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基于摩擦傳動的高分辨率和大沖程的微量進給機械系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院劉海濤，盧澤生 摘要 在摩擦傳動原理的基礎上,設計了一種通過壓電陶瓷結合螺桿軸和氣體靜壓引導的方式驅動的長沖程和高分辨率的微量進給系統(tǒng)。設計用來使加載裝置可以靈活的起落。利用有限元方法對柔性連接裝置對它的靜態(tài)特性進行分析。對這種微量進給系統(tǒng)的傳輸特性進行了詳細的分析。 關鍵詞： 摩擦傳動 壓電傳動裝置 柔性鉸鏈 有限元 1.簡介 光學在航空、航天、國防等領域中已得到廣泛應用的行業(yè)。然而,生產的大型光學鏡面面臨著巨大的困難,效率較低、成本較高、增加在工藝設備的要求等。為了獲得更高的精度，高微位移分辨率超-先進精密機床有待進一步深入,以補償加工誤差。因此,微量進給機制的設計已成為其關鍵技術之一。壓電陶瓷是一種近年來發(fā)展起來的新型的微量進給機制。它所擁有的優(yōu)勢,比如體積小、功率大、分辨率高和高頻率響應,恒溫,不反彈，無粘性。因此它廣泛使用在微量進給機制。如今,摩擦傳動機制逐步被獲得和使用。 2．微量進給機制的結構和工作原理 微量進給機制是由三個部分組成:摩擦傳動裝置、滾珠螺桿及靜態(tài)壓力空氣軸承引導的方式。采用壓電陶瓷微量進給機制阻滯,這些摩擦傳動扭曲向上套筒和驅動器 滾珠絲杠,從而帶動空氣軸承引導地實現(xiàn)了微量進給運動。 結構如圖1所示。 1， 軸承支架，2.活塞，3、活塞缸，4.精壓力空氣軸承導軌，5.滾珠絲杠，6. 壓電陶瓷底座，7.壓電陶瓷底座 圖一：進給機構的結構 按照圖2所示的進給系統(tǒng)工作原理是,套筒連接著球摩擦傳動螺桿、四個模塊是放置的兩側對稱的軸套。每一塊由相應的壓電陶瓷用于驅動,這種機制由于是由壓電陶瓷驅動，適用于夾持產生夾力。進給機制的運作,壓電陶瓷適用于夾持在同一陣營的摩擦傳動驅動都工作在特定塊整齊,從而使摩擦傳動套筒連續(xù)的傳動。 圖1:(b)進給系統(tǒng)圖片 圖2:進料機構的運行原理 3．結合設計的可調機制 擰緊調節(jié)機制是一個需要在摩擦傳動機構，它必須有足夠的 預緊力。典型的方法是鋼板彈簧預緊預緊機制，螺旋預緊 機制，氣壓預緊機制等。該擰緊機制本文設計的 靈活的平行四桿機構。這是由壓電陶瓷droved供應預緊力。該 預緊力可以改變控制的壓電陶瓷輸入電壓。 如圖3所示，利用有限元軟件分析的靜態(tài)特性。當驅動力的 壓電陶瓷是在最大500N的，靈活安排四桿機構剛度，有限元分析 軟件，是K =24.15N/μm，以及最大應力彈性鉸鏈是= 32.7Mpa。如果沒有靈活失真 四桿機構（即當摩擦傳動板塊跟硬性），輸出力的壓電 陶瓷將完全轉化為預緊通過靈活的四桿機構的力量。 4．驅動特性分析的機制 學習和掌握輻射源驅動特性的機制以便采取適當?shù)拇胧?，以改善整體性能，并提供了設計控制系統(tǒng)設計的基礎。 4.1驅動力矩 當系統(tǒng)啟動時，有一個初步的轉動慣量作為零件的質量存在問題的結果。為了研究驅動力矩，選擇摩擦傳動套筒為主體的影響。根據(jù)該理論認為，動力學傳動裝置的能量是一樣的火車前和轉換后，各部分的轉動慣量，轉化為摩擦套。正因為如此，我們可以得到轉換后的轉動慣量。 圖三:計劃的靜態(tài)特性分析結合的機制 P:導程，m R：套筒半徑，m Ms：滾珠螺桿質量，kg Mt：套筒質量，kg 通過以上分析,我們得到的等效轉動慣量的摩擦的袖子。現(xiàn)在我們選擇摩擦的袖子一樣對象來討論這個驅動力矩(動力),是需要裝置時開始及其影響因素。下列方程裝置時開始工作： J：等效轉動慣量，kg。m2 R：摩擦套筒半徑，m ：套筒摩擦角加速度，rad/s2 M：驅動力矩，n。m F：驅動力（摩擦片與套筒之間的摩擦力），n 當系統(tǒng)啟動時，一個適宜的驅動器偏轉組應該被應用于摩擦套，以使該套可以有一定的角加速度。該驅動器偏轉組所產生的壓電輸出力陶瓷。由式2我們可以得到的等效轉動慣量的系統(tǒng)，半徑套的摩擦和驅動器對壓電陶瓷（爆發(fā)摩擦塊之間的摩擦和摩擦套），是影響力機制啟動的因素，所以我們應該考慮各因素，以確保機制正常啟動。 4.2驅動剛性 剛性的驅動是其中的重要驅動進給機構的特征之一?，F(xiàn)在我們將分析駕駛進給機構的剛度詳細的證明。不靈活的進給機構的級聯(lián)連接剛度的飼料的每一個片段的機制,這種機制有計算公式如下: K：進刀機構總體硬度 Ky：壓電陶瓷剛度 Kf：接觸剛度之間的接觸摩擦表面的摩擦剛性塊體和壓電陶瓷套筒 Ks：導螺桿軸向剛度 Ks'：從軸向剛度改變導螺桿的扭轉剛度 Kn：螺母剛度 Kb：軸向載荷 Kh：軸承座機軸承架螺母的剛度 Kd：螺母連接塊軸向剛度 這是部分的分析和計算的剛性。 4.2.1壓電陶瓷剛度 本文用壓電陶瓷微定位是打印的WTYD0808055陶瓷生產的中國電子科技集團公司先研究所。通過它的剛度測量實驗15.15N /μm,如圖4 4.2.2接觸表面的接觸剛度、摩擦塊之間的套筒 兩個物體互相接觸將在以前的某些行動切向相對滑移過渡切向外部力量，這被稱為預位移。力和位移之間的比例關系，實際上反映了一個剛性的特點。相應的剛性現(xiàn)在是： K：常數(shù) N：正壓力 R：對摩擦半徑的理想化的球體表面 很明顯的,特殊摩擦方程出發(fā),得到了齒輪傳動系統(tǒng)、鉀是由實驗,r是常量,唯一的影響 動人的剛性因素常壓N .很明顯,更大的N、較大的接觸剛度K。 圖4:剛度曲線的壓電陶瓷 4.2.3 軸向剛度的改變,從扭轉剛度的導螺桿 傳動鏈方面的需要進行改造時統(tǒng)一計算它的剛性。因此，扭轉剛性必須轉換成下面的公式軸向剛度： 是螺旋上升的鉛角，（°）; D是絲桿直徑，mm; F是絲桿軸向力,N; M是絲桿輸入時刻，N·mm; 是在絲桿和螺母之間的摩擦角，（°）; 是對絲杠扭轉剛度，Nmm/rad; 是絲杠扭轉，rad P是絲桿長度，mm; G是絲桿剪切彈性模量，Mpa; 是截面慣性矩，mm L是兩個推力軸承的距離，mm 螺母連接的剛性塊軸向可以得到的有限元分析。螺母支架的剛度和軸承塊是非常大的，可以予以辭退。其他部分可以得到剛性通過查找表和計算?？傊?，通過演繹著驅動進給機構的剛性方程，我們已經找到了影響因素每一次駕駛駕駛部分，它提供了有關駕駛特性研究的基礎上進一步造成剛性。 5.進刀機構的實驗研究 5.1實驗系統(tǒng)的基礎 如圖5所示，該實驗系統(tǒng)是由送料機構，計算機，壓電陶瓷驅動器其電源供應器及電感測微儀。 圖5:基礎的實驗系統(tǒng) 本文采用一種基于平均控制曲線模型建立開環(huán)控制模型。首先,實驗曲線測量壓電陶瓷控制電壓之間的關系和滑動運輸距離。利用Matlab軟件以適應線,以三次代數(shù)多項式擬合線,線擬合誤差,是一樣的顯示在圖6,由此我們得到相應的關系表達式的控制電壓和距離和因此控制距離的進給機制。 圖6:適合以三次代數(shù)多項式 控制電壓和距離的關系式公式7所示 x是輸出的距離,μm; u控制電壓,V。 5.2實驗研究系統(tǒng)分辨率 如圖7,壓電陶瓷具有一定的伸長。就在這個時候,距離工作表微0.15μm。 然后一步拉伸逐漸在此基礎上,保持1.5在每一時刻。采樣時間是控寄存器。這分辨率曲線可以獲得實踐的距離,通過測量微進給機構使用的電感測微儀。 圖7:距離分辨率曲線的進給機制 6．結論 微進給機構一步用長征、高分辨率的設計,并在此基礎上從以下結論分析得出: 1.結合機理的基礎上,設計了壓電陶瓷靈活的鐵鉸鏈和分析了它靜態(tài)特性,采用有限元分析軟件; 2.分析了起動轉矩的微進給機構的等效轉動慣量計算;分析了駕駛剛度特性的微進給機構,發(fā)現(xiàn)其影響因素; 3. 微進給機構可以達到300mm，分辨率小于0.05μm少。 參考文獻 1.Seugng-Bok Choi, Sang-Soo Han. Position Control System Using ER Clutch and Piezoactuator. Pro. of SPIE, 2003, 5056: 424~431 2．Suzuki H, Kodera S, Mabkawa S, et al. Study on Precision Grinding of Micro a Spherical Surface. JSPE, 1998, 64(4):619~623. 3.Arrasmith S. R, Kozhinova I A, Gregg L L et al. Details of The polishing Spot in Magnetorheological Finishing(MRF).Proceedings of SPIE-the International Society for OpticalEngineering,2001,Vol.3782:92~100. 4.Atherton P D, Xu Y, McConnell M. New X-Y Stage for Precision Positioning and Scanning. SPIE, 1996, 2865:15~20. 5.Liu Yung -Tien, Toshiro Higuchi, Fung Rong-Fong. A Novel Precision Positioning Table Utilizing Impact Force of Spring-Mounted Piezoelectric Actuator. Precision Engineering, 2003, 27:14221 6.Lobontiu N, Goldfarb M, Garcia E. A Piezoelectric Drive Inchworm Locomotion Device. Mechanism and Machine Theory, 2001, 36: 425~443. 7.A. A. Elmustafa, Max G. Lagally. Flexural-hinge Guided Motion Nanopositioner Stage for Precision Machining: Finite Element Simulations. Precision Engineering, 2001, 25: 77~81 8.Jaehwa Jeong, Young-Man Choi, Jun-Hee Lee. Design and Control of Dual Servo Actuator for Near Field Optical Recording System. Pro. of SPIE, 2005, 6048: 1~8 9.Kim Jeong-Du, Nam Soo-Ryong. Development of a Micro-depth Control System for an Ultra-precision Lathe Using a Piezoelectric Actuator. International Journal of Machine Tools and Manufacture. Volume:37,Issue:4, April, 1997, pp.495~509 10.Li Sheng-yi, Luo Bing, Dai Yi-fan, Peng Li. Design and Experiment of The Ultra Precision Twist-roller Friction Drive. ICAMT'99.1999.