高精度快刀伺服系統(tǒng)構(gòu)建及其特性研究*

張 敏 吳祉群 陳東生

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

隨著近代光學(xué)和光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)表面由于具有某些特定的性能如光學(xué)性能、粘附性、摩擦性、潤滑性和耐磨損性等[1]，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通元件難以實現(xiàn)的陣列、微小、集成、成像和波前轉(zhuǎn)換等新功能，因此獲得越來越多的廣泛應(yīng)用，比如透鏡陣列、全息透鏡、衍射元件和梯度折射率透鏡等[2-4]。

隨著應(yīng)用的廣泛，對微結(jié)構(gòu)表面的加工成為研究的熱點，目前常用的微結(jié)構(gòu)加工方法有光刻技術(shù)、高能束(激光束、電子束、離子束)直寫技術(shù)[5-7]、特種能場(電磁、超聲)加工技術(shù)[8-9]、成型(模壓、注射、熱壓)技術(shù)和LIGA 技術(shù)等。光刻技術(shù)[10]成熟，制造的微結(jié)構(gòu)分辨率很高，可以批量生產(chǎn)，但是設(shè)備成本高，并且通常應(yīng)用于二維結(jié)構(gòu)的制造。高能束直寫技術(shù)效率很低，對于小尺寸的精密微結(jié)構(gòu)加工具有優(yōu)勢[11]，不適用于大尺寸的微結(jié)構(gòu)加工[12]。特種能場加工技術(shù)可應(yīng)用于脆性材料，但是只適用于簡單微結(jié)構(gòu)的加工，且加工分辨率低[13]。成型技術(shù)這類方法對設(shè)備要求較為簡單，加工周期短，可以批量生產(chǎn)，成本低，但是精密度低，主要用于如照明類自由曲面元件等對精密度要求不是很高的光學(xué)元件加工領(lǐng)域。產(chǎn)品的精度與模具精度有關(guān)，還需要其他加工方法提供高精度的模具[14]。而模具的制作困難。LIGA 技術(shù)[15]可加工大深度比的三維立體結(jié)構(gòu)，并且加工的材料、加工的形狀范圍比較寬，能夠大批量生產(chǎn)，成本也比較低。但是 LIGA 技術(shù)難在曲面基底上加工微結(jié)構(gòu)。

快速伺服[16-20](fast tool servo, FTS)加工技術(shù)以其具有高頻響、高精度等特點，并且可以重復(fù)加工出任意復(fù)雜形狀的各種異形元件，一次加工即可獲得很高的尺寸精度、形狀精度和很低的表面粗糙度，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)微結(jié)構(gòu)的高效率、高精度和柔性化加工，在微結(jié)構(gòu)表面的加工具有獨特優(yōu)勢，成為國內(nèi)外研究的熱點。

文中基于快刀伺服加工技術(shù)，構(gòu)建一套快刀伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)的最大位移50 μm；重復(fù)定位精度5 nm；20 μm頻響≥150 Hz，50 μm頻響≥60 Hz。在構(gòu)建的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展快刀伺服系統(tǒng)性能分析與研究，獲得系統(tǒng)的特性以及影響規(guī)律，為進一步實現(xiàn)工程化以及后期的微結(jié)構(gòu)表面加工奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體介紹

整個快刀伺服系統(tǒng)包含控制驅(qū)動單元和原型裝置單元兩個部分。整個系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

其中，控制驅(qū)動單元包含控制器、驅(qū)動器和傳感器處理器3個部分?？刂破魈峁┱麄€系統(tǒng)的控制信號；驅(qū)動器為致動器提供工作所需的能量；處理器把傳感器反饋的位移信號進行放大處理。原型裝置部分包含致動器、傳動機構(gòu)、刀架、傳感器、預(yù)緊機構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分。致動器提供運動的位移輸出；傳動機構(gòu)把致動器的位移輸出傳輸?shù)降都埽坏都芴峁┑毒甙惭b；傳感器對輸出的位移進行檢測，保證輸出位移的正確性；預(yù)緊機構(gòu)提供初始的預(yù)緊力，保證整個原型裝置能夠緊密結(jié)合并正常工作；支撐結(jié)構(gòu)為整個原型裝置提供安裝保障。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，構(gòu)建了如圖2所示的快刀伺服系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)采用壓電陶瓷作為致動器，采用柔性鉸鏈作為傳動機構(gòu)。

2 系統(tǒng)性能特性分析

2.1 原型裝置特性分析

2.1.1靜力學(xué)分析

原型裝置約束條件如圖3所示：支撐結(jié)構(gòu)底部固定，壓電陶瓷驅(qū)動器與支撐結(jié)構(gòu)約束條件為摩擦副，壓電陶瓷后部為載荷施加面，加載推力為1 000 N。

建模分析后的計算結(jié)果如圖4所示。

對計算結(jié)構(gòu)進行分析，獲得以下結(jié)論：

(1)整體加載1 000 N后，柔性鉸鏈處Y方向變形52 μm。Y方向變形遠大于其它兩個方向，為主變形方向，和設(shè)計的功能符合。

(2)Y方向剛度為1 000/52=19.23 N/μm，實物測量14.7 N/μm。誤差30.8%；由變形圖可知，整體加載后所有受力零件圴產(chǎn)生微小變形，從而降低了柔性鉸鏈的位移量。

2.1.2整體模態(tài)分析

由于壓電陶瓷驅(qū)動器模型很難模擬，為簡化問題和便于計算，將模型整體做近似模擬處理，在計算模態(tài)時將所有接觸付作為綁定處理。

約束條件：支撐結(jié)構(gòu)底部固定，壓電陶瓷驅(qū)動器與支撐結(jié)構(gòu)約束條件為摩擦付。

整體的一階及二階模態(tài)振型圖5所示。

模態(tài)分析結(jié)果如表1所示：

表1 模態(tài)分析結(jié)果

對結(jié)果進行分析，能夠獲得以下結(jié)論：

(1)一階模態(tài)在接觸副作綁定處理時，固有頻率1 669 Hz，遠離工作頻率150 Hz；

(2)振幅最大處遠離刀具安裝位。

2.1.3整體諧響應(yīng)分析

在計算諧響應(yīng)分析時將壓電陶瓷驅(qū)動器與支座之間的接觸副作為有摩擦力處理，其他作為綁定處理。

約束條件：支撐結(jié)構(gòu)底部固定，壓電陶瓷驅(qū)動器與支撐結(jié)構(gòu)約束條件為摩擦付，壓電陶瓷后部為載荷施加面，加載推力：150 Hz時加載力1 000 N。

計算結(jié)果如圖6所示。

對結(jié)果進行分析，能夠獲得以下結(jié)論：150 Hz時加載力1 000 N，激振頻率下電容傳感器安裝面的位移變形為53 μm。

2.2 重復(fù)精度特性研究

選擇5 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm等幾個位移作為測試點分析重復(fù)定位精度特性。通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，如圖7所示。

如圖7可知系統(tǒng):

(1)定位精度在[-2,2] nm之間，4 nm以下，并且上限值和下限值比較穩(wěn)定；

(2)重復(fù)定位精度在[2.8,3.8] nm之間，因此系統(tǒng)的重復(fù)定位精度為4 nm以下；

(3)根據(jù)每次的測量結(jié)果以及最大偏差計算結(jié)果，可以知道，平均值最大波動在0.5 nm；最大值最大波動在1 nm；最小值的波動在0.5 nm以下，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。

2.3 最大位移以及頻響特性研究

分析系統(tǒng)頻響和位移特性，如圖8所示。

根據(jù)測試，得到了以下結(jié)論：

(1)輸出位移達到50 μm，在50 μm處的頻率達到60 Hz。

(2)在頻率為150 Hz時，位移輸出基本能夠達到30 μm，大于20 μm，150 Hz的要求。

(3)設(shè)定值和實際輸出值之間存在相移，來源于壓電陶瓷遲滯特性。

2.4 系統(tǒng)閉環(huán)分辨率性能分析

開展了閉環(huán)分辨率測試，分別以10 nm、6 nm、4 nm為階越輸入，輸入結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)測試，可以知道，整個系統(tǒng)的閉環(huán)分辨率在4 nm以下。

3 結(jié)語

(1)基于壓電陶瓷為致動元件、柔性鉸鏈為傳動元件構(gòu)建了快刀伺服系統(tǒng)。

(2) 分析了系統(tǒng)特性，定位精度為4 nm以下，重復(fù)定位精度為4 nm以下，最大輸出位移達到50 μm，運動頻響在位移為20 μm時達到了150 Hz。