大行程高精度微驱动系统的建模研究

　　引言

　　随着科学技术的不断发展, 在超精密加工、生物工程、航空精密制造、微电子工程、纳米科学与技术等各个领域, 对微驱动技术提出越来越高的要求, 要求实现在大行程范围内的超精密微位移[1]。尤其是在精密和超精密加工领域中, 高精度的驱动进给技术起着至关重要的作用, 因为这直接关系着产品的精度, 提高制造精度后可以提高产品的性能和质量,提高其稳定性和可靠性, 促进产品的小型化, 增强零件的互换性, 提高装配生产率, 并促进自动化装配。因此, 国际上发达国家的科学工作者已经向大行程、纳米级步距、速度可调的连续微驱动系统这一高科技难题发起挑战。目前, 微驱动机构的驱动方式主要有热变形、弹性变形[2]、伺服电动机、直线电动机、电磁力驱动、扭轮驱动[3]、摩擦驱动、压电驱动[4]等国外将其归为精巧机构的研究范畴, 应用摩擦驱动、尺蠖运动[5]、超声波振动、惯性- 摩擦等原理, 巧妙地实现了大行程、高精度的超精密定位要求。本文采用摩擦学原理, 提出一种压电陶瓷驱动的新型微驱动器, 可以在较大的行程范围内得到连续的直线运动, 通过对样机的实验, 取得了很好的效果。

　　建模是控制和研究的理论基础, 良好的模型有利于系统的分析。本文中, 采用模块化方法分别对微驱动系统的驱动部分、传动部分进行物理、数学建模, 并通过 matlab 软件进行仿真计算, 得出系统的开环伯德图, 进行稳定性分析, 为微驱动系统闭环控制研究提供理论基础。

　　1 微驱动器的工作原理

　　该微驱动器由驱动部件、滚珠丝杠和空气静压导轨三部分组成, 驱动部分的工作原理如图 1 所示。驱动部件中的摩擦套筒与滚珠丝杠通过联轴器相连接, 在摩擦套筒的两侧对称地放置 4 个摩擦块, 每个摩擦块由对应的进给用压电陶瓷驱动, 由对应的柔性平行四杆卡紧机构卡紧, 卡紧机构由卡紧用压电陶瓷驱动产生正压力。

　　微驱动器工作时, 压电陶瓷交替地驱动摩擦块,再由摩擦块与套筒间产生的摩擦力搓动套筒, 通过联轴器带动滚珠丝杠转动, 从而驱动与滚珠丝杠螺母相连的空气静压导轨的溜板, 实现连续的直线运动。以左侧机构运动为例, 微驱动器的工作过程可以简化表示为: 当给左侧一个卡紧压电陶瓷施加一个恒定的电压时, 卡紧压电陶瓷伸长, 产生一个恒定的正压力, 推动左卡紧装置 A1卡紧左侧摩擦块 B1。此时, 给进给压电陶瓷施加一个连续变化的电压, 则进给压电陶瓷推动左摩擦块 B1产生连续的微小位移 ΔL, 通过搓动套筒, 产生连续的微小偏角, 从而螺母产生连续微小的位移 Δx。当进给压电陶瓷达到最大行程后, 左卡紧装置 A松开, 进给压电陶瓷收缩; 与此同时, 给左侧另一个卡紧压电陶瓷施加一个恒定的电压, 使其产生正压力, 推动左卡紧装置 A4卡紧摩擦块 B4, 然后给进给压电陶瓷施加一个连续变化的电压, 则进给压电陶瓷同样推动摩擦块, 产生连续的微小位移。依次类推, 可以得到具有高精度、大行程的连续平稳的进给运动。右侧的工作情况与左侧相同, 可实现摩擦套筒的反向旋转, 从而实现微驱动器的反向运动。