壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快刀機(jī)構(gòu)的性能影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究*

陳東生　吉　方　蔡萬(wàn)寵　張連新　張　敏

(①中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900;②清華大學(xué)機(jī)械工程系精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

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壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快刀機(jī)構(gòu)的性能影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究*

陳東生①吉方①蔡萬(wàn)寵②張連新①?gòu)埫簪?/p>

(①中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900;②清華大學(xué)機(jī)械工程系精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

介紹了一種自主構(gòu)建的快刀機(jī)構(gòu)，并基于該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一些影響快刀機(jī)構(gòu)性能的影響規(guī)律，包括預(yù)緊力、偏置電壓、驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)壓電陶瓷靈敏度的影響；快刀機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度影響規(guī)律；系統(tǒng)位移的傳遞規(guī)律；鉸鏈剛度對(duì)傳遞效率的影響等。

壓電陶瓷；快刀機(jī)構(gòu)；剛度；實(shí)驗(yàn)研究

快刀伺服加工技術(shù)(fast tool servo)是近幾年廣泛研究和發(fā)展的先進(jìn)超精密車(chē)削技術(shù)，它主要用于自由曲面光學(xué)工件的超精密加工。超精密快刀伺服機(jī)構(gòu)是快刀伺服加工系統(tǒng)中重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外已有商用快刀伺服系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)快刀機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量研究，但由于在超精密快刀加工系統(tǒng)的研制方面起步較晚，相關(guān)的研究基礎(chǔ)較為薄弱，同時(shí)工程應(yīng)用很少，對(duì)快刀機(jī)構(gòu)性能的一些影響規(guī)律研究的不充分，而快刀性能影響規(guī)律是快刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它也是我國(guó)對(duì)快刀伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)瓶頸。

為此，本文基于自主構(gòu)建的基于柔性鉸鏈導(dǎo)向、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快刀機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析影響高性能指標(biāo)(頻響性能、剛度指標(biāo)、分辨率)的壓電陶瓷與柔性鉸鏈在快刀系統(tǒng)的一些影響因素及規(guī)律。本文基于大量的實(shí)驗(yàn)研究，試圖獲得一些影響快刀機(jī)構(gòu)性能的影響因素及規(guī)律。

首先介紹開(kāi)展性能實(shí)驗(yàn)研究的快刀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后基于該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一些影響快刀機(jī)構(gòu)性能的影響因素及規(guī)律，包括預(yù)緊力、偏置電壓、驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)壓電陶瓷靈敏度的影響；快刀機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度影響規(guī)律；系統(tǒng)位移的傳遞規(guī)律；鉸鏈剛度對(duì)傳遞效率的影響等。

1　快刀伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本論文的實(shí)驗(yàn)研究基于自研的快刀伺服機(jī)構(gòu)。該裝置由驅(qū)動(dòng)控制單元和柔性傳動(dòng)單元構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)控制單元主要完成壓電陶瓷致動(dòng)器的輸入輸出控制；柔性傳動(dòng)單元主要把壓電陶瓷致動(dòng)器的輸出通過(guò)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳遞到刀架。實(shí)驗(yàn)裝置采用自研柔性鉸鏈、基于電容傳感器高精度反饋、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。如圖1，原型裝置采用整體結(jié)構(gòu)布局，后端預(yù)緊力可調(diào)，電容傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)刀具位置。

2　壓電陶瓷的性能影響實(shí)驗(yàn)與分析

壓電陶瓷是快刀機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件，它具有輸出力大、高頻響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn), 但壓電陶瓷的遲滯特性會(huì)影響到快刀機(jī)構(gòu)的定位特性。壓電陶瓷在正常工作時(shí)，需要對(duì)它們施加一定的預(yù)緊力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壓電陶瓷的遲滯特性受預(yù)緊力的影響，同時(shí)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓的偏置對(duì)輸出位移的靈敏度也有影響。

2.1預(yù)緊力及驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)壓電陶瓷遲滯特性的影響

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量壓電陶瓷在多種預(yù)緊力條件下的遲滯回線，并通過(guò)改變激勵(lì)信號(hào)波形、電壓幅值和頻率，獲得預(yù)緊力對(duì)壓電陶瓷遲滯特性的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)在開(kāi)環(huán)條件下進(jìn)行，通過(guò)壓電陶瓷內(nèi)部應(yīng)變片測(cè)量壓電陶瓷的變形量，采樣頻率為25 kHz。實(shí)驗(yàn)中使用的預(yù)緊力、電壓幅值、頻率和信號(hào)波形表1所示，預(yù)緊力通過(guò)柔性鉸鏈的變形量和等效剛度計(jì)算得到。

表1最佳預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)參數(shù)

變量名預(yù)緊力/MPa波形電壓幅值/V頻率/Hz變量值2,3,4,6,8,10正弦波,三角波5010,50,100

圖2為壓電陶瓷在驅(qū)動(dòng)電壓幅值50 V作用下10 Hz，50 Hz和100 Hz正弦電壓激勵(lì)下的遲滯回線，此外圖中顯示了不同預(yù)緊力對(duì)壓電陶瓷遲滯特性的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后可獲得以下結(jié)論：

(1)在不同預(yù)緊力作用下，壓電陶瓷遲滯回線的斜率發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)緊力較小時(shí)，壓電陶瓷遲滯回線的斜率較大，即壓電陶瓷輸出位移的靈敏度高。主要是由于壓電陶瓷在極化過(guò)程中，需克服預(yù)緊力做功，因此，隨著預(yù)緊力的增大，克服預(yù)緊力做功的損耗能量占電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換量的比例增大，使輸出位移減小。

(2)隨著驅(qū)動(dòng)頻率升高，壓電陶瓷輸出位移的遲滯特性更加顯著，單周期的能量損耗增大。

2. 2壓電陶瓷偏置電壓對(duì)位移靈敏度的影響

為研究偏置電壓對(duì)壓電陶瓷位移靈敏度的影響，分別設(shè)置偏置電壓為0～20 V內(nèi)均布的20個(gè)值，保持驅(qū)動(dòng)電壓幅值為10 V，頻率為10 Hz，應(yīng)用應(yīng)變片測(cè)量壓電陶瓷的輸出位移幅值，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后可獲得以下結(jié)論：

隨著偏置電壓的增大，壓電陶瓷在一定驅(qū)動(dòng)電壓下的位移幅值減小，即壓電陶瓷的位移靈敏度下降。分析其原因?yàn)椋弘S著偏置電壓的增大，壓電陶瓷軸向伸長(zhǎng)，則初始預(yù)緊力增大，由2.1節(jié)中結(jié)果可知，隨著預(yù)緊力增大，電疇在外場(chǎng)作用下重新取向時(shí)的能量損耗增大，導(dǎo)致位移靈敏度降低，在一定電壓幅值激勵(lì)下的位移幅值減小，高偏置電壓會(huì)等效地增大壓電陶瓷所受的預(yù)應(yīng)力，減小壓電陶瓷在一定驅(qū)動(dòng)電壓幅值作用下的位移幅值。為此，在保證壓電陶瓷在整個(gè)工作周期內(nèi)處于壓應(yīng)力狀態(tài)的前提下，應(yīng)選擇小偏置電壓。

3　快刀機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度影響規(guī)律

在快刀機(jī)構(gòu)剛度測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，快刀機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的剛度受鉸鏈剛度影響較大。為探詢鉸鏈剛度與系統(tǒng)剛度的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種剛度的柔性鉸鏈(包括矩形1.6 mm、1.2 mm厚度鉸鏈，工字形1.6 mm、1.0 mm厚度鉸鏈)，針對(duì)不同剛度的柔性鉸鏈測(cè)量了整個(gè)系統(tǒng)的剛度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2鉸鏈剛度、系統(tǒng)剛度的測(cè)試數(shù)據(jù)

鉸鏈壓電陶瓷剛度/(N/μm)鉸鏈剛度/(N/μm)系統(tǒng)剛度/(N/μm)矩形1.6mm4527.2854.42矩形1.2mm4514.7041.98工字形1.6mm4513.5040.54工字形1.0mm455.34632.49

從圖4數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合可得到K=K4+27.15(K4為鉸鏈剛度、K為系統(tǒng)剛度)，固定值27.15 N/μm并不等于壓電陶瓷的剛度45 N/μm，因此，還有一些其它的因素在影響整體剛度。在實(shí)際的機(jī)構(gòu)中，壓電陶瓷的后端有預(yù)緊支撐，前段有球頭傳遞位移，應(yīng)該是這兩部分的剛度與壓電陶瓷剛度構(gòu)成了27.15這個(gè)剛度值。理論分析快刀機(jī)構(gòu)剛度模型，如圖5，K1：后端支撐剛度；K2：壓電陶瓷剛度；K3：前段傳遞剛度；K4：柔性鉸鏈剛度，K1、K2、K3串聯(lián)后與K4并聯(lián)。K1、K3與壓電陶瓷剛度45 N/μm在數(shù)值上串聯(lián)得到27.15 N/μm，K1、K3越大，串聯(lián)后的值越接近壓電陶瓷的剛度。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)及分析，得到如下結(jié)論：系統(tǒng)剛度與各機(jī)構(gòu)剛度之間是一個(gè)復(fù)合串并聯(lián)關(guān)系。在壓電陶瓷的剛度一定情況下，要獲得更高的系統(tǒng)剛度，需要從兩方面考慮，一是加大柔性鉸鏈剛度，另一方面是增加壓電陶瓷前后端的支撐剛度(K1、K3)。

4　快刀機(jī)構(gòu)的輸出位移幅值的影響規(guī)律

4.1系統(tǒng)輸入輸出位移幅值的傳遞規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷的輸出伸縮值(系統(tǒng)的輸入)與實(shí)際刀具的輸出位移值有一定的比例關(guān)系，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)壓電陶瓷開(kāi)環(huán)輸出伸縮值，由千分表測(cè)量如圖6中1～6位置的位移變化值，從而分析輸出伸縮幅值的傳遞規(guī)律。

表3是快刀機(jī)構(gòu)各點(diǎn)在壓電陶瓷伸縮輸出前后的靜態(tài)測(cè)試相對(duì)位移幅值。

從表3可以看出：對(duì)于輸出幅值90 μm與50 μm兩種情況下，其后端預(yù)緊處(位置2)會(huì)產(chǎn)生一定的后退，比值均在5%左右，而前端球頭位置(位置4)的位移傳遞比值減小約20%，由于結(jié)構(gòu)件不可能為純剛體，它們具有一定的剛度，在受力情況下，會(huì)發(fā)生一定的伸縮。從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)幅值丟失嚴(yán)重的主要是后端預(yù)緊部分與前端球頭推力部分，這也相互驗(yàn)證了前面一章分析得出的柔性鉸鏈前后端的支撐剛度為系統(tǒng)剛度重要影響因素。

表3快刀機(jī)構(gòu)不同位置的靜態(tài)位移幅值測(cè)試數(shù)據(jù)

壓電陶瓷伸縮輸出幅值90μm壓電陶瓷伸縮輸出幅值50μm位置點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)相對(duì)位移幅值/μm約占90μm的比例值/(%)測(cè)試點(diǎn)相對(duì)位移幅值/μm約占50μm的比例值/(%)1-11-112-55-24381904691472804080571804180671804180

4.2鉸鏈剛度對(duì)傳遞效率的影響

在一定伸縮幅值的壓電陶瓷輸出下，快刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大刀具的輸出位移幅值，有利于系統(tǒng)的幅值及頻響的提高。從前面的分析可以看出，需盡量增大圖6中位置6(刀座)的位移比值，我們定義刀座位移值與壓電陶瓷伸縮輸出位移的比值為傳遞效率。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：相同的壓電陶瓷位移伸縮靜態(tài)輸出，不同的柔性鉸鏈會(huì)得到不同的刀座靜態(tài)位移值。為了模索柔性鉸鏈剛度對(duì)傳遞效率的影響，針對(duì)第3節(jié)所述的4種鉸鏈進(jìn)行了不同剛度柔性鉸鏈傳遞效率的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4鉸鏈剛度與傳遞效率測(cè)試數(shù)據(jù)

鉸鏈鉸鏈剛度/(N/μm)傳遞效率矩形1.6mm27.280.66矩形1.2mm14.700.72工字形1.6mm13.500.81工字形1.0mm5.3460.89

通過(guò)表4的數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：從壓電陶瓷輸出到刀架前端的傳遞效率隨著柔性鉸鏈剛度的增大而減小。分析其原因，在相同的壓電陶瓷伸縮輸出位移下，鉸鏈剛度越大，后端的支撐受力越大，增加后退位移，同時(shí)在前段球頭部分的受力增加，變形加大，導(dǎo)致刀座位置的輸出相對(duì)位移減小。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快刀機(jī)構(gòu)中，較小的預(yù)緊力及較小的偏置電壓，有利于獲得較大的刀座位移靈敏度；隨著驅(qū)動(dòng)頻率升高，壓電陶瓷伸縮輸出位移的遲滯特性更加顯著。

(2)系統(tǒng)剛度與各機(jī)構(gòu)剛度之間是一個(gè)復(fù)合串并聯(lián)關(guān)系。后端支撐剛度、壓電陶瓷剛度、前段傳遞剛度值串聯(lián)后與柔性鉸鏈剛度值并聯(lián)。

(3)快刀機(jī)構(gòu)中壓電陶瓷的伸縮位移傳遞中，位移丟失嚴(yán)重的主要是后端預(yù)緊部分與前端球頭推力部分，提高后端預(yù)緊機(jī)構(gòu)剛度及前段球頭處的剛度有利于提高系統(tǒng)傳遞效率。

(4)從壓電陶瓷伸縮輸出到刀架前端的傳遞效率隨著柔性鉸鏈剛度的增大而減小。

[1]吳丹,謝曉丹,王先逵.快速刀具伺服機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008,19(11):1379-1385.

[2]王舉,李楠. 微控制應(yīng)用中壓電陶瓷的特性分析[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2013,40(2):24，26.

[3]戴一帆,楊海寬,貴林.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的超精密快刀伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制[J].中國(guó)機(jī)械工程,2009,22(20):2717-2721.

[4]唐強(qiáng),吉方,陳東生. 壓電陶瓷執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)遲滯建模與零相差前饋補(bǔ)償控制[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(9):95-98.

(編輯汪藝)

(收修改稿日期：2016-07-10)

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The experiment study on performance influence law of FTS actuated by piezoelectric ceramic

CHEN Dongsheng①, JI Fang①, CAI Wanchong②, ZHANG Lianxin①, ZHANG Min①

(①I(mǎi)nstitute of Mechanical Manufacturing Technology, CAEP, Mianyang 621900, CHN;②Beijing Key Laboratory of Precision/Ulra-Precision Manufacturing Equipments and Control of Mechanical Engineering Department, Tsinghua University, Beijing 100084, CHN)

This paper introduces a kind of fast tool servo system(FTS) independence developed. Through a large number of experiment studies, some rules which affect the performance of the fast tool servo are obtained. They include the effect rule of piezoelectric ceramic sensitivity by the pre-tightening force, bias voltage, the driving frequency of the piezoelectric ceramic; the influence law of mechanism stiffness; the transfer law of the displacement system; the transmission efficiency affected by flexible hinge stiffness and so on.

piezoelectric ceramic; FTS; stiffness; experiment study

TH69

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.017

161021

*國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(A1520133005)；中物院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(ZZ13001)