基于壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服系統(tǒng)的研制.pdf

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1、D嘞nandR刪，ch設(shè)計(jì)與研究基于壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服系統(tǒng)的研制陳武李克天劉洪飛趙榮麗(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)摘要：設(shè)計(jì)了一款基于壓電陶瓷驅(qū)動、利用柔性鉸鏈鉸接的微結(jié)構(gòu)加工快刀伺服系統(tǒng)。用理論計(jì)算和有限元分析軟件對柔性鉸鏈進(jìn)行了優(yōu)化和分析，并進(jìn)行了實(shí)際加工和測試。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能達(dá)到最大的加工行程為60呻；并且在O一39岬的加工行程范圍內(nèi)運(yùn)動頻響可達(dá)到150Hz。關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)加工；壓電陶瓷；柔性鉸鏈；快刀伺服；有限元分析中圖分類號：TG669文獻(xiàn)標(biāo)識碼：BDeveIOpmentOfa

2、fasttOOIsen，OsystembasedOnpiezOeIectricceramicCHENWu，LIKetian，LIUHongfei，ZHAORongli(GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，CHN)Abstract：Thispaperdesignedafastt001sen，o(FTS)devicebasedonpiezoelectricceramicandjointedbynexiblehinge．Thenexiblehingewa

3、sanalyzedandoptimizedbothbythetheoreticalcalculationandfiniteele-mentanalysissoftware；andithadbeenphysicalprocessedandtested．ThetestingIesultsindicatedthatthisFTrSsystemcanreachatmvelmngefor60斗m；andt}lefkquencyresponsereach150Hzwithin39斗mtraVelrange．Keywor

4、ds：micmstmcturemachining；piezoelectricceramic(PZT)；Ⅱexurehinge；fasttoolservo(FTrS)；finiteele—mentanalvsis利用快速伺服刀具技術(shù)(fasttoolservo，兀’S)可以1快刀伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行光學(xué)自由曲面的超精密加工¨J。本文確定的快刀伺服系統(tǒng)性能參數(shù)如下：最大行程為60斗m，O一39斗m范圍內(nèi)運(yùn)動頻響達(dá)到150Hz。1．1快刀伺服裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線式兀1S通常采用音圈電機(jī)、壓電驅(qū)動器、磁致

5、伸縮驅(qū)動器、洛倫茲力驅(qū)動器或麥克斯韋力驅(qū)動器作為驅(qū)動源。采用壓電陶瓷驅(qū)動時，行程一般在100仙m以下，帶寬一般在100—2000Hz之間，適合于高頻響短行程場合‘2。。本文研制的快刀伺服系統(tǒng)最大行程為60¨m，因此選用壓電陶瓷作為兀S的驅(qū)動部件。圖1快刀加工系統(tǒng)的息體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的快刀伺服裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。如圖1所示，快速伺服刀具技術(shù)使用高響應(yīng)頻率、壓電陶瓷通過A處與刀架的運(yùn)動部分相連，進(jìn)而給刀高精度的驅(qū)動裝置使刀具在y向產(chǎn)生快速進(jìn)刀運(yùn)動，具施加快速進(jìn)刀的動力；通過調(diào)整預(yù)緊螺桿4上的螺通過與主軸C的回

6、轉(zhuǎn)運(yùn)動、z軸的徑向進(jìn)給運(yùn)動相結(jié)母來實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷施加一定的預(yù)緊力。合，金剛石刀具實(shí)時跟蹤設(shè)計(jì)面形的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)1．2柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)雜面形工件或結(jié)構(gòu)的精密高效加工。柔性鉸鏈用于提供繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的有限角位本研究的主要目的就是要設(shè)計(jì)和研制一款壓電陶移，在光學(xué)平臺、微調(diào)整機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采瓷驅(qū)動的、滿足微結(jié)構(gòu)加工性能要求的快速刀具伺服用。柔性鉸鏈的使用能大大簡化機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)副，提高系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形光學(xué)元件的加工。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，并可以充分實(shí)現(xiàn)精確化、小型化和經(jīng)囝豢等等·43·‰、——“≯‘?q+月口

7、M平面將其隔開，對該部分采用掃掠方式劃分為更密集(2)應(yīng)力分析的單元。機(jī)構(gòu)輸出的位移主要依靠柔性鉸鏈的變形產(chǎn)生，而鉸鏈最薄處往往會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為保證鉸鏈在使用中不會失效，必須對其做應(yīng)力分析，即機(jī)構(gòu)在輸出設(shè)計(jì)位移時，鉸鏈產(chǎn)生的最大應(yīng)力是否大于材料的屈服強(qiáng)度，使用時安全系數(shù)是否大于l。圖9為機(jī)構(gòu)達(dá)到最大位移時的應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力礦。=140．32MPa。所用材料的屈服強(qiáng)度為盯。=300MPa。由此可得安全系數(shù)為：s=∑一2．14>1。r圖6刀架有限元建模的示意圖(1)剛度分析對有限元模型設(shè)置邊界約束并施

8、加載荷之后，即可進(jìn)行求解。對于本結(jié)構(gòu)，將刀架外框部分的側(cè)面固定，向壓電陶瓷驅(qū)動器安裝處施加y向S=60斗m的位移載荷來代表刀具在y方向上進(jìn)刀60斗m(如圖7所示)，然后即可計(jì)算求解?！?焉亍一圖8刀具進(jìn)刀量為肛60um圖7施加位移載荷示意圖通過有限元分析計(jì)算，可以求得當(dāng)?shù)毒咴趛方向的位移為60¨m時，刀架所需的推力大小以及此時刀架所產(chǎn)生的最大應(yīng)力大小。從圖8～10中整理AN—圖9刀具進(jìn)刀量為60um時刀架產(chǎn)生的