1.J习飞嚼JJ，dJIJIJJ 、?，刃 新型纳米导轨 赵美蓉曲兴华陆伯印 ( 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 3 0 0 0 7 2 ) 搁要 本 文 研 制了 一 种 新 f m 米 导 轨 该 导 轨 为V 形滑 动 摩 擦 导 软， 其 设 计 符 合动 力 学 原 理， 结 构 简 单， 精 度 极高 ， 导 轨系 统 自身的谐振频率很高。 此外， 运动副之间的摩擦磨损小， 导轨运动灵活平稳， 驱动个自由度， 滑架只产生一个自由度的运动。 将该导轨应用于我们开发的纳米激光干涉仪中， 取得厂良好的效果。 本文对导轨的结构、 选材和性能进行了深入研究和阐述. 要滋词导轨纳米纳米测量滑动导轨 N e w - s t y l e N a n o me t r i c S l i d i n g G u i d e Z h a o M e ir o n g Q u X in g h u a L u 竺少 ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P r e c i s i o n M e a su r i n g T e c h n o l o g y a n d I n s t r u m e n t s , l ia n j in U n i v e r s i t y , 3 0 0 0 r Z ) A b s t r a c t A n e w - s t y l e n a n o m e t r i c s l i d i n g g u id e h a s b e e n d e v e l o p e d i n o u r r e s e a r c h w o r k . T h e t y p e o f t h e g u id 4 is V , a n d t h e s p e c i m e n c a r r ia g e i s k in e m a t i c a l l y s u p p o r t e d o n t h e g u i d e w i t h f i v e p a d s . I t o b e y s t h e t h e o r y o f 1 l y - n a m i c s . T h e s t r u c t u r e o f t h e s l i d e w a y is s i m p l e , t h e a c c u r a c y a n d t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f it s a r e u l t r a - h i g h . 寸 h e m o t i o n o f t h e s l i d e i s v e r y s t a b l e a n d f l e x i b l e . I t s a p p l i e d t o o u r n a n o m e t r e la s e r i n t e r f e r o m e t e r , a n d t h e e f f e c 仁 i s e x c e lle n t . T h e s t ru c tu re d e s ig n ,m a te r ia l s e le c tio n a n d p ro p e r tie s o f th e s lid in g g u id e a re p r e se n te d in th is p a 外 ， K e v w o r d s G u i d e N a n o m e t r e N a n o m e t r o l o g y S l i d i n g g u id e 1 引言 对于纳米计量来说， 只有纳米标尺和纳米探头还 不够， 还需要有高精度的纳米导轨。 从导轨的发展历史 看， 对于超精密导轨来说， 还是以摩擦导轨最为常用， 它不仅精密且谐振频率高， 加工精度易于保证， 适用于 高精度测量。 摩擦导轨可分为内摩擦导轨和外摩擦导轨。内摩 擦导轨( 如挠性铰链机构) 精度很高、 灵敏且滞后小， 但 行程难于加大， 宜于作超微动工作台我们研制的V 形导轨属于外摩擦导轨， 其加工工艺性好， 易于精密加 工 ， 可实现大量程纳米测量， 具有 良好的性能 2 V形导轨的结构设计 该导轨属于滑动摩擦导轨. 如图1 所示， 其设计符 合动力学原理， 在导轨滑架上装有五个短销作支垫， 受 力稳定可靠。 从运动学角度看 ， 符合六点定位原则。 垫 的端部是半径为 2 0 0 mr n的球面， 既可保持良好的小面 积 接 触， 减 少 摩 擦 ， 受 力 稳 定， 保 证 高 精 度 ， 又 可 确 件 -9 k 轨 表面的应力 小于导轨材 料的 屈服极限， 故定位 精确 可靠导轨的几何参数如下: 1 . V形导轨的角度。V形角 a 9 0 0 . 导向性较差。故选取a = 9 0 . 2 . 导轨尺寸。 如图1 所示， 对于测量范围为5 0 m m 的导轨， 取导轨宽度为 7 0 m m， 长 2 0 0 m m,滑架长 1 7 0 m m。取较长的运动导轨， 有利于改善导向精度和 运动的可靠性。 3 支 垫 的 位 置 滑 架 由 五 个 垫 支 撑 ， 若 使 五 个 垫 所受的力是相等的， 则根据力平衡理论， 应使 2 1 , 4 2 1 , + 1 :若 取I ， 一 l o m m , I : 一 3 0 m m ， 则I 一 3 5 m m 。 在 珠度 方向上， 垫 1 , 2 及4 , 5 应以垫3 所在中心线对称分布。 4 驱动力的位置。为使导向精度高， 五个垫所受 压 力 均 匀 ，根 据 力 平 衡 理 论 ，经 分 析 计 算 得 驱 动 力 呻 位 置应在导轨体顶端正下方， 距顶端约为2 0 mm处。 r匕 一益兹潇 第4 期增刊 新型纳米导轨 3 导轨材料的选择 为使导轨获得高精度， 且耐摩性好， 运动灵活平 稳， 需要合理选择导轨运动副的材料 小， 耐磨， 且静、 动摩擦系数之差小， ，使 摩 撰 夔 的 以减小爬杆 ， 摩擦 提高 么 在 导 轨 表 面 镀 上 2 。二 的 镍 ，再 用 离 圣 睡 攀 方 式沉积上2 0nm的二硫化钥润滑层。 3 . 垫的材料可选用金钢石或镀上氮化钦保护层 的蓝宝石; 也可选用新型材料聚酞亚胺或聚对径基苯 甲酸脂等自润滑材料， 其喷涂膜的摩擦系数可低达 0. 0 0 0 5 。 运动精度。 4 导轨性能 图I v形摩擦导轨 一般说， 摩擦表面粗糙度、 材质、 接触压力、 滑动速 度、 工作温度、 润滑条件等对摩擦系数均有一定的影 响。为此， 我们在导轨体的材料选定为钢的情况下， 对 短销支垫选用铜、 铝、 钢和聚四氟乙烯 P T F E ) 四种材 料， 又对每种材料使用液体石蜡、 缝纫机油、 特 3 号精 密仪表油及对它们分别加入 1 %的油酸添加荆这六种 润滑油进行了摩擦系数测定， 其宗旨是寻找摩擦副的 材质及润滑条件对摩擦系数的影响。 从实验数据上我们发现， 聚四氟乙烯与钢导轨相 配有着小的摩擦系数. 其最大静摩擦系数仅为 。 . 02， 动摩擦系数为。 . o 18， 静、 动摩擦系数之差仅为。 。 2 所以， 我们最终选定用低碳钢经渗碳、 淬火、 时效 处理、 精研后作导轨面， 用聚四氟乙烯作支垫， 取得了 良好的效果 对导轨材料的选取， 我们还作了如下 探讨: 工 . 导轨可选用石英、 玻璃。 对玻璃加工， 其平面度可 达 (0 27 一4 1 ) nm ， 玻 璃导 轨的 爬行 可 在 几埃 之内 1导 轨精度 为确保在 1 0 o m测量范围内， 由导轨的直线度误 差引起的测量误差小于I n m， 则导轨在 2 00m m全长上 直线度加工误差应小于 1 0si n o ( 0 为直线度角值) 。 经计 算. 导轨直线度误差小于4 产 m即可。我们研磨后的导 轨， 其直线度误差小于。 . 2 拜 m， 所以由该项误差引起的 测量误差很小， 仅为2 xl 。 1O L ( L为被测位移) ， 可以 忽略不计。 4+ 2 导轨 刚度 为了保证机构的工作精度， 设计时应保证导轨在 自身重力载荷下产生的静态变形不超过允许值1 ， 。 导轨刚度主要取决于载荷作用下导轨的弯曲变形和其 工作面间接触变形的大小。 经计算， 我们制作的导轨滑 架最大变形量为。 . 9 3 6nm 1 8 4 5 - 1 3 6 0 一 殷纯永等 质量工程导论. 中国计量出版社， 1 9 9 8 一呀 . 今 ，十牛-一 一 牵 . 令 ， 命 . - 一争 ， . ，令 一 ， 月 今 一 今 一 伞 . 令 .， 一 ， 个 . 令 . ， . ， 一- 一， 个 一 今 . 命 . 州 卜. 一， 一.令 . 知 . 劫 卜 墓 ( 上接第 4 5 页) 界速度为。 . 1 5 u m/ s ， 完全可以满足我们的使用要求n 4 5 导 轨的 谐振颇率 为了减小振动的影响， 应使导轨的谐振频率大于 抗振工作台的谐振频率。 经计算， 该导轨的谐振频率f = 4 k H z ， 比杭振工作台的谐振频率高约4 0 0 0倍， 大大 减小了振动的影响 综上所述， 我们设计的导轨具有精度高、 耐磨性 好、 运动灵活平稳、 谐振频率高、 加工工艺性好等优点， 是一种理想的纳米导轨。将该导轨应用于我们开发的 纳米激光干涉仪中， 取得了良好的效果， 保证了 纳米测 量的实现 参考文献 1陆 伯 印 等 . 大 位 移 纳 米 级 精 度 分 子 侧 量 机 的 研 究 . 雄 器 仪 表学报. 1 9 9 3 , 1 4 ( 1 ) . 2 K . N a k a y am a 等 . 精 密 物 理 量 测 量 和 纳 米 计 量 ， 申 夕 卜 计 量, 1 9 9 3 , 1 . 3 赵美蓉. 纳米级精度激光位移测量技术的研究 天津大学 博 士 学 位论 文 、 1 9 9 6 . 一 酒 召