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基于摩擦车道的 高分辨率和大行程微进给机构 摘要 根据摩擦传动原理，设计了一个 有很 长冲程 距离 和高分辨率行走的微型送料置 ，这个装置 由压电陶瓷元件 驱动 ，并与螺旋轴和空气静压导轨结合起来。通过灵活的四连杆设计了可调预压装置。进行了灵活的联动装置的静态特性分析与有限元分析。微 进给装置 的传输特点是彻底分析。 关键词： 摩擦驱动器，压电驱动器，柔性铰链，有限元 1. 引言 非球面光学系统已被广泛用于诸如航空，航天产业，国防等。然而，大型面的 非球面光学制造 面 临很大的困难 ， 诸 如 工作效率低，成本高，增加对工艺设备的要求等问题。为了 达到高精度，微位移分辨率的超精密机器必须进一步推进，以补偿 在生产 线上 生产时产生的错误 。因此，设计微进给机构已成为关键技术之一。近年来 ， 压电陶瓷是新的微进给机构的发展。它具有体积小，功率大，分辨率高的优点，以及高频率响应 等现象，如不加热，不反弹和粘 性 ，因此它被广泛应用于微进给微控制器 机制。如今，摩擦传动装置正逐渐被收购和使用。 2 微进给 机构的 结构和工作原理 该微进给机构是由三部分组成：摩擦传动装置，滚珠丝杆及静压空气轴承 指向 方式。微进给机构采用压电陶瓷摩擦传动块，扭转了套筒和驱动器滚珠丝杠，从而带动空气轴承 导轨实现微进给运动。该结构显示如图 1 轴承支架 2 摩擦传动装置 3 摩擦传动套筒 4 静压空气轴承 及 导轨 5 滚珠丝杠 6 压电陶瓷基地 7 压电陶瓷 进料装置 图 1：（ a）送料机构的结构 如图 2 所示，饲料机制的工作原理是 ： 摩擦传动与滚珠丝杠， 4 块摩擦传动原件 对称放置在套筒两侧。 每块压电陶瓷材料的疲劳导致了相应的夹持装置的疲劳，夹具夹持装置的疲软影响生产的压电陶瓷材料。 当送料机构 工作时 ，压电陶瓷用于在同一侧的两个块摩擦传动装置的 紧固。 电子邮箱： 话：（ 0451） 15904608295，地址：哈尔滨工业大学 413 邮箱，邮编： 150001。 针 对先进光学 夹具， 测试技术 ， 高级光学制造技术 的 第三届国际 李扬，陈尧隆，恩斯特，伯恩哈德克利，李 龙斌 编辑 。 图 1：（ b） 送料机构图片 图 2： 进给 机制 的运行 原则 3 可调预紧机制 的 设计 此外， 在 摩 擦传动装置 上需要 可调整的 预紧 机制，它必须有足够的预紧力。典型的预紧方法是钢板弹簧预紧 机制 ，螺旋预紧机制，气压预紧机制等。 在本文中 该 预紧 机 的 制设计 是 灵活的平行四杆机构。它由压电陶瓷 提供 预紧力。该预紧力可以改变压电陶瓷的输入电压。如图 3 所示，利用有限元软件进行静态特性分析。当压电陶瓷 的 驱动力是最大 值 500N 时 ，灵活安排四杆机构的刚性，通过有限元分析软件， 得到 K =m，以及弹性铰链的最大应力为 = 果没有灵活的四杆机构（即当摩擦传动 装置紧密接触时 ），压电陶瓷输出力通过灵活的四杆机 构将完全转化为预紧力。 4 传动 机构的 特性分析 学习和掌握辐射源驱动机制的特点，以采取适当的措施，以改善整体性能和设计提供了控制系统设计提供了依据。 动力矩 当系统启动时，有一个初步的转动惯量作为结果的部分存在质量问题。为了研究驱动力矩，选择摩擦传动 套筒作为研究课题 。根据动力学理论的能量 守恒，齿轮 加工 前和改装后， 套筒的 每部分摩擦转化为旋转惯 量 。正因为如此，我们可以得到转换后的转动惯量是 （ a） 预紧机构的结构 （ b） 运动节点图 （ c）应力分布图 图 3：静态特性试验计划预紧机制 其中 p 是丝 杠间距， m; r 是摩擦 套筒半径 ， m; 球螺杆质量， 摩擦套管质量， 通过上述分析，我们得到摩擦套筒的等效转动惯量。现在，我们选择的摩擦套筒作为课题调查 ，讨论驱动力矩（驱动力）所需要的设备启动时，它的影响因素。下面的等式工程设备开始时： （ 2） 其中 j是等效转动惯量， kg是摩擦套筒角加速度， r 是摩擦 套筒 半径， m; M 是驱动力矩， Nm; F 是驱 动力（突破块之间摩擦和摩擦套筒摩擦） ， N 当系统启动时，为了使套筒可以有一定的角加速度 ， 一个适宜的驱动器偏转配件 应用 在 对摩擦袖子 上 。偏转 配件 是由压电驱动器产生的输出力陶瓷。从式 2我们可以得到的等效转动惯量，半径套筒和驱动器的摩擦压电陶瓷的力（突破块之间摩擦和摩擦套筒）是影响摩擦机制启动的因素，所以我们认为应该 考虑 每个因素的影响，以确保机制的正常启动。存在同样的问题时，送料机构 将 停止移动。动刚性 驱动 刚性是 进给 的重要推动机制特征之一。现在，我们将详细 的 分析 进给 机制 的驱动 刚性，每个部分的刚性连接的级联有 计算公式如下： （ 3） 其中 K 是 进给 机制总硬度 ; 压电陶瓷 的刚性 ; 擦 块之间的 刚度 ; 轴向刚度 ; 是丝杠扭转刚度 ; 刚性 ; 承的轴向刚度 ; 承座刚度 ; 下面是部分的分析和刚度计算 ： 电陶瓷刚性 本文 中 压电陶瓷陶瓷微定位 系统 是由中国电子科技集团公司第 26 研究所生产 的 。它是通过实验测量的刚性 m，如图 4 所示。 擦套筒 的 硬度块之间 接触 表面 的 的摩擦 两个物体互相接触将有一定的向外力。力和位移之间的比例关系实际上反映了刚性特征。相应的刚性现在是： 其中 k 是常数 ; N 是压力 ; r 是球体的摩擦表面理想化的半径。 很显然在方程 中 ，在特殊的摩擦传动装置系统 中 ， k 是从实验得到， r 是常数，接触刚度的唯一的影响因素是压力 N。 图 4：压电陶瓷刚性曲线 杠扭转刚度 转变为 轴向刚度 传动链层面的转变需要统一计算它的刚性。因此，扭转刚性必须转化为轴向刚度 ， 公式如下： 其中 是螺旋上升的 角度 ，（ ） ; D 是丝杠直径， F 是丝杠轴向力， N; M 是丝杠输入 扭矩 ， N是丝杠和螺母之间的摩擦角（ ） ; 丝杠扭转刚度， 是螺丝扭转变形 ， P 是丝杠 长度 ， G 是螺杆材料弹性剪切模量， 面 惯性， 是点到两个推力轴承 的距离 ， 通过 有限元分析 可获得 连接螺母块的轴向刚度，。螺母支架和轴承块的刚度是非常大的，可以 不予考虑 。通过查找表和计算 可以得到其他部分刚 度 。总之，通过 公式 推导的 机制 驱动 刚度 ，我们已经找到了 驱动特性对学习的 影响因素， 驱动刚度对进一步研究驱动 特性提供了 基础 。 5. 进给机构 的 实验研究 验系统 的 基础 如图 5 所示，该实验系统是由 进给 机构，计算机，压电陶瓷驱动程序 ， 电源组成 图 5：实验 系统 本文采用 以平均曲线模型为基础的 控制方法 ，建立开环控制模型 。总之，测量压电陶瓷控制电压 和滑行 运输距离 关系的 实验曲线。利用 件，以适应的三次多项式代数和安装 的时 错误 ， 图 6 所示，从中我们得到了相应的控制电压和距离和关系表达式 ， 因此，控制 进给 机构的距离。 拟合线 错误拟合线 图 6：三次代数多项式拟合 控制电压和距离的关系表达 如 方程 7 所示： 其中 x 是输出的距离， ; u 是控制电压， V 统分辨率的实验研究 如图 7 所示，压电陶瓷具有一定的伸长率。在这个时候，微工作台的距离 后在此基础上逐步延伸，并在每一个时刻保持 。取样时间为 100毫秒。该决议曲线可以通过测量得到的微进给机构的做法距离使用的电感 图 7： 进给机制的距离分辨率曲线 6. 结论 本文中 高分辨率 和长冲程的 微进给机构， 有如下结论 ： 1 预紧机制 的关键在于设计了基于 分析压电陶瓷静态特性的有限元软件 ; 2 分析了微进给机构的起动转矩和转动惯量计算的等效 ;分析驾驶微进给机构的刚度特性，并发现其影响因素 ; 3 该微进给机构游行可达 300 毫米，分辨率为 参考文献 1. R 2003, 5056: 424431 2. , , , et a 1998, 64(4):619623. 3. .
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