有关微进给读书笔记.doc

微进给创新设计 随着科学技术的发展, 对产品的微型化和精密化程度的要求越来越高, 如可在狭小空间和危险场所作业的自行式微型机械, 可进入管道、人体腔体内甚至血管内进行检查和手术的微机器人, 以及各种高科技军事武器等等。微机械和微细加工技术已经成为近十几年来发展最为迅猛的高新技术之一, 世界发达国家纷纷投人大量的人力物力进行研究和开发。 微细加工技术在现代制造技术中占有极为重要的地位, 是当代尖端科技成果的集中体现, 反映了现代制造技术的一个极重要的发展方向。在此研究方向上, 国外的主要代表有日本丰田工业大学的古谷克司和毛利尚武等人, 已经利用电致和磁致伸缩器件研制出了蠕动式、冲击式和椭圆驱动式3种微进给机构, ，南京航空航天大学较早地开展了微细电火花加工技术的研究, 开发了电磁冲击式和压电冲击式小型电火花加工装置。清华大学研制出了蠕动式的微型电火花加工装置。哈尔滨工业大学研制出多种结构的蠕动式小型电火花加工装置, 并首次提出且研制制了基于超声马达的电极直接驱动微型电火花加工装置。 一，冲击式微进给装置 冲击驱动原理（56789: )$&*+ ;+9 所示。移动主体放置在一光滑平面上并用摩擦力支撑，一质量块通过压电元件与移动主体相连，通过加载到压电元件上的电压波形控制压电元件的伸缩， 可以使移动主体移动。它有三种定位、驱动模式，即：（1） 快速伸长模式一：1，压电元件收缩；2，加上一急剧上升的电压，压电元件快速伸长，移动主体向左移动，而质量块向右运动。3，缓慢收缩压电元件，使质量块复位。（2） 缓慢加速收缩、急停模式二3. 在缓慢复位的过程中，质量块回复的惯性力应小于移动主体的静摩擦力，否则，移动主体将向相反方向移动 4. 压电元件一旦收缩到初始长度，则急停，整个机构克服静摩擦力向左移动 5. 整个机构克服动摩擦一直移动到动能为零为止。（3） 组合驱动模式三：组合前面提到的模式一个模式二。在步骤4之后立即使压电元件急剧伸长，这样它的周期缩短，移动速度加快了。通过改变快速伸长和加速收缩的顺序，可得到相反方向的运动。二，蠕动原理微纳定位进给蠕动式直线马达的基本结构原理如图! 所示。它由一根主轴、两夹紧盘和连接两夹紧盘的压电元件组成。压电元件与两夹紧盘的组合体与主轴可互为移动。当主轴作为运动部件时，压电元件与两夹紧盘的组合体相对固定；相反，若主轴固定，压电元件与两夹紧盘的组合体沿主轴轴向移动。（1） 夹紧盘1 径向夹紧固定主轴，夹紧盘2 径向松开；（2） 压电元件通电，压电元件沿轴向伸长，夹紧盘2 右移；（3） 夹紧盘2 径向夹紧固定主轴，夹紧1 径向松开 ；（4） 压电元件断电，压电元件沿轴向缩短，夹紧1 右移。步骤（1）（4）完成了一步蠕动过程，循环步骤（1）（4）的操作，即可实现压电元件与两夹紧盘的组合体的直线步进运动。其反向运动可通过改变夹紧盘的夹紧顺序来实现。为研制大行程高精度进给机构, 基于蠕动运动原理, 以超磁致伸缩微驱动器为驱动元件、嵌入柔性铰链中的压电陶瓷驱动器与V 形导轨配合为箝位方式, 研制了超磁致伸缩压电直线式蠕动机构样机。原理：基体2 通过地脚螺栓与底座1 相连, 两块V 形滑槽导轨6、9 用螺栓固定在基体的两个内侧面上。柔性铰链7 水平方向两端V形凸出压头与两导轨V 形凹槽配合, 一方面支撑驱动器11 (ETREMA 公司的Terfeno l2D 超磁致伸缩微位移器) 和箝位装置(柔性铰链7 和P2802. 10 型压电块8) , 另一方面限制了机构其他运动方向的自由度, 使其只能沿着导轨作直线运动。基于蠕动运动原理, 利用超磁致伸缩微位移驱动器作为驱动元件, 压电陶瓷和柔性铰链作为箝位元件, 研制了超磁致伸缩压电直线式蠕动机构样机, 并利用计算机对其运动进行了闭环反馈控制。性能测试结果表明, 该机构能够稳定地蠕动步进, 位移重复定位精度可以达到15 nm。该机构的研制将会对微机电系统制造、装配、检测以及光学系统、生物细胞操作、半导体制造技术等领域起到一定的推动作用。基于蠕动运动原理,为了提高轴向刚度和输出推力的蠕动式压电/电致伸缩微进给机构的研制，设计了一种提高轴向刚度和输出推力的蠕动式压电电致伸缩微进给机构（下图所示）。其中图2 (a) 为整体。结构; 图2 (b) 为箝位夹紧机构示意图。蠕动机构由圆筒状压电电致伸缩致动件A、箝位夹紧机构C、导向固定件B、主轴和预紧弹簧等构成。该蠕动式压电电致伸缩微进给定位机构的设计特点在于由箝位夹紧机构放大箝位夹紧力, 从而实现提高机构的轴向输出推力; 导向固定件的配置有利于提高机构的进给定位导向精度和轴向刚度。机构的整体结构紧凑, 有利于小型化, 在轴向发挥了压电/电致伸缩致动件位移分辨率高的长处, 在径向采用电磁力和机构弹性力结合控制箝位/松位动作, 减少了压电电致伸缩致动件在夹紧机构中的不必要使用。箝位夹紧机构由三组沿周向分布且用12 个柔性铰链互联的杠杆构成, 其夹紧脚与导向固定件外凸出的柔性悬臂套的外径面过盈配合, 保持对主轴的箝位夹紧, 如图2 (b) 所示。当电磁致动力F 沿如图所示切向同时作用于三组六根驱动杆时, 每对驱动杆沿圆周方向被拉开, 由三根弧状杆构成的圆周长变大, 使三个夹紧脚沿径向外移, 实现对主轴的松位。当致动力F 不作用时, 机构弹性回复箝位夹紧主轴。在箝位松位控制过程中, 致动力F 通过由绕柔性铰链转动的驱动杆被放大并经方向转换后传递给夹紧脚, 再经悬臂套作用于主轴。因此可以较小的致动力F 解除作用于主轴上较大的径向压力N , 其定量关系表达式为式中n 为机构周向分布组数; a1 为驱动杆放大比。主轴上径向压力的增大直接提高主轴的轴向输出推力(f t= uN )。而且采用柔性铰链的结构设计具有减少箝位冲击、提高机构的频率响应的优点。三 压电陶瓷的摩擦式微进给机构、微量进给机构包括摩擦驱动部分、滚珠丝杠和空气静压导轨三部分，采用压电陶瓷驱动摩擦块，摩擦块搓动套筒带动滚珠丝杠转动，从而带动空气静压导轨实现微量进给运动，如图下图一所示。整个机构放在隔振平台之上，左边为摩擦驱动部分，包括摩擦块、摩擦套筒、底座等几部分；右边为滚珠丝杠和空气静压导轨部分。进给机构工作原理示意图如图! 所示，摩擦套筒与滚珠丝杠相连接，在摩擦套筒的两边并排对称放置Q 个摩擦块，每个摩擦块由对应的进给用压电陶瓷驱动，由对应的卡紧装置卡紧。卡紧装置由对应的卡紧用压电陶瓷驱动产生卡紧力。进给机构工作时，布置在同一边的进给用压电陶瓷驱动两个摩擦块按照一定的规律交替工作，可实现摩擦套筒的连续转动。压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、承载能力大、无噪声、不发热等特点，提供了一种较为简便的方式将输入的驱动电压转化为纳米级精度的精密运动，是一种理想的纳米微位移元件，在光学、电子、航空航天、机械制造、生物工程、机器人等技术领域展现出极好的应用前景14。人等技术领域展现出极好的应用前景14。电陶瓷的非线性效应，给压电陶瓷的陶瓷的控制带来了困难，目前解决的方法有：（1） 基于前馈非线性迟滞模型的开环控制方法，建立压电陶瓷电压位移模型，从数学角度逼近压电陶瓷的迟滞特性曲线。目前，国内外提出了很多方法，如：通用的Maxwell 模型，Flann 模型，Preisach 模型，多项式近似模型等5， 6。这些模型都有各自的特点，对系统进行精确的开环控制，从理论上可以取得较好的效果，（2） 电荷控制方法。该方法的核心是基于电荷控制的驱动电源的研究，采用电流源代替电压源，但由于压电陶瓷的内阻较高，因此充电电流小，响应慢，使得这种方法只适合于静态场合4。（3） 闭环控制。采用高精度、高响应位移传感器，实现闭环控制，有效的解决了因压电陶瓷非线性特点产生的非线性