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纳米级定位应用于工业加工

作者:C.G. Masi, Control Engineering资深编辑2009.03.22阅读 10118

  曾几何时,万分之几英寸就被认为是高精度了,而如今,人们对精度的要求已经达到了亚微米量级。
  40年以前,在数控机床的年代,标准的机械容差是千分之几英寸,随后,万分之几英寸才能算作高精度,今天控制工程网版权所有,先进的自动机床的容差可以低于1微米,那可是0.00004英寸。
  当尺度降低到几分之一微米或者更小,我们就来到了纳米技术的世界——这个世界里的物体只有几百纳米或者更小。在这个世界里,规则大不一样。传统的测量技术在物理上变得不可实现,靠精密滚珠丝杠实现测量的设备已经力不从心了。
  人类无法对纳米尺度有直观的感觉,纳米世界与我们的宏观世界相差甚远。一些已浸淫在纳米世界中达数十年的科学家,为我们如此描述纳米世界与宏观世界的相对尺寸:
  ■ 10个氢原子几乎精确地等于1nm。
  ■ 绿色光的波长约等于350nm。
  ■ 病毒(或者应该用复数)尺寸从几十纳米到数百纳米不等。
  ■ DNA分子宽度是2.2到2.6nm。
  ■ 然而一条完整的DNA的长度几乎肉眼可见,达到73000000nm,或者约为0.075mm。
  ■ 最新微处理器内的最细微结构的宽度为45nm。
  ■ 如果1微米被放大到这本杂志展开

的宽度,那么1纳米就有1/32英寸。
  在1微米以下尺度,应用技术的变化很显著。反馈设备的极限很容易就达到了,因为电机无法完成如此精细的动作。越来越多的工程师,不得不考虑这种境况,因为确实有某些应用需要在1/10纳米尺度进行定位。
  在那种尺度下工作涉及到的问题包括:缓慢工作,每秒纳米级的移动。做个参照的话,这种移动比头发的生长还要缓慢。这种精度要求不同等级的控制能力和反馈设备。当如此缓慢地移动的时候,每个细微移动的数据量都很少,所以你必须能够根据很少的数据量完成线性运动。

纳米技术应用于工业加工
蓝-绿光具有500nm的波长。如果这个波长被放大到这本杂志平摊开那么长,
那么1nm就近似于1/32英寸那么长了。

  古老的成就,全新的技术
  尽管近期对“纳米技术”的宣传铺天盖地,然而最古老的纳米技术其实是纳米材料的制备。例如,16000年前,法国西南部Lascaux远古人类绘制的色彩精美的石洞壁画,所使用的就是精细研磨至纳米尺寸的金属氧化物颜料。

类祖先在16000年以前使用研磨至纳米尺度的氧化物粉末绘制精美的作品
  图片来源:GettyImages
  人类祖先在16000年以前使用研磨至纳米尺度的氧化物粉末绘制精美的作品。

  1981年,IBM苏黎世的研究员Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM ),1986年www.cechina.cn,Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber又一起发明了原子力显微镜(AFM),至此,纳米定位才开始在实际应用中获得重视。
  这些设备实际上利用了逆压电效应,当被施加静电电势时,结晶材料的外形和尺寸会发生变化。逆压电效应可以以两种方式来产生纳米尺度运动:
  ■ 直接运动,由静电材料制作成的结构直接推动目标,产生运动。
  ■ 压电电机,也叫做超声波电机CONTROL ENGINEERING China版权所有,在超声波频率下充电的一定数量的微结晶交替伸缩CONTROL ENGINEERING China版权所有,产生运动,就像毛毛虫的腿一样。
  逆压电效应的效果实际上很微弱,要使厚度为10mm的一片锆钛酸铅(PZT,最常用的压电材料)厚度改变100nm,需要2670V的电势。
  实际的直接运动压电执行器需要堆砌很多元件。它使用100片已经充电的0.1mm的薄片,而不是一片,这些薄片平行堆砌,将电压降低100倍,达到27V。
  直接运动执行器受限于很小的总运动距离,大约为100nm,但是它却可以获得很高的精度。对上面提到的100片的执行器,使施加电压改变2.67V,可以改变厚度10nm。
  值得注意的是这种压电执行器可以提供高达1000磅的力和高达1000个g的加速度。
  压电电机解决了受限运动和系统解析度之间的平衡问题,它们可以做线性运动也可以作回转运动。
  线性版本的执行器最容易理解。想象一下2个平行的静止机构,中间是可以自由移动的柱塞。一排“足”与一个静止机构相连,并延伸到2个静止机构之间的空间,与柱塞接触。另一个静止机构也有一排“足”,与柱塞的另一侧相连。每一排“足”都有偶数个。
  每个足有两部分组成:纵向的“腿”的长度可以随施加电压变化而变化,前端是剪切运动的“脚”,当施加电压时可以向一边或者另一边扭转。“足”借此将柱塞向指定的方向以纳米步距推动。通过较高频率地重复这种步伐控制工程网版权所有,就可以快速地将柱塞移向两边,无区间限制,同时具有纳米精度。
  回转压电电机的制作方法类似。回转单元不是将足线形排列在直柱塞的两侧,而是将足分布于环形定子内,与转轴接触。

基于逆压电效应的线性电机具有多组与静止机构连接的
  图片来源: Physik Instrumente 和 Control Engineering
  基于逆压电效应的线性电机具有多组与静止机构连接的“足”,这些“足”驱动柱塞进行纳米尺度的步进。

  反馈控制
  在

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