压电驱动超精密定位工作台的研究

收稿日期:2002-08-16文章编号:1006 2343(2003)02 0044 02压电驱动超精密定位工作台的研究孙宝玉1,2, 林洁琼2, 王登月3, 任建岳1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,长春 130022;2.长春工业大学 机电学院,长春 130012;3.长春市新星锅炉厂,长春 130021)摘 要:研究、设计了一种压电式超精密微定位工作台。

此工作台在伺服电机驱动的滚珠丝杠进给系统的基础上,采用压电陶瓷作为微位移驱动器,柔性铰链为导向机构,对工作台运动位置自动补偿,实现了超精密定位。

文中对柔性铰链机构进行了合理的设计,以实现长行程超精密定位。

压电陶瓷配合柔性铰链使用使工作台定位精度达到0.01 m,可满足精密、超精密加工需要。

关键词:压电陶瓷微位移器件;精密定位;柔性铰链;线切割中图分类号:T H703.8 文献标识码:A 压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的新型微位移器件,它具有体积小、出力大、分辨率高和频响高的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的微定位器件[4,5]。

本文着重对压电陶瓷微定位技术在提高滚珠丝杠副的定位精度方面进行了研究。

1 微定位工作台的设计为提高滚珠丝杠副的定位精度,采用压电陶瓷微位移器件来补偿工作台由滚珠丝杠副驱动后偏离定位点的位移,即采用二级闭环定位控制方案。

由伺服电机控制精密滚珠丝杠副传动实现工作台一次粗定位(此时定位精度可达 m 级),整个移动和停止过程受计算机指令控制。

为提高工作台定位的准确性,一方面工作台上的测距系统不断地将工作台的实际位置馈送到伺服电机的控制接口;另一方面,要求运行中的伺服电机做到低速起动,高速运行,最后低速停准。

但由于伺服电机和工作台都具有一定的质量惯性,在工作台到达停准位置的瞬间,工作台还要继续前行一段距离,距离的长短与伺服电机和工作台的动量有关,为此控制接口就要设法使伺服电机反转,使其返回到停准点上,伺服电机的这种往复调整过程需要进行多次才能最后停准,所费时间在某些定位点上竟达秒级以上,且停准点精度并不高。

图1 压电驱动工作台原理简图如采用图1所示方案,增加一层微动台,则定位精度将显著提高。

工作台的定位过程是:在粗动台运动过程中,微动台不工作,粗动台的运动由计算机控制伺服电机来实现,利用光栅尺测距系统将位置信号不断馈送到电机的控制接口,在这段过程中,伺服电机的控制属于闭环系统。

当粗动台距定位点一定距离时控制其降速,在粗动台将要到达或通过定位点时,控制接口发出信号使电机停止工作,并通知微动台开始工作,此时若由于惯性工作台前行定位点一段距离,则由光栅尺测得工作台偏离定位点的距离,控制系统控制微动台使压电陶瓷在原来的基础上缩短相应距离。

同样,工作台若未到达定位点,则控制系统控制微动台伸长相应距离,以补偿工作台的移动偏差。

由于压电陶瓷响应速度快,在伸长和缩短过程中无机械噪声和振动,每脉冲的位移当量可依据实际情况进行调整,这样就显著地提高了定位系统的调整灵敏度和调整速度,达到高精度的定位要求。

2 微定位工作台关键部件分析组成微定位工作台的关键部件是压电陶瓷驱动器和柔性铰链导向机构,压电陶瓷输出位移过小和柔性铰链在导向过程中产生的附加位移,都直接影响工作台的定位精度。

因此,需对两者进行深入的研究和合理的结构设计。

2.1 微位移驱动器位移补偿模型分析图2 压电陶瓷微位移补偿机构物理模型由压电陶瓷构成的微位移驱动器实现了工作台的定位精度自动补偿,此补偿执行部件的物理模型如图2所示,其动力学方程为:mx +cx +2k s x =F Fx =W =UI d t(1)其中,m 是工作台的质量,k s 是预紧弹簧的弹性系数,U 和I 是加在压电陶瓷上的电量,c 是阻尼系数。

根据压电陶瓷的电位移特性,当驱动电压U 大于某个值以后,位移与电压成正比,则x =k U(2) Fk U =UI d t (3) 又I =Cd U (4)C 为常数,则第19卷第2期2003年4月机械设计与研究M achine Design and ResearchVol.19No.2A pr.,2003Fk U =UC d U =CU d U =(1/2)C U 2(5) F =C2kU (6)则mx +cx +k s x =C 2kU (7)取初始条件为零,则有补偿执行部件的传递函数G (s )=X (s )U(s )=C 2k 1ms 2+cs +k s (8)式中C 、m 和k s 为已知量,k 和c 可测,令n =k s /m , =c/2mk s ,K =C/2kk s ,则G (s)=K 2n s 2+2 n s + 2n(9)由于 <1,故上式所表示的补偿执行系统是一个二阶欠阻尼系统,由于其增益系数很小,故G (s )的不稳定性将对整个定位补偿控制影响甚微,可忽略不计。

2.2 柔性铰链结构设计压电陶瓷微位移器件虽然是微定位技术中的理想器件,但它存在着位移输出过小的缺点。

实验中采用日本T O KI N 公司生产的AE0505D16型层叠式PZT 器件,其外形尺寸为4.5mm 3.5mm 20mm,在100V 直流工作电压且无负载的情况下,其位移输出为11.6 m,而一般超精密加工都要求定位范围能达到100 m 以上,因而必须采取适当的措施放大压电陶瓷的输出位移。

采用柔性铰链机构可对压电陶瓷输出的微位移进行放大和导向,以满足长行程精确定位需要。

柔性铰链的结构如图3a 所示,它是依靠材料的微小弹性变形来传递位移,具有结构紧凑、无运动副间隙、无机械摩擦等优点。

由于柔性铰链在导向过程中,输出的不仅是沿y 方向的位移,还有沿x 方向的附加位移,这个附加位移必须消除和抑制,以免影响工作台y 方向的定位精度。

采用如图3b 所示原理的结构设计,输入的微位移同时通过左右两条运动链向工作台传递,在理论上便可完全消除x 方向的附加位移,其位移放大倍数为T =(1+BC/A B )。

实际结构设计时近似取T =10。

(a)柔性铰链 (b)柔性铰链微位移放大机构原理图3采用电火花线切割工艺对柔性铰链进行加工,为保证使用性能良好,选择弹性模量较大的材料65M n 钢,以防止不可恢复变形和疲劳破坏的发生。

3 实验测试为确定此微定位机构的位移 电压特性,利用微机控制压电陶瓷驱动器的驱动电压,令每次输入电压为1V ,利用电容测微仪来测量机构的输出位移,用光栅尺信号作为反馈信号,绘制微位移机构进程和回程曲线如图4所示。

图4 位移 电压特性曲线图1.回程曲线 2.进程曲线1.开环曲线2.闭环曲线 图5 定位特性曲线从图中可以看出:在有效行程内,微位移机构的位移与电压近似成线性关系;压电陶瓷的滞环比较大,通过数字PI D 控制与误差逐步递减控制相结合的算法予以补偿;压电陶瓷回零性很好,这对工作台的重复定位比较有利。

同时,将微定位机构安装于滚珠丝杠进给系统中对工作台进行系统开环、闭环定位测试,每次输入位移为2 m,记录系统在开环、闭环两种状态下实际行走的位移,求出误差。

测试结果如图5所示。

从图5中可以看出,闭环定位误差明显低于开环定位误差。

在起点输入电压分别为2V 、75V 处进行20步位移分辨力测试,每次输入电压0.2V ,从所测得的每步输出位移可看出,微定位机构的分辨力小于等于0.01 m 。

4 结束语采用柔性铰链导向的压电陶瓷微位移机构能实现长行程、高精度的快速定位,通过实验验证,在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上,增加压电陶瓷微位移机构,可使机床的定位精度由原来的1 m 提高到0.01 m,且由于柔性铰链的放大使用,定位行程达到100 m,显著改善了机床的性能,能够满足精密、超精密定位精度要求。

参考文献:[1] 王先逵,袁哲俊.精密和超精密加工技术[M ].北京:机械工业出版社,1999[2] 庞涛,郭大春,庞楠.超精密加工技术[M ].北京:国防工业出版社,2000[3] 王先逵,陈定积,吴丹.机床进给系统用直线电动机综述[J].制造技术与机床,2001,(8):18~20[4] 刘德忠,许意华,费仁元,等.柔性铰链放大器的设计与加工设计[J].北京工业大学学报,2001,(6):161~163[5] 吴鹰飞,周兆英.超精密定位工作台[J].微细加工技术,2002,6(2):41~47 作者简介:孙宝玉(1971-),女,长春工业大学机电学院讲师,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在读博士生,主要从事机械制造及自动化、空间光机电系统等研究。

45第2期 孙宝玉等:压电驱动超精密定位工作台的研究T echnolog y,N anjing210013,China;2.Department of M aterial Engineering,Nanjing Institute o f T echnolog y,N anjing210013, China)P32Abstract:T his paper analysed the influence of gear shift on t he transmissions vibration,and resear ched the possibility of re ducing the transmissio ns vibration through selecting proper X form and X factor.A n elaborately designed model test demon str ated t he cor rectness of the theoretical analysis.Key words:X gear;X factor;vibration;overlapThe Control of Automatic Clutch Driven by DC V ervo Motor Y E M ing,Q IN DA tong,L IU Zhen jun(State Key Labo rato ry of M echanical T ransmission,Cho ngqing, U niversity,Chongqing,400044,China)P35Abstract:T he clutch operation mechanism driven by DC ser vo motor has a simpler machinery and better precision in clutch speed control than that driv en by electrohydraulic ser vomechanism.T he clutch operation mechanism driven by DC ser vo motor was designed and its mathematic model was built. T his mechanism w as controlled by a dual closed loo p controller (fuzzy logic control and P I control).Simulation results indicate t hat the clutch eng aging speed can be accurately controlled by using DC servo motor dual closed loop control system.T he start quality o f V ehicle was improved.Key words:dir ect current servo motor;clutch;fuzzy logic controlFEM Analysis and Study of the Turning C arbide Indexable In sertsL I Jun hui,T A N Jian ping,XIO NG Yong g ang,HE Y un,XU Jian hua(College o f M echanical Electr ic Eng ineering,Central South U niversit y,Changsha410083,China)P38Abstract:In this paper,finite element method is applied, t he3D finite element model of the turning carbide index able in serts w ith complex g eometry proper ties and boundary condition is constructed using F inite Element soft ANSY S.Finite Element soft A NSYS can analyze the stress field,caluclate max imum stress,and display stress and displacement isoline.T he r esult show s that the F E model is more approaching to the true cut ting tool,and the cutting force is been g otten by the cutting ex per iment.T his is adv antage for the inv est igation on mechanical characterist ics of the turning carbide index able inserts in cut ting.Key words:turning carbide index able inserts;finite element model;F inite Element soft AN SY S Studies on the Compensatory C apactity for the Axial Displace ment of Joint Flexible Laminated Membrane Coupling (JFLMC)SHENT U Liu fang1,2,ZHA NG X iang y an1(1.Department of M echanical Engineering,N anjing U niversity of Science&T echnolog y,Nanjing210094,China;2.Depart ment of M echanical Engineering,Huaihai I nst itute o f T echnolo gy,Lianyungang222005,China)P41Abstract:T he paper first puts forw ord the new structure type of Flex ible Laminated M embrane Coupling Joint Flex i ble L aminated M embrane Coupling(JF LM C).It applies joint bearing,so that from structure design to rise the angular and ax ies compensatory capacity betw een the tw o ax ies.It analyzes the force reception of JF LM C in its motion,and makes a concrete analysis of the compensator y capacity for the ax ial displacement by using the classical metho d of mechanics of mater ials and the limited elementar y software of A NSYS,and obtains the location of the max imal str ess and the size o f the axial displacement compensated by the JFL M C of every measur ement.T he result of the analysis offers the t heoretical proof for the designing of the new kind of JFL M C.Key words:JF LM C;ax ial displacement;stressResearch on Super precise Positioning Stage Based on Piezo electric ActuatorSU N Bao yu1,2,L IN Jie qiong2,WAN G Deng yue3,REN Jian yue1(1.Changchun Institute o f Optics,Fine M echanics and Physics, Chinese A cademy of Sciences,Chang h chun130022,China;2. Changchun U niversity of technology,Academy of mechanic and electronic Eng ineering,Changchun130012,China; 3. Changchun Xinxing Stover factory,Chang chun130012,China) P44Abstract:A kind of super precise positioning stage driven by piezo electric actuator is resear ched and deigned in this paper. T he stag e based on ball feed scr ew r ealizes compensation of its displacement depending on piezoelectric actuato r and flex ible joint.In o rder to realize long distance positioning,the structure of flexible joint has been designed in r bined piezo electric actuato r and flex ible joint,the stage ar rives at the accu racy of0.01 m,which meets the needs of super pr ecise manu facture.Key words:piezoelectric actuator;pr ecise position;flex ible joint;w ire cuttingAnalysis of the Birf ield C onstant Velocity Shaft8。