压电驱动微进给工作台设计与性能研究

    精密进给系统是精密机床上的关键部件之一。因柔性铰链传动精确无摩擦、不需润滑,分辨率高,压电元件运动平滑、分辨率高、刚度好,故世界上许多研究人员将两者的优点结合起来,提出了许多新型微量进给装置。Wen2Hong Zhu^[1]等设计了一种在普通车床进行精密加工的快速伺服装置,该装置通过柔性铰链将压电陶瓷的形变缩小后带动车刀用于车削;A.T. Elfizy[2]等人借助柔性基座,使用直线电机和压电驱动器实现了粗精二级进给;AndrewWoronko[3]等人设计了一种用于安装压电驱动器的对称的导向单元,该单元具有箝位装置,提高了其进给方向的刚度。上述文献中提到的微进给装置都是用驱动质量很小的车刀进行车削加工。本文根据大质量(约250 kg)磨床砂轮架的精密进给要求,提出了一种大刚度、高精度亚微米进给装置。

    1　工作台结构设计

    由于磨床砂轮架的质量大,在粗加工过程中的磨削力也很高,所以必须减小静态变形量以降低工件的形状误差,这要求驱动装置在进给方向具有很高的刚度。切削力的变化可能引起驱动装置自振,为了避免其在低频时发生共振,要求组件的自振频率足够高。为了能在磨床上应用,整个装置要结构紧凑,与磨床连接方便且接触刚度高。封装良好以防油防尘。图1为微进给工作台基本结构。利用德国PJ公司型号为PAHL100/20的压电驱动器进行驱动,其行程100μm,直径?0 mm,长度108 mm,刚度35 N/μm,预载荷350 N。驱动器通过右面的螺栓固定在导向支承机构中,左面的螺栓通过钢球产生预紧,避免驱动器受到弯矩。工作时,驱动器受到电压激励产生的形变通过钢球传递到横梁上,进而在A、B、C和D处产生弹性变形,整个工作台成平行四边形。将AB看作A为支点的杠杆,位移从O点输出。当外界力过大时,力通过上方的横梁BC传递到支架上,防止压电驱动器被破坏。AB、BC、CD三部分不与支架接触,避免了导向机构与支架间的摩擦力导致的进给量不精确。为了减少机构的加工误差和残余应力,使用线切割机床进行整体加工。测微头由固定在支架上的夹头装夹,检测进给量。安装时,支架底座设计了长圆孔,可以调整导向支承机构与支架间的相对位置,用以调节输入输出比,改善整体性能。

    2　铰链刚度的确定

    为了确定铰链的形状参数,如图2所示,需要根据压电驱动器的参数来确定导向支承机构的静态刚度。封装在柔性导向支承机构中的压电堆的有效行程^[3]为

式中　ΔL₁为压电驱动器有效行程;ΔL₀为压电驱动器名义行程(100μm);K_t为压电驱动器的刚度(35 N/μm);K_x为导向支承装置的刚度。图1中O点的输出处位移ΔL2为