超精密微位移进给系统方案设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 4.7MB 65 页 15积分
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随着科学的进步,机电设备的机械加工精度已要求纳米级精度。由于传动
统和控制系统的精度和分辨率原因,通常的机床结构及其控制系统往往难以达
本文结合机床行业需求,设计了以压电元件为驱动器、以柔性铰链为导向支承
构、以虚拟仪器为核心的闭环控制系统构建而成的高刚度、高精度微进给系统。
系统与机床原有横向进给系统相结合,实现粗精两级进给,将大大提高机床进
系统的精度。
本文采用最新最先进的技术来构建高质量的微位移进给系统,它主要包括
部分:驱动器、导向机构和控制系统。驱动器采用性能最好、控制最容易实现、目前
研究最成熟的压电陶瓷驱动器,压电陶瓷驱动器已经在现实中被证明了的最好
微驱动器;导向机构,采用最新的柔性铰链技术来设计,它具有传动环节小、
摩擦、刚性好、可以重复性使用,目前已经运用航天仪器中,是研究的一个热点。
在设计柔性铰链导向机构中,采用能量法和材料力学方法等两种理论进行设计
并运用有限元方法对其进行校核,有效保证了本文所设计的柔性铰链导向机构
可以满足切削要求的;控制系统采用闭环控制,可以更好实现高精度进给。
精密加工技术是国家重点资助的研究领域,而高质量的微进给系统是实现
密加工的关键。本文紧密结合工程实际应用,以精密机床为对象,拟在进一步
高机床加工精度,其研究具有重要的理论价值和实用意义。
关键词:微进给 虚拟仪器 压电陶瓷 柔性铰链 控制系统
ABSTRACT
With the development of scientific, the machining accuracy of the electro -
mechanical equipment has already required the precision of micrometer, even
nanometer. Because of the precision of the transmission and controller, the common
machine tools have not the ability to reach that accuracy. A micro-feed system with
piezoelectric element is presented for precision machine tool to meet the requirement of
the industry in this paper. The compact design features the use of solid flexures to
transmit motion from a piezo stack actuator. A close-loop control system is implemented
which uses virtual instrument as the central processor. High precision positioning over a
large workspace is a fundamental feature of a precision machine. Conecting coarse
(large stroke) and fine (high resolution) drive stages, in series, to form a dual-stage feed
drive system can develop the performance of the traditional machine tools.
The micro-feed system in this paper consists of three parts: drive, guide unit and
control system. Piezoelectric element is chosed as the activator, which is the most
advanced, responsible and easy autocontrol in micro-feed drive field. Secondly, a
flexure-hinge-based guide unit is designed, which is turned out to be effective in
engineering, and energy, mechanics analytical methods and finite element models of the
flexures are presented. Last but not least,based on the virtual instrument technology, a
close-loop control system is designed, which can make the system a higher precision
feeding. So based on the above parts, the micro-feed sytem can meet the requirement of
extrusion cutting.
Precision machining technology is a research field mainly sponsored by the
country, and micro-positioning system with high performance is the key to realize
precision machining. Closely related with the practical problems in engineering, this
dissertation deals with positioning worktable for precision machine tool in order to
improve machining accuracy. It is highly worth of researching and has real engineering
value.
Key Word: Micro-feed, Virtual instrument, Piezoelectric element,
Flexure hinge, Control system
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
§1.1 课题研究的背景与意义..........................................1
§1.2 微进给技术研究现状............................................1
§1.3 压电驱动微进给研究现状........................................4
§1.4 本文主要研究内容..............................................7
§1.5 本文结构......................................................8
第二章 微进给系统方案设计...........................................10
§2.1 系统需求分析.................................................10
§2.2 微进给系统概述...............................................11
§2.3 微进给系统方案设计...........................................11
§2.3.1 驱动器方案分析
..........................................12
§2.3.2 导向机构方案分析
........................................13
§2.3.3 控制系统方案分析
........................................16
§2.3.4 位移传感器方案分析
......................................18
§2.4 微位移进给系统总体设计.......................................20
§2.5 本章小结.....................................................21
第三章 压电陶瓷驱动器的理论研究.....................................22
§3.1 压电驱动器概述...............................................22
§3.1.1 压电陶瓷
................................................22
§3.1.2 逆压电与电致伸缩效应
....................................22
§3.2 压电陶瓷特性研究.............................................23
§3.3 压电陶瓷驱动器的选取.........................................27
§3.4 本章小结.....................................................28
第四章 导向机构设计及有限元校核.....................................29
§4.1 柔性铰链的发展现状...........................................29
§4.2 柔性铰链的模型确定...........................................29
§4.3 柔性铰链机构设计.............................................31
§4.3.1 直圆形柔性铰链受力变形分析
..............................31
§4.3.2 利用能量法设计双柔性导向机构
............................33
§4.3.3 利用材料力学的方法设计双柔性导向机构
....................36
§4.4 有限元校核...................................................38
§4.4.1 模型建立
................................................38
§4.4.2 静态特性
................................................38
§4.4.3 模态分析
................................................40
§4.5 柔性铰链工作特性.............................................41
§4.6 铰链设计图纸.................................................42
§4.7 柔性铰链加工.................................................44
§4.8 本章小结.....................................................45
第五章 控制系统设计与研究...........................................46
§5.1 控制系统总体结构.............................................46
§5.2 虚拟仪器技术.................................................47
§5.2.1 虚拟仪器的概述
..........................................47
§5.2.2 LabVIEW 简介
............................................48
§5.3 控制系统设计.................................................49
§5.3.1 控制系统配置
........................................49
§5.3.2 闭环控制系统设计
........................................50
§5.3.3 虚拟仪器设计
............................................54
§5.4 本章小结.....................................................56
章 总结与展...................................................57
§6.1 文总结.....................................................57
§6.2 工作展.....................................................57
参考............................................................59
第一章
第一章
§1.1 课题研究的背景与意义
目前,实现精密加工和精密加工[9,12,13]的方法主要有:精密切削,
精密石刀镜面车削、削和削等;精密削、抛光精密微
加工(子束离子束激光束加工以及微器件的加工技术等)目前世界上
密加工和量领域达到的技术水平如下:加工精度为0.025
Ra0. 0045 经进了纳米加工精度时代量技术方,对小位移的
电容式测的分辨率可0.5 (量程15 )0.1 (量程5 )线形度
小于0.1%激光干涉仪的分辨率可达到0. 05 (量程30 )。因
满足了纳米加工的技术要求。
采用传统加工方法高的加工精度表面要求
由于受到使用件和加工成本等因使其应用倒很限。如何
于传统加工方法加工精度和表面,是目前机床行业发展切关心的
题。目前控精密普遍只能达到1的进给分辨率,控精密内/床等
备加工的圆度和圆度精度为2~5 远不能满足精度加工要求。要提高机
床的加工精度,可以通过改进机床控制系统、提高机床材料性能和采用复
械机构等来实现。是复的机械机构设计、加工以及控制系统价将大大提高机
床的成本和发难度。
为了种状,国先提采用微进给的方法进和提高床的
给精度,为提高机床加工精度提新的思路和方法。微进给技术是精密加工
精密加工的关键技一。近年受到个国家利研机构的迅速
展。微进给技术的研究不仅关系到精密机床研制,而是精密机械、微电
工程等种学科以发展的基础随着微电技术向大成电路(LSI)
成电(VLSI )方向发展线条细化16KMRAM线宽己缩小
0.07 左右,对于相应的工设备(图形发器、分步重复相机、光刻机、
子束X射线曝光机及其检测设备等)了更高的要求,要求这些设备的定位
精度为线宽1/3~1/5即亚微米甚至纳米级的精度。展微进给系统及其控
制方法的研究具有重要意义。
§1.2 微进给技术研究现状
微进给技术[1]的是具有行程小、度和精度高等特点的机械加工
技术。它是精密机构与精密仪器的关键技术一。微进给是重要的进给元件,
1
精密微位移进给系统方案设计
是对工系统误差进行动态、静态补偿的关键元件。般认为进给量在米以
机构为微进给机构[4,13]随着压电、电致、致及静电等微动行元件的现和
发展了微进给技术的发展。目前的微进给机构利用
变形、线电机、机械传动、力和能材料(压电陶瓷、电致伸缩、致伸缩)
实现微进给。
1) 弹微进给机构
微进给的工作原理是利用传弹簧弹簧的刚,将
移相对于输入位移的大缩小以提移的分辨率。进给
几十微米至十米。进给移相对于输入移是一确
的,初始得稳定的高分辨率和运动精度。由于
弹簧的刚板弹刚度,因该机构可缩小比很大的
位移。是,由于实现方为机械,难于实现
2)线电机微进给
线
1000N采用直线电机的进给驱动系统,快速进给可以达到 76m/min,进给加
可达到 9.8m/s² 。直线电机传动的突出优点是,可到高的瞬时加、
度。其驱动的进给系统需要用机助的方法把旋动变为直线动,
简化了系统的结构,避免了由于中环节的性变形、间隙磨损和发热等
素带来的运动线电机的主是成;发比较;控
制系隔磁防磁题,控制系统中的大器,可能受到环
降低加工精度,在运行组线圈产热将大大系统的性
能。
3)电热微进给机构
电热微位移是利用体的实现微位移的种机构结
作方便由于传动周围介之间有热交换影响位移精度。由于热
在,不适于高位移。
4) 磁致伸缩微进给机构
致伸缩微位移机构是利铁磁材料作用下产微伸运动来实
微位移的铁磁材料作用产生伸缩着受热伸
其应用受到了限制。
2
摘要:

摘要随着科学的进步,机电设备的机械加工精度已要求纳米级精度。由于传动系统和控制系统的精度和分辨率原因,通常的机床结构及其控制系统往往难以达到本文结合机床行业需求,设计了以压电元件为驱动器、以柔性铰链为导向支承机构、以虚拟仪器为核心的闭环控制系统构建而成的高刚度、高精度微进给系统。该系统与机床原有横向进给系统相结合,实现粗精两级进给,将大大提高机床进给系统的精度。本文采用最新最先进的技术来构建高质量的微位移进给系统,它主要包括三部分:驱动器、导向机构和控制系统。驱动器采用性能最好、控制最容易实现、目前研究最成熟的压电陶瓷驱动器,压电陶瓷驱动器已经在现实中被证明了的最好的微驱动器;导向机构,采用最...

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