摩擦轮驱动微位移实验平台的设计和研究

    0　引言

    微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位,它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节,同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。目前常见的微位移技术一般是利用弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩)等方式来实现的[1]。

    微位移系统一般是由微位移机构、检测装置和控制系统所组成的,其目的是要实现小行程(一般小于毫米级)、高灵敏度和高精度(一般为亚微米、纳米级)的位移[2]。微位移机构是实现微位移的执行机构,其核心部分是微位移器件,由于其原理、方案、结构的不同,微位移机构有多种多样;检测装置是用来测量微位移的移动量及其精度,在闭环系统中作为反馈信号;控制系统用来控制整个系统的工作,通过控制策略实现需求的技术性能指标通常微位移系统多以微动工作台的形式出现的。

    本文利用摩擦传动形式设计并成功研制了摩擦轮驱动微位移实验平台,该平台采用驱动器(步进电机)+执行器(双级性柔性铰链)运放结构方案,由VB和汇编实现混合软件编程来实行对摩擦轮微位移平台的控制,相对于现在传统的微进给传动方式来说,是一种新的尝试和方法。系统成本低,响应快,维护方便,满足实验需要的进给定位要求。

    1　系统组成及机构概述

    对于超精密加工而言,切削力一般为不足1N/μm,静态弹性变形为0. 01μm。一般而言,在超精密加工中,高精度微量进给装置上装夹金刚石刀具,要求实现精确、稳定、可靠和快速微位移。为确保系统整体有效性、可靠性和可操作性,在满足精密加工定位要求的前提下,根据实际装夹、加工要求来确定本系统的设计要求:重复定位精度不大于0. 1μm,输出位移行程0~25μm,因此,从设计策略层次上来说选择合适的驱动方式和传动方式尤为重要。本系统采用的步进电机驱动双级性柔性铰链方案,经理论分析表明,该摩擦轮实验的行程为20~30μm,位移分辨率为0. 01~0. 1μm,本系统构成如图1所示。

    如图2所示可知,电机4通过螺栓固定在移动滑块上,在弹性压板2与机座8中部通过调节定位螺栓来调节相应的位置保证摩擦轮3能够与弹性压板2充分接触。调节推杆的长度驱使弹性压板2沿半圆形导轨移动从而带动摩擦轮与柔性铰链1接触,提供摩擦轮3与铰链7间的压力。工作台用步进电机驱动,两级柔性铰链受摩擦压力发生相应的弹性变形,以此来实现微位移输出。