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旋转弯曲轴承的微加工 摘要 本研究方案提出了一种新型的以研究旋转弯曲轴承为基础的弹性弯曲的设 计方法。轴承在一个完整的旋转振荡周期里具有潜在的高重复性流畅的运动、无 机械磨损、无需润滑、没有间隙或接口、无需维护的特点。除了其紧凑的特点外， 该研究还从其结构特点和弯曲轴承的基本工作原则对轴承的各个方面， 包括材料 的选择、应力分析和计算（如非线性有限元分析、静态和疲劳强度设计）、运动 误差分析、误差减少方案、参数化设计等提供了设计分析。 关键词：主轴、有限元方法、旋转弯曲轴承。  1.绪论 特征尺寸小的工业产品正变得更为重要。这些产品分布在许多行业，包括机 床、汽车、医药、电子、光学、制药和通信。这些可以是微型机器 （M­机器） 或微型设备 （M­设备），它们通常具有体积小、重量轻、高能量转换效率和低能 耗消耗、快速响应、高可靠性、低成本、高集成度、高智力水平的特点。典型的 例子有 M机床、M机器人、M 飞机、M潜艇、M、M 医疗设备、M 卫星、M 齿 轮、M泵、M 阀、M传感器和 M 驱动器。大部分微型机械设备都具有的一个共 同特点是：其结构也越来越复杂，往往是三维的而它们的尺寸也越来越小，这对 它们的生产问题是一个非常大的挑战。现有的 MEMS 和 LIGA 技术已被广泛应 用在 2­D 和 2.5­D 的微型制造中，然而，它们不能提供 3­D 的微型制造能力，因 此一个重要的和富有挑战性的研究课题是能够用  3­D  的微型制造技术把微型机 器设计或微型设备达到纳米级精度的水平。 这项研究提出了一种新颖的旋转弯曲轴承能够实现高转速/振荡运动精度的 设计方法。这轴承是针对微型制造精密计量的使用，如 M­EDM、M­ECM、超声 波 M­加工、激光 M­加工、三坐标测量机。轴承的设计是以弯曲机制为原则的， 通过弹性变形的弹性弯曲实现一个周期的旋转/小值振荡运动。  2.拟议的旋转弯曲轴承 图 1 显示了一个旋转弯曲轴承示意图，它有三个轴承部分并配置了一个微型 的主轴单元。轴承有内部和外部的轴承笼，轴承轴耦合连接到一个微型的伺服电 机（外部电源）。轴承引导轴承轴旋转/小值振荡运动期望获得非常高的准确性。 整个设计的尺寸紧凑，没有任何冗余。利用耦合可以最大限度地减少错误扭矩的 传输并避免造成轴承轴和伺服电机轴之间的可能不对称以及振荡或伺服电机的 运动误差，这样一来轴承的旋转/小值振荡的精度都能够得以保证。  2.1 一般的设计方法 轴承必须满足以下的要求：  1.应该能够完成一个完整的旋转/振荡运动周期；  2.必须具有足够的强度和较长时间的疲劳寿命；  3.具备纳米级旋转运动精度的水平或更好；  4.结构紧凑，以适应各种微型机器或设备的有限空间。 在拟议的设计中，内部和外部的轴承笼嵌套连接在一端（图 1左端）。 图 1 微型主轴轴承配置的示意图 虽然轴承可以作为一个单一的没有任何接缝的结构设计， 拟议的两片设计纯粹是 基于制造角度考虑的，因为单片的设计制造是极其困难的。在圆周方向，轴对称 安排在内部和外部的笼子里轴承的弹性弯曲是灵活的， 但在其他方向就会变得比 较僵硬。可以得到 360°（一个完整的周期）或者更大的旋转/振荡运动，如果 取一个较大的角位移 （如＞360°）则需要添加更多轴承部分的设计，但这样会 使轴承更长刚性变差。 否则， 轴承具有紧凑的结果和相对较高的刚性强度的设计。 应当指出，从理论上说轴承应无运动误差。实际上，运动误差会因为轴承制 造和装配过程中所涉及的各种误差而产生，它也可因轴承的材料缺陷而引起。因 此因根据以下考虑轴承的设计： 2.1.1 使用直弯曲轴承 相比其他类型的弯曲轴承，直弯曲轴承具有一定的优势，例如它的弯曲应力 分布在整个弯曲轴承中而不是遵守集中在一定压力条件下。 直弯曲轴承能够有效 的抑制应力集中， 同时这反过来又提供了更多的在材料疲劳极限的合规性和更长 的疲劳寿命。此外，直弯曲轴承厚度小，但在旋转方向和其他方向刚度较高时具 有更大的灵活性。 2.1.2 使用对称轴承 在减少或消除轴承误差上对称设计是一个非常有效的设计手段。在本设计 中，相同的弹性弯曲轴对称排列并均匀分布在轴承上，这样将有助于抑制径向、 轴向和倾斜方向的运动误差周长。同时，这种轴承