压电式微定位机构及其控制系统的研究

    微位移机构在精密、超精密加工中应用颇为广泛,主要用于实现微进给、误差补偿和精密调整,以保证工件的加工尺寸精度和表面质量。压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的新型微位移器件,它具有体积小、出力大、分辨率高和频响高的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的微定位器件^[1,2]。柔性铰链是一种新型的弹性导轨形式,依靠材料的微小弹性变形来传递位移,具有结构紧凑、无运动副间隙、无机械摩擦等优点,是微定位系统中一种理想的导向机构。本文主要研究一种以压电陶瓷作为驱动器,柔性铰链作为导向机构的微定位机构,实现精密、超精密加工中微进给误差的自动补偿。

    1　压电式微定位机构

    2.1　机构设计

    图1(a)为微定位机构结构简图。此机构采用压电陶瓷和柔性铰链组合式结构,以日本TOKIN公司生产的AE0505D16型层叠式PZT器件作为微定位机构的驱动器,外形尺寸为4.5 mm×3.5 mm×20 mm,最大可承受压强为3 430 N/cm²。此压电陶瓷的位移输出小,在100 V直流工作电压且无负载的情况下,其位移输出为11.6μm,而一般微操作都要求定位范围能达100μm,因而采用柔性铰链机构对压电陶瓷输出的微位移进行放大和导向,以满足长行程精确定位的需要。图1(b)为柔性铰链的放大机构原理及受力简图,它依靠材料的微小弹性变形来传递位移,本文设计的机构属一维微位移机构,定位方向为y向,其位移放大倍数T=(1+BC/AB),实际结构设计时近似取T=10。由于柔性铰链在导向过程中,输出的不仅是沿y方向的位移,还有沿x方向的附加位移,这个附加位移必须消除和抑制,以免影响机构y方向的定位精度。对称式柔性铰链结构(见图1(b))输入的微位移同时通过左右两条运动链向工作台传递,在理论上可完全消除x方向的附加位移。通过控制PZT器件的输入电压使其伸长,推动柔性铰链放大器产生弹性变形,柔性铰链产生变形的同时伴随着变形抗力的产生,它阻止PZT器件继续伸长。最大变形抗力为

　　F_max=F1_max+F2_max                    (1)

实际设计时代入铰链的相关参数,便可求得F_max的值,当F_max远小于PZT器件最大可承受压力时,柔性铰链放大机构方可正常工作。

    2.2　微位移机构动力学模型分析

    由压电陶瓷构成的微定位机构可实现精密进给和工作台的定位精度自动补偿,此机构执行部件的物理模型如图2所示,其动力学方程为

    mx″+cx′+ 2ksx=F