快速移動(dòng)微進(jìn)給車床刀架設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）

1、快速移動(dòng)微進(jìn)給車床刀架設(shè)計(jì)摘 要：介紹一種檢測(cè)機(jī)構(gòu)，可測(cè)量刀具與工件z間的受力情況，并根據(jù)受力 情況，對(duì)刀具的對(duì)刀位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，力產(chǎn)生的信號(hào)反饋給傳感器，傳感器 把力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后傳給計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)處理及控制，達(dá)到快 速移動(dòng)微進(jìn)給的口的。以往普通車床（如c6140）的對(duì)刀采用的是肉眼和經(jīng)驗(yàn)，既費(fèi)時(shí)預(yù)留余量 又不準(zhǔn)確。本課題就是針對(duì)此現(xiàn)彖對(duì)車床的刀架進(jìn)行改造，使其能實(shí)現(xiàn)快速移 動(dòng)，準(zhǔn)確對(duì)刀，使同樣的機(jī)床能加工出更高精度的零件。本設(shè)計(jì)主要包扌舌機(jī)床 刀架方案設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；刀座休的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳感器與刀座連接部 分的設(shè)計(jì)；經(jīng)改進(jìn)后的車床其對(duì)刀口動(dòng)化程度高，對(duì)刀時(shí)間短而快，為

2、下一道 工序預(yù)留加工余量更加準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的目的。關(guān)鍵詞:檢測(cè)機(jī)構(gòu)；傳感器；對(duì)刀；快；微進(jìn)給；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. 緒論2. 國(guó)內(nèi)外概況3. 方案選擇4. 總體方案設(shè)計(jì)4. 1精密微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及其特征分析4. 2超精密車削用車床微量刀架系統(tǒng)研究4. 3壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊4. 4支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4. 5材料選擇4. 6導(dǎo)向?qū)к壍脑O(shè)計(jì)4. 7伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)5. 傳感器的選用5. 1電

6、感式位移傳感器5. 2電容式位移傳感器5. 3電位器式位移傳感器5. 4光電式位移傳感器5. 5光柵傳感器5. 6變壓器式位移傳感器5. 7電阻式位移傳感器5. 8應(yīng)變式位移傳感器6. 測(cè)量原理7. 方案經(jīng)濟(jì)性8. 小結(jié)1緒論1.1研究的背景與目的隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使多學(xué)科之間的融合與滲透變得越來越重 要，從而形成了新的研究方向，機(jī)電一體化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于行業(yè)的各個(gè)角 落，它是集機(jī)械技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，檢測(cè)傳感 技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，系統(tǒng)整體技術(shù)為一體的學(xué)科，而本課題（快速移動(dòng)微進(jìn) 給車床刀架設(shè)計(jì)）的研發(fā)止是該技術(shù)的具體應(yīng)用。以往普通車床（如c6140）的對(duì)刀

7、采用的是肉眼和經(jīng)驗(yàn)，既費(fèi)時(shí)預(yù)留余量 又不準(zhǔn)確。本課題就是針對(duì)此現(xiàn)彖對(duì)車床的刀架進(jìn)行改造，使其能實(shí)現(xiàn)快速移 動(dòng)，準(zhǔn)確對(duì)刀，使同樣的機(jī)床能加工出更高精度的零件。經(jīng)改進(jìn)后的車床其對(duì)刀自動(dòng)化程度高，對(duì)刀時(shí)間短而快，為下一道工序預(yù) 留加工余量更加準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的口的。此次主要研究的是在普通機(jī)床上使用的檢測(cè)裝置，對(duì)刀具位置進(jìn)行預(yù)測(cè) 量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)快速微進(jìn)給，使機(jī)床能有更高的精度和效率。主 要內(nèi)容有：機(jī)床刀架方案設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；刀座體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；傳感器與刀座連接部分的設(shè)計(jì)；介紹傳感器的情況。2國(guó)內(nèi)外概況2.1對(duì)刀方法:1試切法對(duì)刀:試切法對(duì)刀是實(shí)際中應(yīng)用的最多的一種對(duì)刀方法。工件和刀貝

8、裝夾完畢， 驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)刀架至工件試切一段外圓。然后保持x坐標(biāo)不變移動(dòng)z 軸刀具離開工件，測(cè)量出該段外圓的直徑。將其輸入到相應(yīng)的刀具參數(shù)屮的刀 t中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)用刀具當(dāng)前x坐標(biāo)減去試切出的那段外圓直徑，即得到工件 坐標(biāo)系x原點(diǎn)的位置。再移動(dòng)刀具試切工件一端端面，在相應(yīng)刀具參數(shù)小的刀 寬屮輸入z0 ,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將此吋刀具的z坐標(biāo)減去剛才輸入的數(shù)值，即得工 件坐標(biāo)系z(mì)原點(diǎn)的位置。2 對(duì)刀儀自動(dòng)對(duì)刀：現(xiàn)在很多車床上都裝備了對(duì)刀儀，使用對(duì)刀儀對(duì)刀可免去測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤 差，大大捉高對(duì)刀精度。由于使用對(duì)刀儀可以自動(dòng)計(jì)算各把刀的刀長(zhǎng)與刀寬的 差值，并將其存入系統(tǒng)中，在加工另外的零件的時(shí)候就只需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)

9、刀，這樣 就大大節(jié)約了時(shí)間。需要注意的是使用對(duì)刀儀對(duì)刀一般都設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)刀具，在對(duì) 刀的時(shí)候先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)刀。2總體方案設(shè)計(jì)2.1車床刀架方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，可測(cè)量刀具與工件之間的受力情況，并根據(jù)受力 情況，對(duì)刀具的對(duì)刀位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，由力產(chǎn)生的信號(hào)反饋給傳感器，傳感 器把力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后傳給計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)處理及控制。2.1. 1車床刀架工作原理設(shè)計(jì)1更換刀具后，刀具的坐標(biāo)未知，車床向y軸進(jìn)給；2. 當(dāng)?shù)毒呓佑|工件后，傳感器把力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)；3. 車床停止y軸方向的進(jìn)給；4. 刀座內(nèi)部裝有預(yù)緊裝置，把刀具與工件預(yù)緊，計(jì)算機(jī)得到刀座坐標(biāo)；5. 車削工件；6車削完

10、畢后，松開預(yù)緊裝置，刀架復(fù)位。2.1.2車床刀架設(shè)計(jì)思路1 采用彈性刀座，當(dāng)?shù)毒呓佑|工件時(shí)，由于受力的影響，刀座產(chǎn)生形變；2. 將傳感器測(cè)頭貼在彈性刀座上，測(cè)量刀座受力情況；3. 傳感器把力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)；4刀架內(nèi)設(shè)預(yù)緊裝置，通過計(jì)算機(jī)控制，保持刀具與工件的接觸，并產(chǎn)生一定 預(yù)緊力；5.由計(jì)算機(jī)控制車床的切削運(yùn)動(dòng)。2. 2總體結(jié)構(gòu)與布局2.2.2總體結(jié)構(gòu)的基本要求is68310旦16171811h45i24312625243d/ 29.-21 生21、.23圖4-1裝配圖4. 1微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及其特征分析隨著納米技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)微定位技術(shù) 已成為能

11、朿加工、超精密加工、微操作系統(tǒng)等諸多前沿技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。以柔性錢鏈為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的微動(dòng)工作臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、傳動(dòng)無間 隙、無機(jī)械摩擦、位移分辨率高的特點(diǎn)。壓電陶瓷駆動(dòng)器(piezo material lead zirconate titanate, pzt)具有體積小、分辨率高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。4.1.1柔性鏈的力學(xué)模型這里采用的是雙圓弧柔性餃鏈，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2柔性較鏈結(jié)構(gòu)示意圖其繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為：k尸錯(cuò)誤！未找到引用源。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生推力，驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力對(duì)柔性較鏈產(chǎn)生一個(gè) 繞z軸的力矩mz,使得餃鏈繞z軸偏轉(zhuǎn)az角：az二錯(cuò)誤！未找到引用源。驅(qū)動(dòng)力在y向產(chǎn)生

12、位移:ay =錯(cuò)誤！未找到引用源。其中：e為材料的彈性模量；r、t、h、b、為較鏈的圓弧半徑、厚度、高度、及寬度。a.微動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析微動(dòng)臺(tái)采用雙柔性平行四連桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖如圖4-3所示。圖4-3微動(dòng)臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖微動(dòng)臺(tái)采用平面一體式結(jié)構(gòu)，由一塊不銹鋼板經(jīng)由線切割機(jī)切割而成，運(yùn) 用ansys對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行有限元分析，得到其一階固有頻率為737hz,在100n的 驅(qū)動(dòng)力下的位移為47urn,最大應(yīng)力為37. 2mpa,應(yīng)力云圖如圖3所示。微動(dòng)臺(tái) x向和y向的固有頻率的實(shí)測(cè)值為1725hz和1296hzo圖3加100n的應(yīng)力有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值和并這么大，主要有3方面的原因：(1)線切割 過

13、程中的高溫對(duì)微動(dòng)臺(tái)表面形成了淬火，增加了微動(dòng)臺(tái)的剛度，提高了微動(dòng)臺(tái) 的固有頻率。(2)加工過程中，工作臺(tái)內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，增加了工作臺(tái)的 剛度，提高了固有頻率。(3)線切割過程中在微動(dòng)臺(tái)加工表面形成凹坑和凸 緣，與有限元分析的表面拋光的初始條件不同，這也是有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 不同的一個(gè)重要的影響因素。4. 1. 2前饋+模糊控制的復(fù)合控制(a)前饋模型的建立圖壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出遲滯曲線圖4為實(shí)測(cè)的壓電陶瓷執(zhí)行器位移(d) -電壓(u)曲線，可見，各升程曲線之 間，各回程曲線之間存在著明顯的相似性。這樣，便為第一升回程曲線來近視 以后各升回程曲線提供了根據(jù)。第一升回程曲線d=f! (u)u:

14、0 ui (1)式(1)為已知，可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，下面根據(jù)第一升回程曲線通過 坐標(biāo)變換和變比例縮放來求任意一條不同零點(diǎn)的遲滯曲線：d =f/ or)d =kf/ (u-ui) +di式中：k為任意一條遲滯曲線的冋程折返點(diǎn)的位移與第一升冋程曲線折返點(diǎn)的 位移之比；從、口分別為第一冋程折返點(diǎn)的電壓和位移，其值為常數(shù)。通過坐標(biāo)變換和比例縮放得到任意一條遲滯非線性曲線的數(shù)學(xué)模型，作為 微動(dòng)臺(tái)控制信號(hào)的參考輸入。圖 遲滯模型的建立過程(b)模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器原理如圖6所示，參考輸入由前饋模型得到，模糊控制器的輸 入變量有誤差c、課差變化(現(xiàn)實(shí)誤差和上一次謀差之差)，輸入量為控制 電壓u,控

15、制規(guī)格如下:圖模糊控制原理圖控制過程中，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減小由控制規(guī)則計(jì)出來 的控制量仍然是模糊量，經(jīng)過加權(quán)平均判決將莫轉(zhuǎn)化為精確量，得到模糊控制 如表1所示。-43-2-101234a變 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模糊控制表為了彌補(bǔ)一般模糊控制分檔造成的階梯變化，模糊控制器的輸出控制電壓 步長(zhǎng)au為可修止值，在事先輸入，調(diào)整微動(dòng)臺(tái)的控制精度。4.1.3位移測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過d/a轉(zhuǎn)換發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過高壓放大器放大后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷

16、騾動(dòng)器（pzt）,使用傳感器采集位移信號(hào)，最后通過計(jì)算機(jī)a/d采集形成閉環(huán) 控制，微動(dòng)工作臺(tái)位移測(cè)量系統(tǒng)如圖7所示。_aq彳檢電ax才/ 壓電功 胡/工作臺(tái)圖壓電微動(dòng)工作臺(tái)位移測(cè)量系統(tǒng)4. 1. 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用前饋和模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，將開壞控制的穩(wěn)定性與閉壞 控制的高精度相結(jié)合，用4hz的控制信號(hào)對(duì)血二維微動(dòng)臺(tái)進(jìn)行雙向閉環(huán)控制得 到一條控制曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)證明了方法的有效性。圖8二維工作臺(tái)控制曲線4. 2超精密車削用車床微量刀架系統(tǒng)研究現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)加工精度的要求越來越高.為了提高加工精度，可 以采取的措施有：（1）提高原進(jìn)給系統(tǒng)的精度和剛度，減小滑動(dòng)面z間的摩擦 力；（

17、2）采用雙行程機(jī)構(gòu)，即采用傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的初定位，用高剛 度、高分辨率和高響應(yīng)速度的輔助工件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給.就目前國(guó)內(nèi)機(jī)械制 造水平來看，采用第一種措施實(shí)現(xiàn)大行程高精度進(jìn)給和定位還是比較困難的. 因此，采用第二種措施，設(shè)計(jì)一種微進(jìn)給刀架，將其與現(xiàn)冇精密機(jī)床通過簡(jiǎn)單機(jī) 械機(jī)構(gòu)相聯(lián)接實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度具有廣泛的應(yīng)用前景.微進(jìn)給刀架因其采用的驅(qū)動(dòng)元件，彈性預(yù)緊機(jī)構(gòu)及應(yīng)用范圍不同可以冇多 種類型.本文針對(duì)一種由壓電陶瓷（pzt ）作驅(qū)動(dòng)元件、彈性錢鏈作預(yù)緊機(jī)構(gòu) 的整休式車削用微進(jìn)給刀架系統(tǒng)，提岀以輸岀位移作為前提條件的微進(jìn)給刀架 設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法.4. 2.1車削用微進(jìn)給刀架的結(jié)構(gòu)組成微進(jìn)

18、給刀架主要由一對(duì)平行彈性較鏈2、一個(gè)pzt作動(dòng)器5和一個(gè)刀貝基座3 組成，如圖1所示.平行彈性較鏈對(duì)稱安置在刀具基座兩側(cè)，位于較鏈z間的 基座可在水平方向上精確移動(dòng).動(dòng)力源由裝在微進(jìn)給刀架屮心的pzt作動(dòng)器5 提供.為減小或避免pzt作動(dòng)器受較大剪切力作用，前端用鋼球與刀架聯(lián)接. 其后端用調(diào)整墊片4調(diào)整預(yù)緊力，以消除刀具基座與pzt作動(dòng)器之間的間隙， 提高接觸剛度和響應(yīng)速度，進(jìn)而提高微進(jìn)給刀架的分辨率.工作吋pzt作動(dòng)器 在屯壓作用下伸長(zhǎng)，將推動(dòng)前面裝金鋼石刀具的微位移部分1前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)微量 進(jìn)給.1刀架；2彈性餃鏈；3刀具基座；4調(diào)整墊片；5pzt作動(dòng)器；6沉頭螺釘圖1微進(jìn)給刀架結(jié)構(gòu)示意圖fi

19、g. 1 micro-feeding too 1 holder4. 2. 2 微進(jìn)給刀架的設(shè)計(jì)微進(jìn)給刀架是超精密加工的關(guān)鍵裝置，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮刀架的輸出位移、 分辨率、定位精度、位移行程范圍、結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)工藝性等幾方面因索.考 慮到壓電陶瓷的特性和微進(jìn)給刀架的使用條件，在設(shè)計(jì)時(shí)還?？紤]預(yù)緊力的人 小和加載方法等因素.1.彈性餃鏈的設(shè)計(jì)彈性較鏈?zhǔn)且环N帶圓弧切口的一體化結(jié)構(gòu)的新型較鏈，具有摩擦小、精度 高等優(yōu)點(diǎn).在實(shí)際設(shè)計(jì)過程屮，彈性餃鏈的設(shè)計(jì)需要參考以下的性能指標(biāo)來確 定尺寸參數(shù)：輸岀位移、彎曲剛度、最大應(yīng)力和應(yīng)力分布等.彈性餃鏈的剛度 是一個(gè)很重要的參數(shù)，它直接影響微進(jìn)給平臺(tái)的輸出位移和靜動(dòng)

20、態(tài)特性彈性較 鏈的剛度越人，微進(jìn)給平臺(tái)的實(shí)際工作范圍越小，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力越 大而剛度過小，將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)平臺(tái)在快速運(yùn)動(dòng)過程屮與壓電陶瓷分離產(chǎn)生過沖現(xiàn) 象因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)所要求的微進(jìn)給刀架的最大行程條件下，使 較鏈具有最大的剛度；同時(shí)，在較鏈薄弱處的最大應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力彈性較鏈在實(shí)際使用時(shí)，一端固聯(lián)在基座上，另一端承受載荷發(fā)生彈性變形，如 圖2所示.圖2彈性較鏈fig.2 single-axis flexure hinge單個(gè)彈性較鏈在彎矩mz作用下繞z軸的偏轉(zhuǎn)角。及轉(zhuǎn)角剛度k。為：當(dāng)t«r時(shí)，0 = 錯(cuò)誤！未找到引用源。，乩二錯(cuò)誤！未找 到引用源。.在彎矩w作用

21、下，彈性較鏈rtr丁彎曲在圓弧切口端部，產(chǎn)生的y向位移1、 變形剛度（進(jìn)給方向剛度）ke為：1=錯(cuò)誤！未找到引用源。，kf錯(cuò)誤！未找到引用源。，式（1）中，r為彈性較鏈圓弧半徑，mz為作用于彈性較鏈上的彎矩，t 為彈性錢薄壁厚度，e為材料的彈性模量，1為彈性餃鏈的y向位移在車削用 微進(jìn)給刀架中，一般采用如圖1所示雙平行較鏈機(jī)構(gòu)，其進(jìn)給剛度為：k尸錯(cuò)誤！未找到引用源。二錯(cuò)誤！未找到引用源。，（2）式（2）屮，l1為雙平行較鏈一側(cè)的相鄰切割圓截而小心距.式（2）可作為雙平行彈性較鏈初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù).此時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求 的刀架輸出位移及pzt作動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)，利用后文的式（3）計(jì)算彈性餃鏈等效剛度

22、，在得到等效剛度值的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，先確定出尺寸b, r , l1 ,這樣，利用式（2）不難定岀t值.結(jié)構(gòu)尺寸確定后，可利用冇限元法對(duì) 其剛度和應(yīng)力進(jìn)行校核.一般由于彈性餃鏈?zhǔn)芰εc變形都很小，產(chǎn)生的應(yīng)力值 會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，因此可不作應(yīng)力的校核.式（2）和式（3）中彈性較鏈剛度與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定如圖3所示.從圖3可以看出，彈性較鏈在彎矩作用下的剛度、應(yīng)力、位移等與較鏈的 高度h無關(guān)，主要原因是較鏈的彎曲絕大部分發(fā)生在較鏈的中央薄壁處，因此 較鏈的高度就顯得不重要了.較鏈寬度b 和餃傍we體姣璉忖度fif位移輸出及pnt參數(shù)|圖3彈性較鏈剛度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定順序圖fig. 3 desi

23、gn for the structural parameter and stiffness of the flexure hinges2. pzt作動(dòng)器設(shè)計(jì)與選擇壓電陶瓷是fl前應(yīng)用最廣的智能材料.由于它的壓電系數(shù)很小，位移輸出 量很難滿足要求，因此采用多組壓電片在力學(xué)上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)的設(shè)計(jì)思想, 構(gòu)成壓電堆，使各壓電片產(chǎn)生的位移可以疊加輸岀，輸岀位移的大小由疊層層 數(shù)和電場(chǎng)大小控制.當(dāng)輸岀位移受到彈性餃鏈的限制時(shí)，它就可以輸岀驅(qū)動(dòng)力, 輸出馭動(dòng)力的同時(shí)，輸出的位移量減小.圖4為某壓電陶瓷作動(dòng)器的輸出位移 與驅(qū)動(dòng)力關(guān)系圖，a b為電壓100 v時(shí)陶瓷作動(dòng)器的輸岀位移與驅(qū)動(dòng)力關(guān)系曲 線，a b

24、以下為0100 v電壓下壓電陶瓷作動(dòng)器的工作范圍，0c為彈性較鏈 剛度為400n/叭工作電壓為0100 v時(shí)的壓電陶瓷作動(dòng)器位移與力關(guān)系曲線. c點(diǎn)是工作電壓100 v時(shí)刀架輸出位移與力的值從圖4中可以得出，不計(jì)切 削力與預(yù)緊力，在某電壓值下，pzt作動(dòng)器輸出位移為：1二錯(cuò)誤！未找到引用源。lo ,輸出的驅(qū)動(dòng)力為:f= ky 1 ° 0123456力/kn圖4輸出力特性曲性fig4 throutpul (iiara<-trristics ciirvr當(dāng)作動(dòng)器電壓達(dá)到最大值吋，pzt作動(dòng)器輸出最大位移（也是刀架的最大輸 出位移）為：lmax=錯(cuò)誤！未找到引用源。lpztmax ,

25、（ 3）輸出的最大驅(qū)動(dòng)力為：hmax- ky * lmax （4）由于微進(jìn)給刀架每一組成元件的制造精度有限，裝配后各接觸面z間會(huì)產(chǎn) 生接觸不緊密的現(xiàn)彖，因此，需耍增加預(yù)緊力.增加預(yù)緊力不僅能夠補(bǔ)償英間隙, 同時(shí)可以使系統(tǒng)的剛度、頻響及分辨率得到提高；但帶來的負(fù)面影響是，若陶 瓷作動(dòng)器的設(shè)計(jì)載荷不足，將減小微進(jìn)給系統(tǒng)的工作行程.因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際 情況在不超過陶瓷作動(dòng)器的設(shè)計(jì)載荷和不減小設(shè)計(jì)輸出位移的條件下，施加盡 可能大的預(yù)緊力.增加恒值預(yù)緊力后，不影響輸出位移，只是使零點(diǎn)有部分平移.但pzt作 動(dòng)器承受的最大載荷增加為：f'設(shè)計(jì)吋應(yīng)使最大載荷小于pzt作動(dòng)器的設(shè)計(jì)載荷（即最大推力）式（

26、3）至式（5）中，k陳為pzt作動(dòng)器的等效剛度；ky為彈性較鏈的等 效剛度；1°, 1, f分別為某電壓值下pzt作動(dòng)器自由狀態(tài)的輸岀位移、彈性力 作用下的輸出位移、驅(qū)動(dòng)力；st喚，1喚， 分別為最大電壓值下pzt作 動(dòng)器的最大自由（名義）仲長(zhǎng)量、刀架實(shí)際輸出的最大位移、pzt作動(dòng)器輸出 的最大驅(qū)動(dòng)力；f'為預(yù)緊力；f為pzt作動(dòng)器承受的最大載荷.式（3）至式（5）可作為已知工作臺(tái)最大輸出位移時(shí)pzt作動(dòng)器設(shè)計(jì)、選 擇及彈性餃鏈冇效剛度確定的依據(jù)值得注意的是，在確定pzt作動(dòng)器剛度也丁 及彈性較鏈有效剛度x時(shí)，還應(yīng)考慮它們對(duì)系統(tǒng)剛度k的影響.3.微進(jìn)給刀架系統(tǒng)剛度及其振動(dòng)特性

27、微進(jìn)給刀架進(jìn)給方向的系統(tǒng)剛度k是由壓電陶瓷的剛度k陳和彈性較鏈剛 度ky共同決定的，k= ky+ kpzt （6）微進(jìn)給刀架的系統(tǒng)剛度是影響平臺(tái)振動(dòng)特性（同冇頻率和振型）的重要參 數(shù).在微進(jìn)給刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求微進(jìn)給刀架有足夠高的系統(tǒng)剛度，以防止 加工過程中工作臺(tái)受到切削力及機(jī)床低頻振動(dòng)的影響，產(chǎn)生變形或共振現(xiàn)象.模態(tài)分析是用于確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)振動(dòng)特性的種技術(shù).進(jìn)行模態(tài)分析吋，微 進(jìn)給刀架的有阻尼自由振動(dòng)方程為：m錯(cuò)誤！未找到引用源。 + c錯(cuò)誤！未找到引用源。 + k u = 0 , （ 7）式（7）屮，m 質(zhì)量矩陣；c阻尼比矩陣；k剛度矩陣；錯(cuò)誤！未找到引用源。 節(jié)點(diǎn)的加速度向量；錯(cuò)誤！未找

28、到引用源。 節(jié)點(diǎn)的速度向量；u節(jié)點(diǎn)的位移向量.式（7）的特征值問題為：（k + i3c -（o2m ） u二 0, （ 8）式（8）屮，3?（固有頻率的平方）表示特征值，u（振型，它不隨時(shí) 間而變化）表示特征向量.理想的模態(tài)分析結(jié)果應(yīng)使第一階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作頻率和機(jī)床振動(dòng)頻 率，否則應(yīng)改變刀架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，壇加系統(tǒng)剛度.4. 2. 3基于有限元的刀架靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性分析下而利用理論計(jì)算公式對(duì)刀架進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.以設(shè)計(jì)一臺(tái)輸岀位移1環(huán)二9um 的微進(jìn)給刀架為例，選擇pzt作動(dòng)器的最大名義伸長(zhǎng)量1際理二10m,剛度1陳= 98 n/um,則彈性餃鏈冇效剛度ky二10. 89 n/um.彈性餃鏈結(jié)構(gòu)設(shè)

29、計(jì)完成后，重 新計(jì)算，得出ky二 10. 58 n/um, lmax= 9.03 um,則f腫 95.5 n.選取f = 56. 5n , 則f'碎二ff = 152 n.刀架整體剛度k二ky + k,>zt二10&58 n/um,進(jìn)給方 向固定頻率f二1852 hz.刀架本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而在公式推導(dǎo)過程中采用了簡(jiǎn)化模型，所以有必 要利用有限單元法對(duì)刀架靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，以驗(yàn)證彈性餃鏈的剛度、 丿j架的整體剛度、微進(jìn)給丿j架的固有頻率和振型以及丿j架的諧波響應(yīng)是否與理 論設(shè)計(jì)相符，是否滿足設(shè)計(jì)的要求.1.利用有限單元法進(jìn)行剛度校核基于両述的理論設(shè)計(jì)，制作了微進(jìn)給刀

30、架模型將集中力f分別作用于刀 架及彈性餃鏈進(jìn)行冇限元計(jì)算，可以得出在力作用下的輸出位移1，從而由力 和模型的變形量，根據(jù)公式k尸f/1求出刀架的整體剛度和彈性錢鏈的等效剛 度.ansys有限元處理包括三個(gè)階段：前處理、求解及后處理.前處理主要包描 定義單元類型、定義實(shí)常數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、 定義邊界條件等.就雙平行錢鏈來講，采用65 mn鋼線切割而成，材料特性如下：彈性模量 為2.06x1011,泊松比為0.3,密度為7. 85 kg/ m3;在分析中采用s0lid92單元 進(jìn)行彈性較鏈的單元?jiǎng)澐?，定義邊界條件為：平臺(tái)實(shí)施底面全部約束，在刀具 基座的進(jìn)給方向施加集屮力

31、嚴(yán)杯二152 n （此時(shí)彈性餃鏈產(chǎn)生的應(yīng)力將為最大 應(yīng)力，產(chǎn)生的變形為最大變形）通過有限元的求解及后處理，得到模型的變形圖，進(jìn)而得到彈性較鏈的最 大變形為13 um（包含由于預(yù)緊力56. 5 n產(chǎn)生的彈性較鏈初始位移4. 83 um）, 最大應(yīng)力為32.1 mpa （遠(yuǎn)小于65 mn鋼的應(yīng)力極限1000 mpa）.根據(jù)公式k尸f/1 即求出刀架彈性錢鏈的等效彈性剛度加11.69 n/ um（通過將不同的力作用于 錢鏈，發(fā)現(xiàn)力與變形呈線性關(guān)系，即等效剛度基本為恒值）；將集中力95. 5 n 作用于餃鏈，得到刀架的最大輸岀位移lxax =8. 17 um.在冇限元模型屮，將壓電陶瓷與彈性餃鏈相粘結(jié)

32、，構(gòu)成刀架的整體冇限元 模型，設(shè)置壓電陶瓷材料的彈性模量為5.2x1o10 （根據(jù)壓電陶瓷剛度及結(jié)構(gòu)計(jì) 算獲得）；在152 n載荷作用下，產(chǎn)生位移為1.43 um,系統(tǒng)進(jìn)給方向的剛度為 106.3 n/ um.超精加工屮，進(jìn)給5 um車削45鋼的車削力為6 n左右，在預(yù)定 精度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的工作臺(tái)可以滿足加工剛度的要求.上述有限元分析結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，從而證明了理論設(shè)計(jì)的可靠性.2利用有限單元法對(duì)微進(jìn)給刀架進(jìn)行模態(tài)分析利用block lanczos方法對(duì)微進(jìn)給刀架進(jìn)行模態(tài)分析，得到微進(jìn)給刀架的 前三階模態(tài)固有頻率（表1）分析過程中，施加預(yù)緊力是通過對(duì)刀架模型施加 邊界條件初始位移來實(shí)現(xiàn)的.

33、表1微進(jìn)給刀架的模態(tài)因有頻率及剛度t able 1 f rtpirncy and mtiffw*ss of t hr micro-fccciing tool holder施力情況模態(tài)固有頻率/hz-系統(tǒng)剛度/(n/pm)車刀主運(yùn) 動(dòng)方向第階抓型主軸軸 向第二 階搬型進(jìn)給方 向第三 階旅型不加預(yù)緊力1 731. 71 806. 61 851. 8106. 3加預(yù)緊力56. 5 n1 733.41 806. 81 894. 3114. 3由表1可知，設(shè)計(jì)要求的工作頻率遠(yuǎn)小于第一階固有頻率；沿進(jìn)給方向上, 平臺(tái)固有頻率比較高，動(dòng)態(tài)剛度比較大，因此能較好地克服振動(dòng)的影響，符合加 工進(jìn)給的要求.為系統(tǒng)增

34、加56. 5 n預(yù)緊力后，進(jìn)給方向的整體剛度、固有頻率 都冇所提高.增加進(jìn)給方向的預(yù)緊力對(duì)其他方向的剛度、頻率影響不大.4. 2.4微進(jìn)給刀架實(shí)驗(yàn)分析在通過理論的設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析軟件對(duì)微進(jìn)給平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及 模擬性能實(shí)驗(yàn)后，對(duì)已制造完成的微進(jìn)給平臺(tái)綜合性能及其應(yīng)用進(jìn)行必要的試 驗(yàn)，了解微進(jìn)給平臺(tái)的實(shí)際性能參數(shù)，對(duì)微進(jìn)給平臺(tái)的改進(jìn)及使用具有必要冃 現(xiàn)實(shí)的意義.1.微進(jìn)給刀架的輸出位移圖6是開環(huán)控制下所做實(shí)驗(yàn)得到的控制電壓和輸出位移關(guān)系圖.盡管升壓 曲線和降壓曲線不重合，存在著很大的遲滯現(xiàn)象，但對(duì)輸出位移的最大值并不影 響.從圖屮可以看岀：微進(jìn)給刀架的最大輸出位移為9 um,與理論計(jì)算值9

35、. 02um 近乎相等，從而驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性.曲絨i圖6穩(wěn)態(tài)控制電壓與位移呈關(guān)系圖fig 6 ('hang of the clispladrnrnt with control voltage2.微進(jìn)給刀架位移分辨率微進(jìn)給刀架位移分辨率受綜合因索的影響，具體數(shù)據(jù)只能出實(shí)驗(yàn)獲得.圖7中所得分辨率曲線為以4 v作為基礎(chǔ)電壓，然后通過計(jì)算機(jī)以3 mv為單位 逐漸升高或降低電壓，并在每個(gè)電壓值上保持0.3 s吋間得到的.由圖屮可以看 出：微進(jìn)給刀架的最小位移分辨率遠(yuǎn)小于8 rnn,滿足設(shè)計(jì)要求.微進(jìn)給刀架的最小位移分辨率主要與d/ a轉(zhuǎn)換器和環(huán)境噪聲有關(guān)，如果提 高d/ a轉(zhuǎn)換器的精度并減

36、小環(huán)境噪聲的影響，微進(jìn)給刀架的最小位移分辨率將 進(jìn)一步提咼.圖7微進(jìn)給刀架位移分辨率曲線圖fig. 7 rttsolul ion curve of the holder3. 微進(jìn)給刀架的響應(yīng)特性對(duì)微進(jìn)給刀架進(jìn)行了充放電時(shí)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn).圖8為微進(jìn)給刀架放電時(shí) 的階躍響應(yīng)曲線，由圖可以看出：系統(tǒng)阻尼較大，階躍響應(yīng)曲線無振蕩、無超 調(diào)，系統(tǒng)穩(wěn)定；其響應(yīng)時(shí)間小于0. 03 s,滿足設(shè)計(jì)要求的50 hz的頻響要求 （響應(yīng)時(shí)間為0. 04 s）o圖8放電時(shí)的階躍響應(yīng)曲線i 4 v控制電壓fig. 8 the step respond rune for discharging ( 4 v4. 2.5 總結(jié)

37、用本文提出的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)計(jì)算方法設(shè)計(jì)的以pzt作動(dòng)器為動(dòng)力源，彈 性較鏈為彈性變形元件的新型微進(jìn)給刀架，其位移輸出特性、分辨率及靜動(dòng)態(tài) 特性都能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，因此也驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)方法的可行性.4. 3壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊隨著高新技術(shù)在各前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，納米定位技術(shù)已 成為關(guān)鍵技術(shù)z，納米定位技術(shù)要求納米級(jí)工作臺(tái)系統(tǒng)貝有高的馭動(dòng)精度和 響應(yīng)特性。而這些性能主要決定于其控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要由微機(jī)控制裝 置、驅(qū)動(dòng)電源和檢測(cè)傳感裝置三個(gè)部分組成。其中驅(qū)動(dòng)電源部分是整個(gè)控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件z-o如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出范圍寬，分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和 穩(wěn)定性好，馭動(dòng)能力強(qiáng)的連續(xù)可調(diào)直流電

38、壓驅(qū)動(dòng)源是浙江省口然基金資助項(xiàng) 目基于壓電的納米級(jí)工作臺(tái)系統(tǒng)智能化控制方法研究課題中的一個(gè)關(guān) 鍵問題。木文依據(jù)多級(jí)可控電壓源串聯(lián)的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于d/a集成控 制的納米級(jí)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源。4. 3. 1基于d/a集成控制多級(jí)可控電壓木驅(qū)動(dòng)電源在設(shè)計(jì)過程中，采用了電壓源串聯(lián)的設(shè)計(jì)思想，將一個(gè)相對(duì)技 術(shù)要求較高的0300v、1 a調(diào)壓電源簡(jiǎn)化成一個(gè)技術(shù)和對(duì)成熟的030v、 1.5a可調(diào)電源設(shè)計(jì)，并采用單片機(jī)和d/a模塊集成控制，使整個(gè)設(shè)計(jì)在保證性 能前提下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成木降低，易于整個(gè)壓電陶瓷微位移器的計(jì)算機(jī)控制。 在驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)時(shí)，采用了計(jì)算機(jī)仿真的手段，有效的縮短了開發(fā)周期。、驅(qū)動(dòng)電源特

39、點(diǎn)和設(shè)計(jì)納米級(jí)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件是壓電陶瓷，當(dāng)它逆壓電應(yīng)用時(shí)可發(fā)生品體變形, 從而推動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)；當(dāng)它逆壓電工作時(shí)，其電氣負(fù)載特性與電容器相似，在工 作屯壓范圍內(nèi)漏電流很小。對(duì)于提供壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源，其負(fù)載可看成是一 個(gè)純電容，在穩(wěn)態(tài)時(shí)功耗為零。根據(jù)壓電陶瓷上述電特性，要求納米級(jí)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電源：(1) 納米級(jí)工作臺(tái)應(yīng)用在高精度場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)定性高，且保持小的 脈動(dòng)波紋(50 mv ) o(2) 輸出電壓值范圍較寬(0300 v ),并在相應(yīng)范圍內(nèi)可數(shù)字控制，電 壓值連續(xù)可調(diào)，并一直接與計(jì)算機(jī)組態(tài)。(3) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，其標(biāo)稱功率較小，但對(duì)于電容性負(fù)載能提供足夠大的瞬 間電流(1 a )。(

40、4) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，頻響特性較高，滿足納米級(jí)工作的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求 (500 hz)o為實(shí)現(xiàn)高精度可控穩(wěn)壓輸岀，驅(qū)動(dòng)電源通常采用一直流放大式電路設(shè)計(jì)，其 系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。圖1宜淹放夬式驢動(dòng)電源原理庭圖計(jì)算機(jī)通過d/a轉(zhuǎn)換模塊提供精確的基準(zhǔn)屯壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放人屯路和功 率放大電路放大后輸岀0300 v 一直流可調(diào)驅(qū)動(dòng)電壓。這種設(shè)計(jì)方法基于傳統(tǒng) 運(yùn)算放大電路和功率放大電路結(jié)構(gòu)，0300 v的輸岀電壓是由一個(gè)05 v基 準(zhǔn)控制信號(hào)經(jīng)放大所得，整個(gè)系統(tǒng)放大倍數(shù)大，一般放大倍數(shù)外二300/5= 60 倍。但當(dāng)在輸入屯壓中或整個(gè)系統(tǒng)中存在誤差和干擾信號(hào)吋，它們也同樣得到 放大，導(dǎo)致放大器的輸出產(chǎn)

41、生較大幅度的波動(dòng)，開環(huán)形式的誤差放大器輸岀其 至帶有開關(guān)性質(zhì)。另外高倍數(shù)的功率放犬系統(tǒng)自身的性能也會(huì)影響輸岀屯壓的 穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性，要實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)要求，就要求有高精度的功率放人器件和 相應(yīng)的控制電路。這將影響到電源的成本。針對(duì)上述設(shè)計(jì)中存在的問題，本文在壓電陶瓷納米級(jí)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè) 計(jì)中提出了用屯壓源串聯(lián)的設(shè)計(jì)思想，采用化整為零的方法，將10個(gè)高性能的 030 v獨(dú)立可調(diào)數(shù)控電壓源，串聯(lián)組成一個(gè)0300 v納米級(jí)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng) 屯源?？紤]對(duì)驅(qū)動(dòng)屯源系統(tǒng)與納米級(jí)工作臺(tái)系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)組態(tài)，整個(gè)屯源 采用一片a tm el 89c2051單片機(jī)集成控制，選用rs2232串行口和計(jì)算機(jī)通信, 接

42、收上位機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令；單片機(jī)與各個(gè)獨(dú)立可調(diào)電壓源的聯(lián)系通過10片8位d/a模塊tlv 5624實(shí)現(xiàn)。8位d/a模塊最多可實(shí)現(xiàn)256級(jí)輸岀，木系統(tǒng)用其中 的200級(jí)，輸出05 v的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，分辨率為5/200= 0. 025 v二25 mv; 分別作為10個(gè)獨(dú)立可調(diào)電壓源的控制信號(hào)。每個(gè)可調(diào)電壓源輸岀電壓范圍在0 30 v ,步長(zhǎng)150 mv ,整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源輸出0300 v電壓，共分2 000級(jí)。 系統(tǒng)的控制信號(hào)與輸岀電壓之比為= 30/5= 6倍，整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。30 v.> 30qv220 y殳流電海din/sclk捋可調(diào)30220 v遼汎電瀝atmel89c2o51

43、30 v想可調(diào)30圖2騾動(dòng)電源系統(tǒng)的原理框圖由圖可知，整個(gè)驅(qū)動(dòng)屯源的穩(wěn)壓性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性主要決定于每個(gè)獨(dú)立 可調(diào)屯壓源的性能，為保證獨(dú)立可調(diào)屯壓源有足夠的工作屯流、穩(wěn)定工作屯壓 和動(dòng)態(tài)特性，選用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的三端可調(diào)整穩(wěn)壓器集成屯路lm 317作為獨(dú)立電源單元的穩(wěn)壓元件，該元件最大可提供115 a工作電流，輸岀 屯壓可在11237v之間變化，輸出端電壓可隨控制端電壓變化，輸岀端電壓 與控制端電壓差保持1125 v ,并可浮動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)級(jí)間串聯(lián)，元件內(nèi)部自帶了 過載保護(hù)屯路，滿足系統(tǒng)的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)，并無需外設(shè)保護(hù)電路，使穩(wěn)壓電路 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由單片機(jī)控制的d/a模塊，用ref191作

44、為參考電壓源，參考電壓選 擇2. 048 v;其輸出的基準(zhǔn)屯壓信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器和比例放大器放大至- 1.25 28. 75v ,接lm 317的控制腳,控制電壓源輸出電壓為030 v。數(shù)控可調(diào)0 30 v電壓源單元電路如圖3所示。超3數(shù)搏岡調(diào)0- 30 v電壓源學(xué)兀電路圖二、驅(qū)動(dòng)電源性能的仿真測(cè)試為測(cè)試驅(qū)動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)特性，我們?cè)趐ro tel sm 99中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè) 試。從屯源系統(tǒng)的組成可知，系統(tǒng)的穩(wěn)壓屯路是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的主耍原因, 即運(yùn)算放大電路部分和三端穩(wěn)壓模塊。為此我們針對(duì)這部分電路設(shè)計(jì)了仿真電 路，選擇500 hz正弦信號(hào)和單位脈沖信號(hào)作輸入信號(hào)，仿真測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能。

45、仿真分兩步實(shí)施，首先仿真測(cè)試數(shù)控可調(diào)030 v電壓源單元性能，根據(jù) 壓屯陶瓷的電負(fù)載特性，用一個(gè)1.3 uf的電容模擬pzt。調(diào)用sm系統(tǒng)提供的標(biāo) 準(zhǔn)單位脈沖信號(hào)源和500 hz正弦交流信號(hào)源作為仿真的輸入信號(hào)，運(yùn)行protel sm軟件，測(cè)得其輸岀響應(yīng)如圖4所示。時(shí)間/ms圖4 0- 30v數(shù)捽可調(diào)電爪源單兀的響向曲線曲5 2個(gè)獨(dú)j電爪渕單兀申聯(lián)時(shí)榆出響廟曲線從仿真結(jié)果可知，用lm 317實(shí)現(xiàn)的單個(gè)電壓源的動(dòng)態(tài)特性完全適應(yīng)壓電陶 瓷微位移器的工作耍求，在500脫正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)作用下，輸岀跟隨輸入 動(dòng)作，并保持波形不變。第二步將2個(gè)電壓源單元串聯(lián)在一起，選用同樣的輸 入信號(hào)，測(cè)試電壓源單元

46、串聯(lián)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生的影響。測(cè)得在2個(gè)電壓源 單元串聯(lián)時(shí)的輸岀響應(yīng)如圖5所示。比較圖4、5可知，串聯(lián)基木不影響系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)性能。44支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4. 4.1支承件的設(shè)計(jì)要求及步龍一、支承件的設(shè)計(jì)要求1、足夠的靜剛度和較高的剛度/重量比；2、良好的動(dòng)態(tài)特性；3、較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；4、便于制造、裝配、維修、排屑和吊運(yùn)及考慮切削液及潤(rùn)滑油回收、液 壓、電器裝置的安置等。二、支承件的設(shè)計(jì)基本步驟1 根據(jù)支承件的使用要求進(jìn)行受力分析，再根據(jù)所受的力、熱變形和其它要求 （如排屑、切削液及潤(rùn)滑油回收、其它零部件安置等），并參考機(jī)床的同型 件，初步設(shè)計(jì)其基木形狀和尺寸。2.可以用有限元法，借助于電

47、子計(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算，求解支承件的靜剛度和動(dòng)態(tài) 剛度，避免盲目性，提高成功率。3根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，或?qū)讉€(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，選擇最佳方案。4. 4.2支承件剛度一、支承件受力分析為了保證有足夠的剛度，必須了解支承件的受力情況以及產(chǎn)生的變形，了 解由此引起的加工誤差，從而合理設(shè)計(jì)支承件的結(jié)構(gòu)。1. 不同機(jī)床所受載荷的特點(diǎn)1）對(duì)于中小型普通機(jī)床，應(yīng)以切削力為主，工件重量、移動(dòng)部件重量等在 受力和變形分析時(shí)可忽略不計(jì)，如鉆床、銃床、中型車床等。2）對(duì)于精密機(jī)床和高精度機(jī)床，其切削力較小，應(yīng)以移動(dòng)部件的重量和熱 應(yīng)力為主，如雙柱立式坐標(biāo)鏗床。3）對(duì)于大型、重型機(jī)床則需要同時(shí)考慮工件重量，移動(dòng)部件重量

48、和切削 力，如雙柱立式車床、落地鎮(zhèn)銃床等。2. 不同形狀支承件的簡(jiǎn)化支承件根據(jù)其形狀不同一般可簡(jiǎn)化為梁、板、箱三種類型。1) 梁件一個(gè)方向的尺寸比另兩個(gè)方向大得多的零件。女lh床身、立柱、橫梁等。2) .板件一一兩個(gè)方向的尺寸比第三個(gè)方向大得多的零件。如：底座、工作臺(tái)、刀架等。3) 箱體件三個(gè)方向的尺寸都差不多的零件。如箱體、升降臺(tái)等。二、支承件靜剛度支承件的變形一般包括自身變形、局部變形和接觸變形。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意 這三類變形的匹配，并應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)予以加強(qiáng)。三、提高支承件本體剛度1. 正確選擇界面的形狀和尺寸支承件主要是承受力矩、扭矩以及彎扭復(fù)合載荷，所以自身剛度主要是考 慮彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度

49、。在彎、扭載荷作用下，支承件的變形與截面的抗彎慣 性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料和截面積相同而形狀不同吋，截面慣性矩相差很 大，因此應(yīng)正確選擇截面的形狀和尺寸以提高自身剛度：1)截面積相同時(shí)空心 截面剛度人于實(shí)心界面剛度。2)方形截面的抗彎剛度高于圓形截面，而抗扭 剛度較低。3)不封閉的截面比封閉的截面剛度顯著下降，特別是抗扭剛度下 降更多。減少接觸而的層數(shù)是捉高接觸剛度的最好方法。但具體設(shè)計(jì)時(shí)，常限于結(jié) 構(gòu)或功能上的原因而不能減少接觸面的層數(shù)，此時(shí)可采用以下措施：(1) 導(dǎo)軌面和重要的固定結(jié)合面必須配刮或配磨。(2) 固定螺釘連接時(shí)，通常應(yīng)使接觸面間的平均預(yù)壓壓強(qiáng)不小于2mpa,以 消除表面微觀

50、不平度的影響，并據(jù)此確定固定螺釘?shù)闹睆?、?shù)量、布置位置以 及擰緊螺釘時(shí)施加的力。裝配時(shí)可用測(cè)力扳手來擰緊螺釘。4. 5 材料選擇一、鑄鐵鑄鐵是含碳大于2.1%的鐵碳合金，它是將鑄造生鐵(部分煉鋼生鐵)在爐 中重新熔化，并加進(jìn)鐵合金、廢鋼、回爐鐵調(diào)整成分而得到。與生鐵區(qū)別是鑄 鐵是二次加工，大都加工成鑄鐵件。鑄鐵件具冇優(yōu)良的鑄造性可制成復(fù)雜零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和消震性良好，價(jià)格低等特 點(diǎn)。二、鋼板碳鋼的在性能上主要有以下兒方面的不足：(1) 淬透性低一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有10mm-20mmo(2) 強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較低 如普通碳鋼q235鋼的0 s為235mp

51、a,而低盒 金結(jié)構(gòu)鋼16mn的0 s則為360mpa以上。40鋼的。s /。b僅為0. 43, 遠(yuǎn)低于合金鋼。(3) 回火穩(wěn)定性差由于回火穩(wěn)定性差，碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，為了 保證較高的強(qiáng)度需采用較低的回火溫度，這樣鋼的韌性就偏低；為了保 證較好的韌性，采用高的回火溫度時(shí)強(qiáng)度乂偏低，所以碳鋼的綜合機(jī)械 性能水平不高。(4) 不能滿足特姝性能的要求 碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、 耐磨損以及特殊電磁性等方而往往較差，不能滿足特殊使用性能的需 求。鋼板是用鋼水澆注，冷卻后壓制而成的平板狀翅1。物理特性：密度：2790-3070 kg/m3 抗壓強(qiáng)度：1000-3000 kg/cm2 彈性模量：

52、1. 3-1. 5x106 kg/cm3 吸水率:0. 13 %肖氏硬度： hs 70 比重：26275支承件的材料主要為鑄鐵和鋼。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支承件(主要為床身、 立柱、底座等)近年來有較大的發(fā)展。對(duì)于鑄鐵支承件，如果導(dǎo)軌與支承件鑄為一體，則鑄鐵的牌號(hào)應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌 的耍求選擇；如果導(dǎo)軌是鑲嵌上去的，或者支承件上沒有導(dǎo)軌，則一般可采用 ht150o如果支承件由型鋼和鋼板焊接，則常用3號(hào)或5號(hào)鋼。在鑄造或焊接中的殘余應(yīng)力，將使支承件產(chǎn)生變形。因此，必須進(jìn)行時(shí)效 處理以消除殘余應(yīng)力。時(shí)效方法冇自然時(shí)效、人工時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效三種。選擇何種？ ？4.6導(dǎo)向?qū)к壍脑O(shè)計(jì)一、床身與導(dǎo)軌連接處的局部過渡3）床

53、身與導(dǎo)軌單壁連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較差，適用于承受小載荷。b）單壁減薄與加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)剛度校前者好，適用丁屮等載荷。c）雙壁連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛度較高，適用于中、重載。d）直接連接，沒有過渡璧導(dǎo)軌的局部剛度最高。b)c ）d）圖4-10 支承件與導(dǎo)軌連接的過渡壁二、提高接觸剛度減小接觸面的層次，是提高接觸剛度的最好方法。如因結(jié)構(gòu)原因不能減 小，可采取下列措施：1. 導(dǎo)軌面和重要的固定固定結(jié)合面必須配刮和配磨；2. 以固定螺釘聯(lián)接吋，通常應(yīng)使接觸面間的平均預(yù)壓壓強(qiáng)不得小于2mpa,以消 除表面微觀不平度的影響。4. 7伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)4. 7.1系統(tǒng)硬件組成及工作原理該微進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)由微計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)、

54、電感式位移傳感器（包括 高精度電感測(cè)頭、電感傳感器信號(hào)處理電路）；、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括壓電陶瓷微位移 器、高壓驅(qū)動(dòng)電源、彈性體及d/a轉(zhuǎn)換電路）、i/o通用接口等幾個(gè)部分組成， 系統(tǒng)框如下圖所示。岡i 基于微機(jī)控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)的突出特點(diǎn)z是將作為檢測(cè)元件的高精度電感測(cè)頭和微進(jìn)給裝置一體化， 使操作更加靈活可靠；第二是控制系統(tǒng)可分別選用微機(jī)或單片系統(tǒng)，利用微機(jī) 的豐富資源，可擴(kuò)'展多種功能，提高控制效率；單片機(jī)系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)小型化，結(jié) 構(gòu)緊湊，便于現(xiàn)場(chǎng)使用.實(shí)現(xiàn)高精度微量進(jìn)給時(shí)，采用閉環(huán)控制方式。微機(jī)將控制信號(hào)通過12位 d/a轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出到壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電

55、源，后者將電壓放人100 倍后加在壓電陶瓷上使其產(chǎn)生位移6;此時(shí)已裝入壓電陶瓷推動(dòng)裝置小的高精度 電感測(cè)頭將對(duì)位移量進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果通過電感板處理電路回送至微機(jī)； 微機(jī)將測(cè)得的當(dāng)前位移量與目標(biāo)位移量進(jìn)行對(duì)比，求岀誤差值后再把修止的信 號(hào)送給d/a轉(zhuǎn)換電路繼續(xù)進(jìn)行控制，直到最后的位移量在允許的誤井范圍內(nèi) 止。采用這種控制方式可使微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度幾乎不受溫度、壓電陶瓷非線 性、蠕變和滯后等因素的影響，而只與電感測(cè)頭的檢測(cè)精度和d/a轉(zhuǎn)換的量化 誤差及控制精度冇關(guān)，從而口j以保證系統(tǒng)的控制精度。在進(jìn)行適時(shí)補(bǔ)償控制時(shí)， 為了提高響應(yīng)速度可以采用開環(huán)方式。壓電陶瓷雖然具有磁滯非線性，但總能 通過實(shí)

56、驗(yàn)手段找到其線性度比較好的部分，因?yàn)檠a(bǔ)償控制的進(jìn)給量非常?。ㄒ话?都低于1）所以在這一段實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制是完全可行的。開環(huán)控制的流程是：微機(jī) 預(yù)先將控制量計(jì)算好，經(jīng)量化處理后送到d/a轉(zhuǎn)換電路；高壓駆動(dòng)電源將控制 電壓放大并輸出到壓電陶瓷上使之產(chǎn)生期望的位移量。以卜將對(duì)系統(tǒng)各主要部分的工作原理加以介紹。4. 7.2微進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成環(huán)節(jié)及工作原理執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由壓電陶瓷微位移器、彈性體、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及高壓驅(qū)動(dòng)電源 等組成。其屮壓電陶瓷微位移器采用四川壓電與聲光技術(shù)研究所研制出的 pzt:la電致伸縮微位移器，這種材料的特點(diǎn)是電致伸縮應(yīng)變大，位移重復(fù)性好, 分辨率高，不需極化，不易老化。為了滿足大位移量的要求，應(yīng)用中一般采用