基于LIGA技術的微行星齒輪減速器(qì)的設計和制造
時(shí)間(jiān)：2018/3/24 14:26:00
摘要：使用同步輻射光和X 射線掩模闆的L IGA 技術能(néng)夠制造大深寬比的三維微結構。詳細討(tǎo)論了(le)基于該技術的微行星齒輪減速器(qì)的設計和制造，包括微行星齒輪減速器(qì)的設計、微齒輪X 射線掩模闆的CAD 技術、X 射線深層光刻、微齒輪的微電鑄和微複制，以及微行星齒輪減速器(qì)的微裝配。目前已經得到了(le)金(jīn)屬鎳的厚度為(wèi)400Lm 的太陽輪、行星輪，厚度為(wèi)200 Lm 的固定内齒輪、旋轉内齒輪，其齒數分(fēn)别為(wèi)15、11、36、39。用這(zhè)些(xiē)微齒輪裝配成了(le)一(yī)台模數為(wèi)0.03 mm、減速比為(wèi)44. 2、最大外徑為(wèi)2 mm 的微行星齒輪減速器(qì)，并将其成功地應用在直徑為(wèi)2 mm 的電磁型微馬達上(shàng)。
關(guān)鍵詞：3K- 2 型微行星齒輪減速器(qì)；微齒輪；L IGA；電磁型微馬達
微行星齒輪減速器(qì)可以降低(dī)微馬達的轉速，提高微馬達的輸出力矩，是微機電系統的重要組成部件。1994 年日本東芝技術研究所使用微細電火(huǒ)花技術(EDM ) 制造出了(le)模數為(wèi)0104 mm、減速比為(wèi)44.2 的微行星齒輪減速器(qì)[ 1 ]；1998 年，上(shàng)海交通大學用EDM 技術研制出了(le)模數為(wèi)0.06mm、減速比為(wèi)44.2 的微行星齒輪減速器(qì)[ 2 ]。使用同步輻射光和X 射線掩模闆的L IGA 技術能(néng)夠制造大深寬比的三維微結構，該結構側壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技術的特點，我們又研制出模數為(wèi)0.3 mm、最大外徑為(wèi)2 mm 的3K- 2 型微行星齒輪減速器(qì)。
1 微行星齒輪減速器(qì)的設計
圖1 是微行星齒輪減速器(qì)結構示意圖，a、g、b、e 分(fēn)别是太陽輪、行星輪、固定内齒輪、旋轉内齒輪。太陽輪是輸入輪，旋轉内齒輪是輸出輪。輸入輸出同軸。
圖1 微行星齒輪減速器(qì) 有3個(gè)理(lǐ)論中心距，分(fēn)别是太陽輪和行星輪的理(lǐ)論中心距aag，固定内齒輪和行星輪之間(jiān)的理(lǐ)論中心距abg，旋轉内齒輪和行星輪之間(jiān)的理(lǐ)論中心距aeg。3 個(gè)理(lǐ)論中心距彼此不同，為(wèi)了(le)保證齧合，在行星輪g 和别的齒輪之間(jiān)必須有一(yī)個(gè)共同的實際中心距。顯然，實際中心距的最大值amax 和最小值amin 之間(jiān)。為(wèi)保證微齒輪的加工性和齧合性，避免微齒輪幹涉，我們設定微齒輪的變位系數是正值，旋轉内齒輪的變位系數x e =0。因為(wèi)旋轉内齒輪的齒數最多，旋轉内齒輪的變位系數取為(wèi)0 可有效降低(dī)微減速器(qì)的尺寸。基于以上(shàng)設定，我們在amax 和am in 之間(jiān)插值，就(jiù)可以得到實際中心距為(wèi)[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了(le)實際中心距，根據通常行星齒輪減速器(qì)的計算(suàn)公式[ 5 ] ，就(jiù)可計算(suàn)出微齒輪的參數。表1 是模數為(wèi)0.03 mm 的微行星齒輪減速器(qì)的計算(suàn)參數。
關(guān)鍵詞：3K- 2 型微行星齒輪減速器(qì)；微齒輪；L IGA；電磁型微馬達
微行星齒輪減速器(qì)可以降低(dī)微馬達的轉速，提高微馬達的輸出力矩，是微機電系統的重要組成部件。1994 年日本東芝技術研究所使用微細電火(huǒ)花技術(EDM ) 制造出了(le)模數為(wèi)0104 mm、減速比為(wèi)44.2 的微行星齒輪減速器(qì)[ 1 ]；1998 年，上(shàng)海交通大學用EDM 技術研制出了(le)模數為(wèi)0.06mm、減速比為(wèi)44.2 的微行星齒輪減速器(qì)[ 2 ]。使用同步輻射光和X 射線掩模闆的L IGA 技術能(néng)夠制造大深寬比的三維微結構，該結構側壁陡峭，表面平整[ 3 ]。利用LIGA 技術的特點，我們又研制出模數為(wèi)0.3 mm、最大外徑為(wèi)2 mm 的3K- 2 型微行星齒輪減速器(qì)。
1 微行星齒輪減速器(qì)的設計
圖1 是微行星齒輪減速器(qì)結構示意圖，a、g、b、e 分(fēn)别是太陽輪、行星輪、固定内齒輪、旋轉内齒輪。太陽輪是輸入輪，旋轉内齒輪是輸出輪。輸入輸出同軸。
圖1 微行星齒輪減速器(qì) 有3個(gè)理(lǐ)論中心距，分(fēn)别是太陽輪和行星輪的理(lǐ)論中心距aag，固定内齒輪和行星輪之間(jiān)的理(lǐ)論中心距abg，旋轉内齒輪和行星輪之間(jiān)的理(lǐ)論中心距aeg。3 個(gè)理(lǐ)論中心距彼此不同，為(wèi)了(le)保證齧合，在行星輪g 和别的齒輪之間(jiān)必須有一(yī)個(gè)共同的實際中心距。顯然，實際中心距的最大值amax 和最小值amin 之間(jiān)。為(wèi)保證微齒輪的加工性和齧合性，避免微齒輪幹涉，我們設定微齒輪的變位系數是正值，旋轉内齒輪的變位系數x e =0。因為(wèi)旋轉内齒輪的齒數最多，旋轉内齒輪的變位系數取為(wèi)0 可有效降低(dī)微減速器(qì)的尺寸。基于以上(shàng)設定，我們在amax 和am in 之間(jiān)插值，就(jiù)可以得到實際中心距為(wèi)[ 4 ]
a = amin + 0.76 (amax - amin)
有了(le)實際中心距，根據通常行星齒輪減速器(qì)的計算(suàn)公式[ 5 ] ，就(jiù)可計算(suàn)出微齒輪的參數。表1 是模數為(wèi)0.03 mm 的微行星齒輪減速器(qì)的計算(suàn)參數。
表1 模數為(wèi)0.03mm的微行星齒輪減速器(qì)的計算(suàn)參數 X射線掩模闆的CAD技術及加工
在用L IGA 技術進行加工時(shí)，需要先制作(zuò)出X 光掩模闆圖形，掩模闆圖形是通過矩形窗口在光刻膠上(shàng)連續曝光而形成的。因此，用LIGA 技術制備微齒輪的第一(yī)步是要把齒輪進行矩形分(fēn)割，且矩形窗口在0.1～ 150μm之間(jiān)(視(shì)掩模闆曝光機技術參數而定) ，分(fēn)割要包容所有的區域，隻允許重疊，不允許遺漏，否則，曝光不到的地方将不能(néng)顯影成圖形，齒輪的制作(zuò)也(yě)隻能(néng)以失敗告終。基于以上(shàng)考慮，将各個(gè)微齒輪圖形分(fēn)割成無數個(gè)長方形圖形，并在坐标系中以五參數(M 、N 、Q、a、b)表示，其中M 、N 為(wèi)長方形中心坐标，Q 為(wèi)長方形一(yī)邊與水平軸夾角，a、b 分(fēn)别為(wèi)長方形的邊長。太陽輪、行星輪、固定内齒輪、旋轉内齒輪分(fēn)别被分(fēn)割成1095、803、1548、1443 個(gè)曝光矩形窗口。這(zhè)些(xiē)矩形窗口轉化(huà)成曝光機可識别的加工數據文件輸出。圖2 是太陽輪、外輪齒分(fēn)割圖，圖3 是内齒輪、内輪齒分(fēn)割圖。
太陽輪、外輪齒分(fēn)割圖