快速移动微进给车床刀架设计（毕业论文）

1、快速移动微进给车床刀架设计摘 要：介绍一种检测机构，可测量刀具与工件z间的受力情况，并根据受力 情况，对刀具的对刀位置进行自动调节，力产生的信号反馈给传感器，传感器 把力信号转换成电信号，然后传给计算机，最后由计算机处理及控制，达到快 速移动微进给的口的。以往普通车床（如c6140）的对刀采用的是肉眼和经验，既费时预留余量 又不准确。本课题就是针对此现彖对车床的刀架进行改造，使其能实现快速移 动，准确对刀，使同样的机床能加工出更高精度的零件。本设计主要包扌舌机床 刀架方案设计；运动系统结构设计；刀座休的结构设计及传感器与刀座连接部 分的设计；经改进后的车床其对刀口动化程度高，对刀时间短而快，为

2、下一道 工序预留加工余量更加准确，达到了预期的目的。关键词:检测机构；传感器；对刀；快；微进给；精度design of micro-feeding tool holder to movequicklyabstract: ordinary lathe is the most widely used in lathe, accounts for about 65% of the total lathe. because of its way to the horizontal axis place is called horizontal lathes. in the lathe machinin

3、g, traditional artificially of cutter can't satisfy user machini ng preci si on and efficiency of the sword demands, the accuracy of the knife decided the parts proccssing prccision , emd at the same time, the efficiency of the knife is directly affects the efficiency of nc machining efficiency.

4、 if used the measuring device in machine tools, measured, and according to the position of measurement results to on the knife fast and automatic, realizing fast micro-feeding, to make it out that the same machine tool can work out higher precision parts. its significanee is to design a device which

5、 can instal 1 in the lathe cutting, to achieve the purpose of on the knife fast.key words: ordinary lathe; micro-feeding; tool holder; on the knife; precision; fast1. 绪论2. 国内外概况3. 方案选择4. 总体方案设计4. 1精密微动工作台的设计及其特征分析4. 2超精密车削用车床微量刀架系统研究4. 3压电陶瓷驱动模块4. 4支承件的结构设计4. 5材料选择4. 6导向导轨的设计4. 7伺服系统设计5. 传感器的选用5. 1电

6、感式位移传感器5. 2电容式位移传感器5. 3电位器式位移传感器5. 4光电式位移传感器5. 5光栅传感器5. 6变压器式位移传感器5. 7电阻式位移传感器5. 8应变式位移传感器6. 测量原理7. 方案经济性8. 小结1绪论1.1研究的背景与目的随着科学技术突飞猛进的发展，使多学科之间的融合与渗透变得越来越重 要，从而形成了新的研究方向，机电一体化技术被广泛应用于行业的各个角 落，它是集机械技术，计算机技术，伺服驱动技术，自动控制技术，检测传感 技术，网络通信技术，系统整体技术为一体的学科，而本课题（快速移动微进 给车床刀架设计）的研发止是该技术的具体应用。以往普通车床（如c6140）的对刀

7、采用的是肉眼和经验，既费时预留余量 又不准确。本课题就是针对此现彖对车床的刀架进行改造，使其能实现快速移 动，准确对刀，使同样的机床能加工出更高精度的零件。经改进后的车床其对刀自动化程度高，对刀时间短而快，为下一道工序预 留加工余量更加准确，达到了预期的口的。此次主要研究的是在普通机床上使用的检测装置，对刀具位置进行预测 量，并根据测量结果实现实现快速微进给，使机床能有更高的精度和效率。主 要内容有：机床刀架方案设计；运动系统结构设计；刀座体的结构设计；传感器与刀座连接部分的设计；介绍传感器的情况。2国内外概况2.1对刀方法:1试切法对刀:试切法对刀是实际中应用的最多的一种对刀方法。工件和刀貝

8、装夹完毕， 驱动主轴旋转，移动刀架至工件试切一段外圆。然后保持x坐标不变移动z 轴刀具离开工件，测量出该段外圆的直径。将其输入到相应的刀具参数屮的刀 t中，系统会自动用刀具当前x坐标减去试切出的那段外圆直径，即得到工件 坐标系x原点的位置。再移动刀具试切工件一端端面，在相应刀具参数小的刀 宽屮输入z0 ,系统会自动将此吋刀具的z坐标减去刚才输入的数值，即得工 件坐标系z原点的位置。2 对刀仪自动对刀：现在很多车床上都装备了对刀仪，使用对刀仪对刀可免去测量时产生的误 差，大大捉高对刀精度。由于使用对刀仪可以自动计算各把刀的刀长与刀宽的 差值，并将其存入系统中，在加工另外的零件的时候就只需要对标准

9、刀，这样 就大大节约了时间。需要注意的是使用对刀仪对刀一般都设有标准刀具，在对 刀的时候先对标准刀。2总体方案设计2.1车床刀架方案设计设计一种机构检测机构，可测量刀具与工件之间的受力情况，并根据受力 情况，对刀具的对刀位置进行自动调节，由力产生的信号反馈给传感器，传感 器把力信号转换成电信号，然后传给计算机，最后由计算机处理及控制。2.1. 1车床刀架工作原理设计1更换刀具后，刀具的坐标未知，车床向y轴进给；2. 当刀具接触工件后，传感器把力信号转换成电信号，发送给计算机；3. 车床停止y轴方向的进给；4. 刀座内部装有预紧装置，把刀具与工件预紧，计算机得到刀座坐标；5. 车削工件；6车削完

10、毕后，松开预紧装置，刀架复位。2.1.2车床刀架设计思路1 采用弹性刀座，当刀具接触工件时，由于受力的影响，刀座产生形变；2. 将传感器测头贴在弹性刀座上，测量刀座受力情况；3. 传感器把力信号转化为电信号，输入计算机；4刀架内设预紧装置，通过计算机控制，保持刀具与工件的接触，并产生一定 预紧力；5.由计算机控制车床的切削运动。2. 2总体结构与布局2.2.2总体结构的基本要求is68310旦16171811h45i24312625243d/ 29.-21 生21、.23图4-1装配图4. 1微动工作台的设计及其特征分析随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术 已成为能

11、朿加工、超精密加工、微操作系统等诸多前沿技术的基础支持技术。以柔性钱链为传动机构的微动工作台具有结构紧凑、质量轻、传动无间 隙、无机械摩擦、位移分辨率高的特点。压电陶瓷駆动器(piezo material lead zirconate titanate, pzt)具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点。4.1.1柔性链的力学模型这里采用的是双圆弧柔性饺链，结构如图4-2所示。图4-2柔性较链结构示意图其绕z轴转动刚度为：k尸错误！未找到引用源。压电陶瓷驱动器产生推力，驱动微动台运动，驱动力对柔性较链产生一个 绕z轴的力矩mz,使得饺链绕z轴偏转az角：az二错误！未找到引用源。驱动力在y向产生

12、位移:ay =错误！未找到引用源。其中：e为材料的弹性模量；r、t、h、b、为较链的圆弧半径、厚度、高度、及宽度。a.微动台的结构分析微动台采用双柔性平行四连杆结构，结构见图如图4-3所示。图4-3微动台传动机构简图微动台采用平面一体式结构，由一块不锈钢板经由线切割机切割而成，运 用ansys对工作台进行有限元分析，得到其一阶固有频率为737hz,在100n的 驱动力下的位移为47urn,最大应力为37. 2mpa,应力云图如图3所示。微动台 x向和y向的固有频率的实测值为1725hz和1296hzo图3加100n的应力有限元分析结果与实验测得值和并这么大，主要有3方面的原因：(1)线切割 过

13、程中的高温对微动台表面形成了淬火，增加了微动台的刚度，提高了微动台 的固有频率。(2)加工过程中，工作台内部产生了残余应力，增加了工作台的 刚度，提高了固有频率。(3)线切割过程中在微动台加工表面形成凹坑和凸 缘，与有限元分析的表面抛光的初始条件不同，这也是有限元分析与实验结果 不同的一个重要的影响因素。4. 1. 2前馈+模糊控制的复合控制(a)前馈模型的建立图压电陶瓷驱动器输出迟滞曲线图4为实测的压电陶瓷执行器位移(d) -电压(u)曲线，可见，各升程曲线之 间，各回程曲线之间存在着明显的相似性。这样，便为第一升回程曲线來近视 以后各升回程曲线提供了根据。第一升回程曲线d=f! (u)u:

14、0 ui (1)式(1)为已知，可通过实验数据拟合得到，下面根据第一升回程曲线通过 坐标变换和变比例缩放来求任意一条不同零点的迟滞曲线：d =f/ or)d =kf/ (u-ui) +di式中：k为任意一条迟滞曲线的冋程折返点的位移与第一升冋程曲线折返点的 位移之比；从、口分别为第一冋程折返点的电压和位移，其值为常数。通过坐标变换和比例缩放得到任意一条迟滞非线性曲线的数学模型，作为 微动台控制信号的参考输入。图 迟滞模型的建立过程(b)模糊控制器的设计模糊控制器原理如图6所示，参考输入由前馈模型得到，模糊控制器的输 入变量有误差c、课差变化(现实误差和上一次谋差之差)，输入量为控制 电压u,控

15、制规格如下:图模糊控制原理图控制过程中，为了提高系统的稳定性，应尽量减小由控制规则计出來 的控制量仍然是模糊量，经过加权平均判决将莫转化为精确量，得到模糊控制 如表1所示。-43-2-101234a变 化322110-12232210丨-22-3-14321丄234043210-1-2-3-41432102-3-4232210-1-2-2-33221i0 1-1-2-2表4-1模糊控制表为了弥补一般模糊控制分档造成的阶梯变化，模糊控制器的输出控制电压 步长au为可修止值，在事先输入，调整微动台的控制精度。4.1.3位移测量系统计算机通过d/a转换发出控制信号，经过高压放大器放大后驱动压电陶瓷

16、骡动器（pzt）,使用传感器采集位移信号，最后通过计算机a/d采集形成闭环 控制，微动工作台位移测量系统如图7所示。_aq彳检电ax才/ 压电功 胡/工作台图压电微动工作台位移测量系统4. 1. 4实验结果利用前馈和模糊控制相结合的复合控制方法，将开坏控制的稳定性与闭坏 控制的高精度相结合，用4hz的控制信号对血二维微动台进行双向闭环控制得 到一条控制曲线如图8所示。实验证明了方法的有效性。图8二维工作台控制曲线4. 2超精密车削用车床微量刀架系统研究现代高新技术的发展对加工精度的要求越来越高.为了提高加工精度，可 以采取的措施有：（1）提高原进给系统的精度和刚度，减小滑动面z间的摩擦 力；（

17、2）采用双行程机构，即采用传统的进给系统实现快速的初定位，用高刚 度、高分辨率和高响应速度的辅助工件平台实现微量进给.就目前国内机械制 造水平來看，采用第一种措施实现大行程高精度进给和定位还是比较困难的. 因此，采用第二种措施，设计一种微进给刀架，将其与现冇精密机床通过简单机 械机构相联接实现纳米级精度具有广泛的应用前景.微进给刀架因其采用的驱动元件，弹性预紧机构及应用范围不同可以冇多 种类型.本文针对一种由压电陶瓷（pzt ）作驱动元件、弹性钱链作预紧机构 的整休式车削用微进给刀架系统，提岀以输岀位移作为前提条件的微进给刀架 设计原理及设计计算方法.4. 2.1车削用微进给刀架的结构组成微进

18、给刀架主要由一对平行弹性较链2、一个pzt作动器5和一个刀貝基座3 组成，如图1所示.平行弹性较链对称安置在刀具基座两侧，位于较链z间的 基座可在水平方向上精确移动.动力源由装在微进给刀架屮心的pzt作动器5 提供.为减小或避免pzt作动器受较大剪切力作用，前端用钢球与刀架联接. 其后端用调整垫片4调整预紧力，以消除刀具基座与pzt作动器之间的间隙， 提高接触刚度和响应速度，进而提高微进给刀架的分辨率.工作吋pzt作动器 在屯压作用下伸长，将推动前面装金钢石刀具的微位移部分1前进，实现微量 进给.1刀架；2弹性饺链；3刀具基座；4调整垫片；5pzt作动器；6沉头螺钉图1微进给刀架结构示意图fi

19、g. 1 micro-feeding too 1 holder4. 2. 2 微进给刀架的设计微进给刀架是超精密加工的关键装置，设计时需要考虑刀架的输出位移、 分辨率、定位精度、位移行程范围、结构刚度及结构工艺性等几方面因索.考 虑到压电陶瓷的特性和微进给刀架的使用条件，在设计时还耍考虑预紧力的人 小和加载方法等因素.1.弹性饺链的设计弹性较链是一种带圆弧切口的一体化结构的新型较链，具有摩擦小、精度 高等优点.在实际设计过程屮，弹性饺链的设计需要参考以下的性能指标来确 定尺寸参数：输岀位移、弯曲刚度、最大应力和应力分布等.弹性饺链的刚度 是一个很重要的参数，它直接影响微进给平台的输出位移和静动

20、态特性弹性较 链的刚度越人，微进给平台的实际工作范围越小，压电陶瓷驱动器的驱动力越 大而刚度过小，将会导致动平台在快速运动过程屮与压电陶瓷分离产生过冲现 象因此，结构的设计应在满足设计所要求的微进给刀架的最大行程条件下，使 较链具有最大的刚度；同时，在较链薄弱处的最大应力不超过材料许用应力弹性较链在实际使用时，一端固联在基座上，另一端承受载荷发生弹性变形，如 图2所示.图2弹性较链fig.2 single-axis flexure hinge单个弹性较链在弯矩mz作用下绕z轴的偏转角。及转角刚度k。为：当t«r时，0 = 错误！未找到引用源。，乩二错误！未找 到引用源。.在弯矩w作用

21、下，弹性较链rtr丁弯曲在圆弧切口端部，产生的y向位移1、 变形刚度（进给方向刚度）ke为：1=错误！未找到引用源。，kf错误！未找到引用源。，式（1）中，r为弹性较链圆弧半径，mz为作用于弹性较链上的弯矩，t 为弹性钱薄壁厚度，e为材料的弹性模量，1为弹性饺链的y向位移在车削用 微进给刀架中，一般采用如图1所示双平行较链机构，其进给刚度为：k尸错误！未找到引用源。二错误！未找到引用源。，（2）式（2）屮，l1为双平行较链一侧的相邻切割圆截而小心距.式（2）可作为双平行弹性较链初步结构设计的依据.此时可根据设计要求 的刀架输出位移及pzt作动器的相关参数，利用后文的式（3）计算弹性饺链等效刚度

22、，在得到等效刚度值的基础上，根据结构要求，先确定出尺寸b, r , l1 ,这样，利用式（2）不难定岀t值.结构尺寸确定后，可利用冇限元法对 其刚度和应力进行校核.一般由于弹性饺链受力与变形都很小，产生的应力值 会远远小于许用应力值，因此可不作应力的校核.式（2）和式（3）中弹性较链刚度与其结构参数的确定如图3所示.从图3可以看出，弹性较链在弯矩作用下的刚度、应力、位移等与较链的 高度h无关，主要原因是较链的弯曲绝大部分发生在较链的中央薄壁处，因此 较链的高度就显得不重要了.较链宽度b 和饺傍we体姣琏忖度fif位移输出及pnt參数|图3弹性较链刚度与结构参数的确定顺序图fig. 3 desi

23、gn for the structural parameter and stiffness of the flexure hinges2. pzt作动器设计与选择压电陶瓷是fl前应用最广的智能材料.由于它的压电系数很小，位移输出 量很难满足要求，因此采用多组压电片在力学上串联、电学上并联的设计思想, 构成压电堆，使各压电片产生的位移可以叠加输岀，输岀位移的大小由叠层层 数和电场大小控制.当输岀位移受到弹性饺链的限制时，它就可以输岀驱动力, 输出驭动力的同时，输出的位移量减小.图4为某压电陶瓷作动器的输出位移 与驱动力关系图，a b为电压100 v时陶瓷作动器的输岀位移与驱动力关系曲 线，a b

24、以下为0100 v电压下压电陶瓷作动器的工作范围，0c为弹性较链 刚度为400n/叭工作电压为0100 v时的压电陶瓷作动器位移与力关系曲线. c点是工作电压100 v时刀架输出位移与力的值从图4中可以得出，不计切 削力与预紧力，在某电压值下，pzt作动器输出位移为：1二错误！未找到引用源。lo ,输出的驱动力为:f= ky 1 ° 0123456力/kn图4输出力特性曲性fig4 throutpul (iiara<-trristics ciirvr当作动器电压达到最大值吋，pzt作动器输出最大位移（也是刀架的最大输 出位移）为：lmax=错误！未找到引用源。lpztmax ,

25、（ 3）输出的最大驱动力为：hmax- ky * lmax （4）由于微进给刀架每一组成元件的制造精度有限，装配后各接触面z间会产 生接触不紧密的现彖，因此，需耍增加预紧力.增加预紧力不仅能够补偿英间隙, 同时可以使系统的刚度、频响及分辨率得到提高；但带来的负面影响是，若陶 瓷作动器的设计载荷不足，将减小微进给系统的工作行程.因此，应根据实际 情况在不超过陶瓷作动器的设计载荷和不减小设计输出位移的条件下，施加尽 可能大的预紧力.增加恒值预紧力后，不影响输出位移，只是使零点有部分平移.但pzt作 动器承受的最大载荷增加为：f'设计吋应使最大载荷小于pzt作动器的设计载荷（即最大推力）式（

26、3）至式（5）中，k陳为pzt作动器的等效刚度；ky为弹性较链的等 效刚度；1°, 1, f分别为某电压值下pzt作动器自由状态的输岀位移、弹性力 作用下的输出位移、驱动力；st唤，1唤， 分别为最大电压值下pzt作 动器的最大自由（名义）仲长量、刀架实际输出的最大位移、pzt作动器输出 的最大驱动力；f'为预紧力；f为pzt作动器承受的最大载荷.式（3）至式（5）可作为已知工作台最大输出位移时pzt作动器设计、选 择及弹性饺链冇效刚度确定的依据值得注意的是，在确定pzt作动器刚度也丁 及弹性较链有效刚度x时，还应考虑它们对系统刚度k的影响.3.微进给刀架系统刚度及其振动特性

27、微进给刀架进给方向的系统刚度k是由压电陶瓷的刚度k陳和弹性较链刚 度ky共同决定的，k= ky+ kpzt （6）微进给刀架的系统刚度是影响平台振动特性（同冇频率和振型）的重要参 数.在微进给刀架结构设计中，要求微进给刀架有足够高的系统刚度，以防止 加工过程中工作台受到切削力及机床低频振动的影响，产生变形或共振现象.模态分析是用于确定设计机构振动特性的种技术.进行模态分析吋，微 进给刀架的有阻尼自由振动方程为：m错误！未找到引用源。 + c错误！未找到引用源。 + k u = 0 , （ 7）式（7）屮，m 质量矩阵；c阻尼比矩阵；k刚度矩阵；错误！未找到引用源。 节点的加速度向量；错误！未找

28、到引用源。 节点的速度向量；u节点的位移向量.式（7）的特征值问题为：（k + i3c -（o2m ） u二 0, （ 8）式（8）屮，3?（固有频率的平方）表示特征值，u（振型，它不随时 间而变化）表示特征向量.理想的模态分析结果应使第一阶固有频率远远大于工作频率和机床振动频 率，否则应改变刀架的结构参数，壇加系统刚度.4. 2. 3基于有限元的刀架静态与动态特性分析下而利用理论计算公式对刀架进行设计计算.以设计一台输岀位移1环二9um 的微进给刀架为例，选择pzt作动器的最大名义伸长量1际理二10m,刚度1陳= 98 n/um,则弹性饺链冇效刚度ky二10. 89 n/um.弹性饺链结构设

29、计完成后，重 新计算，得出ky二 10. 58 n/um, lmax= 9.03 um,则f肿 95.5 n.选取f = 56. 5n , 则f'碎二ff = 152 n.刀架整体刚度k二ky + k,>zt二10&58 n/um,进给方 向固定频率f二1852 hz.刀架本身结构比较复杂，而在公式推导过程中采用了简化模型，所以有必 要利用有限单元法对刀架静态与动态特性进行分析，以验证弹性饺链的刚度、 丿j架的整体刚度、微进给丿j架的固有频率和振型以及丿j架的谐波响应是否与理 论设计相符，是否满足设计的要求.1.利用有限单元法进行刚度校核基于両述的理论设计，制作了微进给刀

30、架模型将集中力f分别作用于刀 架及弹性饺链进行冇限元计算，可以得出在力作用下的输出位移1，从而由力 和模型的变形量，根据公式k尸f/1求出刀架的整体刚度和弹性钱链的等效刚 度.ansys有限元处理包括三个阶段：前处理、求解及后处理.前处理主要包描 定义单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、 定义边界条件等.就双平行钱链来讲，采用65 mn钢线切割而成，材料特性如下：弹性模量 为2.06x1011,泊松比为0.3,密度为7. 85 kg/ m3;在分析中采用s0lid92单元 进行弹性较链的单元划分，定义边界条件为：平台实施底面全部约束，在刀具 基座的进给方向施加集屮力

31、严杯二152 n （此时弹性饺链产生的应力将为最大 应力，产生的变形为最大变形）通过有限元的求解及后处理，得到模型的变形图，进而得到弹性较链的最 大变形为13 um（包含由于预紧力56. 5 n产生的弹性较链初始位移4. 83 um）, 最大应力为32.1 mpa （远小于65 mn钢的应力极限1000 mpa）.根据公式k尸f/1 即求出刀架弹性钱链的等效弹性刚度加11.69 n/ um（通过将不同的力作用于 钱链，发现力与变形呈线性关系，即等效刚度基本为恒值）；将集中力95. 5 n 作用于饺链，得到刀架的最大输岀位移lxax =8. 17 um.在冇限元模型屮，将压电陶瓷与弹性饺链相粘结

32、，构成刀架的整体冇限元 模型，设置压电陶瓷材料的弹性模量为5.2x1o10 （根据压电陶瓷刚度及结构计 算获得）；在152 n载荷作用下，产生位移为1.43 um,系统进给方向的刚度为 106.3 n/ um.超精加工屮，进给5 um车削45钢的车削力为6 n左右，在预定 精度范围内设计的工作台可以满足加工刚度的要求.上述有限元分析结果与理论结果基本一致，从而证明了理论设计的可靠性.2利用有限单元法对微进给刀架进行模态分析利用block lanczos方法对微进给刀架进行模态分析，得到微进给刀架的 前三阶模态固有频率（表1）分析过程中，施加预紧力是通过对刀架模型施加 边界条件初始位移來实现的.

33、表1微进给刀架的模态因有频率及刚度t able 1 f rtpirncy and mtiffw*ss of t hr micro-fccciing tool holder施力情况模态固有频率/hz-系统刚度/(n/pm)车刀主运 动方向第阶抓型主轴轴 向第二 阶搬型进给方 向第三 阶旅型不加预紧力1 731. 71 806. 61 851. 8106. 3加预紧力56. 5 n1 733.41 806. 81 894. 3114. 3由表1可知，设计要求的工作频率远小于第一阶固有频率；沿进给方向上, 平台固有频率比较高，动态刚度比较大，因此能较好地克服振动的影响，符合加 工进给的要求.为系统增

34、加56. 5 n预紧力后，进给方向的整体刚度、固有频率 都冇所提高.增加进给方向的预紧力对其他方向的刚度、频率影响不大.4. 2.4微进给刀架实验分析在通过理论的设计计算及有限元分析软件对微进给平台进行了优化设计及 模拟性能实验后，对已制造完成的微进给平台综合性能及其应用进行必要的试 验，了解微进给平台的实际性能参数，对微进给平台的改进及使用具有必要冃 现实的意义.1.微进给刀架的输出位移图6是开环控制下所做实验得到的控制电压和输出位移关系图.尽管升压 曲线和降压曲线不重合，存在着很大的迟滞现象，但对输出位移的最大值并不影 响.从图屮可以看岀：微进给刀架的最大输出位移为9 um,与理论计算值9

35、. 02um 近乎相等，从而验证了理论计算的可靠性.曲绒i图6稳态控制电压与位移呈关系图fig 6 ('hang of the clispladrnrnt with control voltage2.微进给刀架位移分辨率微进给刀架位移分辨率受综合因索的影响，具体数据只能出实验获得.图7中所得分辨率曲线为以4 v作为基础电压，然后通过计算机以3 mv为单位 逐渐升高或降低电压，并在每个电压值上保持0.3 s吋间得到的.由图屮可以看 出：微进给刀架的最小位移分辨率远小于8 rnn,满足设计要求.微进给刀架的最小位移分辨率主要与d/ a转换器和环境噪声有关，如果提 高d/ a转换器的精度并减

36、小环境噪声的影响，微进给刀架的最小位移分辨率将 进一步提咼.图7微进给刀架位移分辨率曲线图fig. 7 rttsolul ion curve of the holder3. 微进给刀架的响应特性对微进给刀架进行了充放电时的阶跃响应实验.图8为微进给刀架放电时 的阶跃响应曲线，由图可以看出：系统阻尼较大，阶跃响应曲线无振荡、无超 调，系统稳定；其响应时间小于0. 03 s,满足设计要求的50 hz的频响要求 （响应时间为0. 04 s）o图8放电时的阶跃响应曲线i 4 v控制电压fig. 8 the step respond rune for discharging ( 4 v4. 2.5 总结

37、用本文提出的设计理论及设计计算方法设计的以pzt作动器为动力源，弹 性较链为弹性变形元件的新型微进给刀架，其位移输出特性、分辨率及静动态 特性都能够满足设计的要求，因此也验证了理论设计方法的可行性.4. 3压电陶瓷驱动模块随着高新技术在各前沿科学技术领域中应用的不断深入，纳米定位技术已 成为关键技术z，纳米定位技术要求纳米级工作台系统貝有高的驭动精度和 响应特性。而这些性能主要决定于其控制系统，控制系统主要由微机控制装 置、驱动电源和检测传感装置三个部分组成。其中驱动电源部分是整个控制系 统设计的关键部件z-o如何实现一个输出范围宽，分辨率高，动态响应快和 稳定性好，驭动能力强的连续可调直流电

38、压驱动源是浙江省口然基金资助项 目基于压电的纳米级工作台系统智能化控制方法研究课题中的一个关 键问题。木文依据多级可控电压源串联的设计思想，开发设计了基于d/a集成控 制的纳米级工作台驱动电源。4. 3. 1基于d/a集成控制多级可控电压木驱动电源在设计过程中，采用了电压源串联的设计思想，将一个相对技 术要求较高的0300v、1 a调压电源简化成一个技术和对成熟的030v、 1.5a可调电源设计，并采用单片机和d/a模块集成控制，使整个设计在保证性 能前提下，结构简单，成木降低，易于整个压电陶瓷微位移器的计算机控制。 在驱动电源设计时，采用了计算机仿真的手段，有效的缩短了开发周期。、驱动电源特

39、点和设计纳米级工作台的驱动元件是压电陶瓷，当它逆压电应用时可发生品体变形, 从而推动工作台移动；当它逆压电工作时，其电气负载特性与电容器相似，在工 作屯压范围内漏电流很小。对于提供压电陶瓷的驱动电源，其负载可看成是一 个纯电容，在稳态时功耗为零。根据压电陶瓷上述电特性，要求纳米级工作台的驱动电源：(1) 纳米级工作台应用在高精度场合，其驱动电源稳定性高，且保持小的 脉动波纹(50 mv ) o(2) 输出电压值范围较宽(0300 v ),并在相应范围内可数字控制，电 压值连续可调，并一直接与计算机组态。(3) 驱动能力强，其标称功率较小，但对于电容性负载能提供足够大的瞬 间电流(1 a )。(

40、4) 系统动态性能好，频响特性较高，满足纳米级工作的动态响应要求 (500 hz)o为实现高精度可控稳压输岀，驱动电源通常采用一直流放大式电路设计，其 系统组成原理框图如图1所示。图1宜淹放夬式驴动电源原理庭图计算机通过d/a转换模块提供精确的基准屯压信号，经运算放人屯路和功 率放大电路放大后输岀0300 v 一直流可调驱动电压。这种设计方法基于传统 运算放大电路和功率放大电路结构，0300 v的输岀电压是由一个05 v基 准控制信号经放大所得，整个系统放大倍数大，一般放大倍数外二300/5= 60 倍。但当在输入屯压中或整个系统中存在误差和干扰信号吋，它们也同样得到 放大，导致放大器的输出产

41、生较大幅度的波动，开环形式的误差放大器输岀其 至带有开关性质。另外高倍数的功率放犬系统自身的性能也会影响输岀屯压的 稳定性和动态特性，要实现上述技术要求，就要求有高精度的功率放人器件和 相应的控制电路。这将影响到电源的成本。针对上述设计中存在的问题，本文在压电陶瓷纳米级工作台的驱动电源设 计中提出了用屯压源串联的设计思想，采用化整为零的方法，将10个高性能的 030 v独立可调数控电压源，串联组成一个0300 v纳米级工作台的驱动 屯源。考虑对驱动屯源系统与纳米级工作台系统的控制计算机组态，整个屯源 采用一片a tm el 89c2051单片机集成控制，选用rs2232串行口和计算机通信, 接

42、收上位机的驱动指令；单片机与各个独立可调电压源的联系通过10片8位d/a模块tlv 5624实现。8位d/a模块最多可实现256级输岀，木系统用其中 的200级，输出05 v的基准电压信号，分辨率为5/200= 0. 025 v二25 mv; 分别作为10个独立可调电压源的控制信号。每个可调电压源输岀电压范围在0 30 v ,步长150 mv ,整个驱动电源输出0300 v电压，共分2 000级。 系统的控制信号与输岀电压之比为= 30/5= 6倍，整个系统的原理框图如图2 所示。30 v.> 30qv220 y殳流电海din/sclk捋可调30220 v辽汎电沥atmel89c2o51

43、30 v想可调30图2骡动电源系统的原理框图由图可知，整个驱动屯源的稳压性能和动态响应特性主要决定于每个独立 可调屯压源的性能，为保证独立可调屯压源有足够的工作屯流、稳定工作屯压 和动态特性，选用了美国国家半导体公司生产的三端可调整稳压器集成屯路lm 317作为独立电源单元的稳压元件，该元件最大可提供115 a工作电流，输岀 屯压可在11237v之间变化，输出端电压可随控制端电压变化，输岀端电压 与控制端电压差保持1125 v ,并可浮动工作，实现级间串联，元件内部自带了 过载保护屯路，满足系统的静态技术指标，并无需外设保护电路，使稳压电路 结构简单。由单片机控制的d/a模块，用ref191作

44、为参考电压源，参考电压选 择2. 048 v;其输出的基准屯压信号经电压跟随器和比例放大器放大至- 1.25 28. 75v ,接lm 317的控制脚,控制电压源输出电压为030 v。数控可调0 30 v电压源单元电路如图3所示。超3数搏冈调0- 30 v电压源学兀电路图二、驱动电源性能的仿真测试为测试驱动电源的动态特性，我们在pro tel sm 99中对系统进行了仿真测 试。从屯源系统的组成可知，系统的稳压屯路是影响系统动态性能的主耍原因, 即运算放大电路部分和三端稳压模块。为此我们针对这部分电路设计了仿真电 路，选择500 hz正弦信号和单位脉冲信号作输入信号，仿真测试系统的动态性 能。

45、仿真分两步实施，首先仿真测试数控可调030 v电压源单元性能，根据 压屯陶瓷的电负载特性，用一个1.3 uf的电容模拟pzt。调用sm系统提供的标 准单位脉冲信号源和500 hz正弦交流信号源作为仿真的输入信号，运行protel sm软件，测得其输岀响应如图4所示。时间/ms图4 0- 30v数捽可调电爪源单兀的响向曲线曲5 2个独j电爪渕单兀申联时榆出响庙曲线从仿真结果可知，用lm 317实现的单个电压源的动态特性完全适应压电陶 瓷微位移器的工作耍求，在500脱正弦信号和脉冲信号作用下，输岀跟随输入 动作，并保持波形不变。第二步将2个电压源单元串联在一起，选用同样的输 入信号，测试电压源单元

46、串联对系统的动态性能产生的影响。测得在2个电压源 单元串联时的输岀响应如图5所示。比较图4、5可知，串联基木不影响系统的 动态性能。44支承件的结构设计4. 4.1支承件的设计要求及步龙一、支承件的设计要求1、足够的静刚度和较高的刚度/重量比；2、良好的动态特性；3、较小的热变形和内应力；4、便于制造、装配、维修、排屑和吊运及考虑切削液及润滑油回收、液 压、电器装置的安置等。二、支承件的设计基本步骤1 根据支承件的使用要求进行受力分析，再根据所受的力、热变形和其它要求 （如排屑、切削液及润滑油回收、其它零部件安置等），并参考机床的同型 件，初步设计其基木形状和尺寸。2.可以用有限元法，借助于电

47、子计算机进行验算，求解支承件的静刚度和动态 刚度，避免盲目性，提高成功率。3根据计算结果对设计进行修改，或对几个方案进行对比，选择最佳方案。4. 4.2支承件刚度一、支承件受力分析为了保证有足够的刚度，必须了解支承件的受力情况以及产生的变形，了 解由此引起的加工误差，从而合理设计支承件的结构。1. 不同机床所受载荷的特点1）对于中小型普通机床，应以切削力为主，工件重量、移动部件重量等在 受力和变形分析时可忽略不计，如钻床、铳床、中型车床等。2）对于精密机床和高精度机床，其切削力较小，应以移动部件的重量和热 应力为主，如双柱立式坐标铿床。3）对于大型、重型机床则需要同时考虑工件重量，移动部件重量

48、和切削 力，如双柱立式车床、落地镇铳床等。2. 不同形状支承件的简化支承件根据其形状不同一般可简化为梁、板、箱三种类型。1) 梁件一个方向的尺寸比另两个方向大得多的零件。女lh床身、立柱、横梁等。2) .板件一一两个方向的尺寸比第三个方向大得多的零件。如：底座、工作台、刀架等。3) 箱体件三个方向的尺寸都差不多的零件。如箱体、升降台等。二、支承件静刚度支承件的变形一般包括自身变形、局部变形和接触变形。设计时，要注意 这三类变形的匹配，并应对薄弱环节予以加强。三、提高支承件本体刚度1. 正确选择界面的形状和尺寸支承件主要是承受力矩、扭矩以及弯扭复合载荷，所以自身刚度主要是考 虑弯曲刚度和扭转刚度

49、。在弯、扭载荷作用下，支承件的变形与截面的抗弯惯 性矩和抗扭惯性矩有关。材料和截面积相同而形状不同吋，截面惯性矩相差很 大，因此应正确选择截面的形状和尺寸以提高自身刚度：1)截面积相同时空心 截面刚度人于实心界面刚度。2)方形截面的抗弯刚度高于圆形截面，而抗扭 刚度较低。3)不封闭的截面比封闭的截面刚度显著下降，特别是抗扭刚度下 降更多。减少接触而的层数是捉高接触刚度的最好方法。但具体设计时，常限于结 构或功能上的原因而不能减少接触面的层数，此时可采用以下措施：(1) 导轨面和重要的固定结合面必须配刮或配磨。(2) 固定螺钉连接时，通常应使接触面间的平均预压压强不小于2mpa,以 消除表面微观

50、不平度的影响，并据此确定固定螺钉的直径、数量、布置位置以 及拧紧螺钉时施加的力。装配时可用测力扳手来拧紧螺钉。4. 5 材料选择一、铸铁铸铁是含碳大于2.1%的铁碳合金，它是将铸造生铁(部分炼钢生铁)在炉 中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而得到。与生铁区别是铸 铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具冇优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等特 点。二、钢板碳钢的在性能上主要有以下儿方面的不足：(1) 淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mmo(2) 强度和屈强比较低 如普通碳钢q235钢的0 s为235mp

51、a,而低盒 金结构钢16mn的0 s则为360mpa以上。40钢的。s /。b仅为0. 43, 远低于合金钢。(3) 回火稳定性差由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了 保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保 证较好的韧性，采用高的回火温度时强度乂偏低，所以碳钢的综合机械 性能水平不高。(4) 不能满足特姝性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、 耐磨损以及特殊电磁性等方而往往较差，不能满足特殊使用性能的需 求。钢板是用钢水浇注，冷却后压制而成的平板状翅1。物理特性：密度：2790-3070 kg/m3 抗压强度：1000-3000 kg/cm2 弹性模量：

52、1. 3-1. 5x106 kg/cm3 吸水率:0. 13 %肖氏硬度： hs 70 比重：26275支承件的材料主要为铸铁和钢。预应力钢筋混凝土支承件(主要为床身、 立柱、底座等)近年来有较大的发展。对于铸铁支承件，如果导轨与支承件铸为一体，则铸铁的牌号应根据导轨 的耍求选择；如果导轨是镶嵌上去的，或者支承件上没有导轨，则一般可采用 ht150o如果支承件由型钢和钢板焊接，则常用3号或5号钢。在铸造或焊接中的残余应力，将使支承件产生变形。因此，必须进行时效 处理以消除残余应力。时效方法冇自然时效、人工时效和振动时效三种。选择何种？ ？4.6导向导轨的设计一、床身与导轨连接处的局部过渡3）床

53、身与导轨单壁连接结构简单，刚性较差，适用于承受小载荷。b）单壁减薄与加强筋结构刚度校前者好，适用丁屮等载荷。c）双壁连接结构复杂，刚度较高，适用于中、重载。d）直接连接，没有过渡璧导轨的局部刚度最高。b)c ）d）图4-10 支承件与导轨连接的过渡壁二、提高接触刚度减小接触面的层次，是提高接触刚度的最好方法。如因结构原因不能减 小，可采取下列措施：1. 导轨面和重要的固定固定结合面必须配刮和配磨；2. 以固定螺钉联接吋，通常应使接触面间的平均预压压强不得小于2mpa,以消 除表面微观不平度的影响。4. 7伺服系统设计4. 7.1系统硬件组成及工作原理该微进给伺服控制系统由微计算机、单片机系统、

54、电感式位移传感器（包括 高精度电感测头、电感传感器信号处理电路）；、执行机构（包括压电陶瓷微位移 器、高压驱动电源、弹性体及d/a转换电路）、i/o通用接口等几个部分组成， 系统框如下图所示。冈i 基于微机控制的压电陶瓷驱动微进给系统原理框图系统的突出特点z是将作为检测元件的高精度电感测头和微进给装置一体化， 使操作更加灵活可靠；第二是控制系统可分别选用微机或单片系统，利用微机 的丰富资源，可扩'展多种功能，提高控制效率；单片机系统整个系统小型化，结 构紧凑，便于现场使用.实现高精度微量进给时，采用闭环控制方式。微机将控制信号通过12位 d/a转换电路转换成直流电压输出到压电陶瓷驱动电

55、源，后者将电压放人100 倍后加在压电陶瓷上使其产生位移6;此时已装入压电陶瓷推动装置小的高精度 电感测头将对位移量进行检测，并将检测结果通过电感板处理电路回送至微机； 微机将测得的当前位移量与目标位移量进行对比，求岀误差值后再把修止的信 号送给d/a转换电路继续进行控制，直到最后的位移量在允许的误井范围内 止。采用这种控制方式可使微进给机构的精度几乎不受温度、压电陶瓷非线 性、蠕变和滞后等因素的影响，而只与电感测头的检测精度和d/a转换的量化 误差及控制精度冇关，从而口j以保证系统的控制精度。在进行适时补偿控制时， 为了提高响应速度可以采用开环方式。压电陶瓷虽然具有磁滞非线性，但总能 通过实

56、验手段找到其线性度比较好的部分，因为补偿控制的进给量非常小（一般 都低于1）所以在这一段实现开环控制是完全可行的。开环控制的流程是：微机 预先将控制量计算好，经量化处理后送到d/a转换电路；高压駆动电源将控制 电压放大并输出到压电陶瓷上使之产生期望的位移量。以卜将对系统各主要部分的工作原理加以介绍。4. 7.2微进给执行机构的组成环节及工作原理执行机构是由压电陶瓷微位移器、弹性体、数模转换电路及高压驱动电源 等组成。其屮压电陶瓷微位移器采用四川压电与声光技术研究所研制出的 pzt:la电致伸缩微位移器，这种材料的特点是电致伸缩应变大，位移重复性好, 分辨率高，不需极化，不易老化。为了满足大位移量的要求，应用中一般采用