题 4

1.4论文的研究内容 4

第2章 宏微复合驱动精密进给工作台的设计 5

2.1 常见的宏微复合驱动定位台结构介绍 5

2.2宏微复合进给精密工作台的总体设计 5

2.2.1 驱动源 6

2.2.2 传动机构 7

2.2.3位置测量与反馈装置 8

2.3 宏微双重驱动控制原理 8

2.4 本章小结 9

第3章 直线电机驱动宏动部分的结构设计 9

3.1直线电机的选型、安装与使用 10

3.2滚动导轨的选型与安装 11

3.3 本章小结 12

第4章 压电陶瓷驱动微动部分结构设计 12

4.1压电陶瓷特性分析 13

4.1.1压电陶瓷的电场效应 13

4.1.2 压电陶瓷驱动器 13

4.2 柔性铰链的设计计算 14

4.2.1 柔性铰链的结构形式 14

4.2.2柔性铰链的设计 15

4.3 预紧装置设计 20

4.3.1 预紧力的计算 20

4.3.2 预紧装置的设计 21

4.3 本章小结 21

第5章 位置检测装置 23

5.1精密光栅尺的结构与安装 23

5.1.1精密光栅尺的结构 23

5.1.2 精密光栅尺的安装 23

5.2本章小结 24

第6章 成果与展望 25

参考文献 27

致谢 27

第1章 绪论

1.1课题背景

由于MEMS（微电机系统）、生物医学工程、集成电路制造与IC封装、微型零件的操作与装配等领域的快速发展，迫切需要能够在微米级甚至在纳米级精度上进行精密定位的系统及装备。同时，这些需求反之也推动了精密定位技术的发展与革新，使定位越快速，行程更大，精度越高。

目前我国芯片封装水平与国外先进水平仍有很大的差距，我国芯片封装设备的85%依赖进口，在西方发达国家技术封锁下，高端的设备引进受到外部环境的制约。因此，我国迫切需要开展面向先进芯片封装的先进制造领域的高精度定位技术的研究。

一般宏微双重驱动系统定位为：宏/微双重驱动系统包括宏、微操作系统两个子系统，宏动部件以地面为参考物，实现大行程，微动定位部件附着在宏动定位部件的末端，微动定位部件以宏动定位部件为参展物，实现高精度定位。本文中宏微复合驱动精密进给工作台实现了200毫米的宏观位移，位移精度为；也能进行20的微观位移，位移精度为10的长行程，高精度定位。