・８８・ 科技论坛 微型机械设计基础研究 张冰张焕德 （许继集团结构公司，河南许昌４６１０００） 摘要：微型机械系统在设计时，由于存在一些基础问题没有解决，使微型机械的发展比较缓慢。本文就微型机械设计基础研究的重 要性做了研究，希望可以给设计师在微型机械设计中带来一些灵感。 关键词：微型机械；设计；研究 睥敝日益发展的今天，微电子们械迳醐跳进入了机鄙穗ｌ页域，使微电在研 影响下的变形响应和失竞 蚌。ｃ研字＆微摩擦学，从原子币口分子的 研究原子和分子问相互运动碰撞产生的作用力，变化和损伤机 子与机械融为—体，制造出结构复杂和功能独特的微型机电系统。微型机 角度考虑，以及对策自勺方法。 电的特点是体积小、重量轻、耗能低和性能稳定，有利于生产。在生产过程 理，３２衔机 开究的分支学科 中，由于微型机电ｆ４ ｊ、，在一定程度Ｅ可以节约原料成本。由于微型机 随着铹吨『【捌 断 龈， 机械的研究内容还出现了 学科： 电有陨性小、谐振频率高、响应时间短、附加值高等优点，使微型机电广泛 ３．２．１微机构学。微机电研究内容的主要部分是 构学。微机构学就 应用于生物医药、军事、工业和农业等各方面，预计可以带来巨大的经济 转化一些运动等功能，依靠这些功 效益。本支 牧型枕柳｝ｉ殳ｉ十基 蛳耽的重要性做了研究，希 ＿星可以给设计 是要求在—个很小的空间里传递能量，能完成—些指定的动作，并且达到一些精确度。但是由于空间很小，可供 问珀 胡市贽设计中 灵感。 支配的能量有限，就需要在设计微机械时，尽可能 啦用构造零件。根据 １微型机械研究设计的现状 微机构学的主要研究内容如下：ａ在研究微机构时，应 在我国科技水平逐步完善的背景下，我国也在硅微细加工、光刻电铸 微机电系统的特点，加工等力１１工领域有了突飞猛进的发展趋势，已经设计和制造出了很多不 该秉着微型化和低耗能的原则进行研发和设计，根据多功能微组合机构 同的微型器件，例如微齿轮齿条行星齿轮机构、ｊ 粥仑机构等。与此同时， 研究，微机构与微电子或微光器件等的集成系统的合理组成原理进行设 国外也－在微型机械领域中取得了显著的突破。由此可以看出，在我们不懈 计研发。ｈ主要分析衔栅构及其组合系统的动力学，研究微机电系统弹性 生系统动力学研究以及产生。 在制造时产生的 地 力研究下，已经可以初步角 柳敲系统 三ｉ５ 计时的—些 问 动力学与多柔｝误差，构件之ｌ司的弹性，运动时产生的摩擦等，对【：述运动严格分析。 题，使微型机械的发展不在那么缓慢。 随着对微型机电系统不断深＾研究，人们已经开始对微型机电系统 ３．２２微构件材料力学。用于制造微构件的材料不仅要保证微机械的 有了初步地了解。由于对微型机电系统只是初步地了解，所以对微型机电 性能要求，还必须满足纳米加＿丁方法时所要求的条件，因此，材料类别和 系统研究中很多存在的基础问题仍然没有力、ｉ去解决，造成了大家只敢看 它们的物理ｌ生能与传统机械不同。如果构件在一定程度内进行了缩小，构 导致材料的机械陛强度增强，就会出 不敢动手操作的现状，即使有人大胆动手操作，微型机电也不能正常运 件内部材料的缺点就会进一步减少，作。分柿 现象出现的原因，是由于我们现在还没有成型的微系统理论 现尺寸效应。由于微构件的抗拉强度、断裂韧度、疲劳强度以及残余应力 所以这些上述的物理量都需要重新定义。 知识，致使＾们对微观条件下机械系统的运动规律等理论知识不是很了 等都和大构件不—样，３．２．３微摩擦学。在危机点系统 十中，对摩擦学研究突出了很多的要 解。对微型机械研究中，只是单圣 求。在微机械中，由于｛ 彻械没有太大的能源，所以不会有太大的摩擦力， 微型机械的出现，不仅是科技发展的必然结果，也是人们追求事物极 在这种睛况下，我们就要尽可能实现零摩擦，使摩擦损失的能量降到最少。 限的需求。当—个事物的尺寸小至微米或纳米级肘，就需要更先进的科技 如果能达到零摩擦，我们就可以大大地提高微机械的运行效率和微机械 技术来维持，否则会出现很多新的问题。微型机械中的构建材料与宏观机 的使用寿命。摩擦学主要研究内容有：ａ滑动磨损中，分子的转移规律，如 械的构建材料是不—样，一旦微型机械中的构建材料出现问题，传统的机 何取用材料，可达到零摩擦。邮 氐摩擦材料的开发。ｒ袁面薄膜涂层微摩 械理论根本就派不上用场。 擦磨损幽色与应用研究。 微型机械研究发展到现在，我们已经可以制造出很多微型机械的零 ４结论 件，但是，由于现在还没有成型的微系统理论知识，所以要将这些微型机 在科技日益发展的今天，微小型的微电子机械逐渐地进入了机械领 械的零件组合成微型机电系统，并发挥它的功效是十分困难的。现在，在 域，使微电子与机械融为一体，制造出结构复杂和功能独特的微 机电系 微型机电系统研究中存在许多有关微摩擦学、微热力学等问题，严重影响 统。微型机电的特 黾【本积小、重量轻、耗自 氐和ｌ生能稳定，有利于生产。在 了微型机市艇行的可靠性，甚至导致微型屯兀械严重损坏的现象。 生产过程中，由于ｊ 机电体积小，在一定程度上可以节约原料成本。由 总而言之，由于微型机械系统在设计时存在—些基础问题，已经严重 于微型机电有 『主，／Ｊ、、谐振频率高、响应时间短、附加值高等优 ，使微型 拖累了微型机电系统的发展，所以对微型机械微系统基础理论的研究已 机电广泛应用于生物医药、军事、工业和农业等各方面，预计可以带来巨 经刻不容缓。如今，微型机械微系统基础理论的研究主要以三个方面为中 大的经 嗌。随着对微型机电系统不断深入研究，人们已经开始对微型 心： 机电系统有了初步地了解。由于列铹＿型机电系统只是初步地了解，所以对 ａｊ瞰 ｝下微系统的运动规律、微小构件的物理特『生和受载 微型机电系统研究中很多存在的基础问题 燃没有力、｝去解决，使微型机 之下的力学行为以及物理、化学和生物效应等方面的研究，我们从中得到 械的发展比菠缓陧。本文就敞型机械 ｝｝｝研究的重要陛做了研究，希 望可以给设计师在微型棚械设计中带来—些灵感。 规律，为微系统基础理论的研贫攒 ｝依据。 ｈ在研究物理、化学和生物原理的基础上，探索微型化和集成化的新 参考文献 理沦，开 功能的系统，从而开发新的技术领域。 『１］莫海军，吴上生，蓝民华，李杞仪等机械设计教材中几个问题的探讨【 机 实现高效率生产硅等材料的前提下，实现微系统传感、测量、控制 械设计与研究２００９（３）． ２］刘莉．浅谈机械设计中三维动画创作与应用ＩＪＩ核动力－Ｔ－＃Ｙ，－，２００３（２）． 和执行的有效集成的微系统的测量和控制技术。如果这些问题得以解决， 【『引陈扬枝，胡强，罗亮．一种基于空间曲线啮合原理的新型传动机构的研究 我们就可以在研究微型机械微系统中取得成绩。 ３绷栅椭设计基础研究的范畴 【 机械传动２００９（２）． ３．１衡栅市费没计基础研究 Ｉ４＇ｆ壬明星，李邦盛，杨闯，停巨志．微尺度铸件的力学性能及断裂行为研究 纯地将传统机诫变小，而是根据现代科学技术，用一种 哈尔滨工程大学学报２ｏｏ８（３）． 全新的思路，设汁 院锭咖械。由于潋 同于 潮械，所以在研究 【５】李姣，雷竹峰舰＿代舰构学研究综述ｌＪ１柳械管理开发＾２Ｉ０１１（６）． 设计时，应格外注重尺度、材料、制造方法和工作原理等方面，结合微型机 ［６１￣４光平，刘凯，褚金奎．ＭＥＭＳ尺寸效应的分析模型及应用 中国机械工 械的实际特点与用 亍石ｆｆ究设计。目前，我们对微型机械的没计研究主 程２Ｏ０４ ． 要为以下内容：ａ研究微机械中运动变换、动力传递和机电系统动态特ｌ生 的微机构学。ｈ研究材料学，为制造微构件寻找Ｉ生１ｉ彦独特的材料，研究材料