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基于摩擦傳動(dòng)的高分辨率和大沖程的微量進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院劉海濤，盧澤生
摘要
在摩擦傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種通過壓電陶瓷結(jié)合螺桿軸和氣體靜壓引導(dǎo)的方式驅(qū)動(dòng)的長沖程和高分辨率的微量進(jìn)給系統(tǒng)。設(shè)計(jì)用來使加載裝置可以靈活的起落。利用有限元方法對(duì)柔性連接裝置對(duì)它的靜態(tài)特性進(jìn)行分析。對(duì)這種微量進(jìn)給系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
關(guān)鍵詞： 摩擦傳動(dòng) 壓電傳動(dòng)裝置 柔性鉸鏈 有限元
1.簡介
光學(xué)在航空、航天、國防等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用的行業(yè)。然而,生產(chǎn)的大型光學(xué)鏡面面臨著巨大的困難,效率較低、成本較高、增加在工藝設(shè)備的要求等。為了獲得更高的精度，高微位移分辨率超-先進(jìn)精密機(jī)床有待進(jìn)一步深入,以補(bǔ)償加工誤差。因此,微量進(jìn)給機(jī)制的設(shè)計(jì)已成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。壓電陶瓷是一種近年來發(fā)展起來的新型的微量進(jìn)給機(jī)制。它所擁有的優(yōu)勢(shì),比如體積小、功率大、分辨率高和高頻率響應(yīng),恒溫,不反彈，無粘性。因此它廣泛使用在微量進(jìn)給機(jī)制。如今,摩擦傳動(dòng)機(jī)制逐步被獲得和使用。
2．微量進(jìn)給機(jī)制的結(jié)構(gòu)和工作原理
微量進(jìn)給機(jī)制是由三個(gè)部分組成:摩擦傳動(dòng)裝置、滾珠螺桿及靜態(tài)壓力空氣軸承引導(dǎo)的方式。采用壓電陶瓷微量進(jìn)給機(jī)制阻滯,這些摩擦傳動(dòng)扭曲向上套筒和驅(qū)動(dòng)器
滾珠絲杠,從而帶動(dòng)空氣軸承引導(dǎo)地實(shí)現(xiàn)了微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌，5.滾珠絲杠，6. 壓電陶瓷底座，7.壓電陶瓷底座
圖一：進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
按照?qǐng)D2所示的進(jìn)給系統(tǒng)工作原理是,套筒連接著球摩擦傳動(dòng)螺桿、四個(gè)模塊是放置的兩側(cè)對(duì)稱的軸套。每一塊由相應(yīng)的壓電陶瓷用于驅(qū)動(dòng),這種機(jī)制由于是由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，適用于夾持產(chǎn)生夾力。進(jìn)給機(jī)制的運(yùn)作,壓電陶瓷適用于夾持在同一陣營的摩擦傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)都工作在特定塊整齊,從而使摩擦傳動(dòng)套筒連續(xù)的傳動(dòng)。
圖1:(b)進(jìn)給系統(tǒng)圖片
圖2:進(jìn)料機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理
3．結(jié)合設(shè)計(jì)的可調(diào)機(jī)制
擰緊調(diào)節(jié)機(jī)制是一個(gè)需要在摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它必須有足夠的 預(yù)緊力。典型的方法是鋼板彈簧預(yù)緊預(yù)緊機(jī)制，螺旋預(yù)緊 機(jī)制，氣壓預(yù)緊機(jī)制等。該擰緊機(jī)制本文設(shè)計(jì)的 靈活的平行四桿機(jī)構(gòu)。這是由壓電陶瓷droved供應(yīng)預(yù)緊力。該 預(yù)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(dāng)驅(qū)動(dòng)力的 壓電陶瓷是在最大500N的，靈活安排四桿機(jī)構(gòu)剛度，有限元分析 軟件，是K =24.15N/μm，以及最大應(yīng)力彈性鉸鏈?zhǔn)? 32.7Mpa。如果沒有靈活失真 四桿機(jī)構(gòu)（即當(dāng)摩擦傳動(dòng)板塊跟硬性），輸出力的壓電 陶瓷將完全轉(zhuǎn)化為預(yù)緊通過靈活的四桿機(jī)構(gòu)的力量。
4．驅(qū)動(dòng)特性分析的機(jī)制
學(xué)習(xí)和掌握輻射源驅(qū)動(dòng)特性的機(jī)制以便采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以改善整體性能，并提供了設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
4.1驅(qū)動(dòng)力矩
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，有一個(gè)初步的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為零件的質(zhì)量存在問題的結(jié)果。為了研究驅(qū)動(dòng)力矩，選擇摩擦傳動(dòng)套筒為主體的影響。根據(jù)該理論認(rèn)為，動(dòng)力學(xué)傳動(dòng)裝置的能量是一樣的火車前和轉(zhuǎn)換后，各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)化為摩擦套。正因?yàn)槿绱?，我們可以得到轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
圖三:計(jì)劃的靜態(tài)特性分析結(jié)合的機(jī)制
P:導(dǎo)程，m
R：套筒半徑，m
Ms：滾珠螺桿質(zhì)量，kg
Mt：套筒質(zhì)量，kg
通過以上分析,我們得到的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的摩擦的袖子。現(xiàn)在我們選擇摩擦的袖子一樣對(duì)象來討論這個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩(動(dòng)力),是需要裝置時(shí)開始及其影響因素。下列方程裝置時(shí)開始工作：
J：等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg。m2
R：摩擦套筒半徑，m
：套筒摩擦角加速度，rad/s2
M：驅(qū)動(dòng)力矩，n。m
F：驅(qū)動(dòng)力（摩擦片與套筒之間的摩擦力），n
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，一個(gè)適宜的驅(qū)動(dòng)器偏轉(zhuǎn)組應(yīng)該被應(yīng)用于摩擦套，以使該套可以有一定的角加速度。該驅(qū)動(dòng)器偏轉(zhuǎn)組所產(chǎn)生的壓電輸出力陶瓷。由式2我們可以得到的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的系統(tǒng)，半徑套的摩擦和驅(qū)動(dòng)器對(duì)壓電陶瓷（爆發(fā)摩擦塊之間的摩擦和摩擦套），是影響力機(jī)制啟動(dòng)的因素，所以我們應(yīng)該考慮各因素，以確保機(jī)制正常啟動(dòng)。
4.2驅(qū)動(dòng)剛性
剛性的驅(qū)動(dòng)是其中的重要驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特征之一?，F(xiàn)在我們將分析駕駛進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度詳細(xì)的證明。不靈活的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的級(jí)聯(lián)連接剛度的飼料的每一個(gè)片段的機(jī)制,這種機(jī)制有計(jì)算公式如下:
K：進(jìn)刀機(jī)構(gòu)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(dǎo)螺桿軸向剛度
Ks'：從軸向剛度改變導(dǎo)螺桿的扭轉(zhuǎn)剛度
Kn：螺母剛度
Kb：軸向載荷
Kh：軸承座機(jī)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(jì)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(chǎn)的中國電子科技集團(tuán)公司先研究所。通過它的剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(gè)物體互相接觸將在以前的某些行動(dòng)切向相對(duì)滑移過渡切向外部力量，這被稱為預(yù)位移。力和位移之間的比例關(guān)系，實(shí)際上反映了一個(gè)剛性的特點(diǎn)。相應(yīng)的剛性現(xiàn)在是：
K：常數(shù)
N：正壓力
R：對(duì)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(dòng)系統(tǒng)、鉀是由實(shí)驗(yàn),r是常量,唯一的影響
動(dòng)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(zhuǎn)剛度的導(dǎo)螺桿
傳動(dòng)鏈方面的需要進(jìn)行改造時(shí)統(tǒng)一計(jì)算它的剛性。因此，扭轉(zhuǎn)剛性必須轉(zhuǎn)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(shí)刻，N·mm;
是在絲桿和螺母之間的摩擦角，（°）;
是對(duì)絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，Nmm/rad;
是絲杠扭轉(zhuǎn)，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(gè)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(jì)算。總之，通過演繹著驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛性方程，我們已經(jīng)找到了影響因素每一次駕駛駕駛部分，它提供了有關(guān)駕駛特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步造成剛性。
5.進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究
5.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)
如圖5所示，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由送料機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器其電源供應(yīng)器及電感測(cè)微儀。
圖5:基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線測(cè)量壓電陶瓷控制電壓之間的關(guān)系和滑動(dòng)運(yùn)輸距離。利用Matlab軟件以適應(yīng)線,以三次代數(shù)多項(xiàng)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(yīng)的關(guān)系表達(dá)式的控制電壓和距離和因此控制距離的進(jìn)給機(jī)制。
圖6:適合以三次代數(shù)多項(xiàng)式
控制電壓和距離的關(guān)系式公式7所示
x是輸出的距離,μm;
u控制電壓,V。
5.2實(shí)驗(yàn)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(gè)時(shí)候,距離工作表微0.15μm。 然后一步拉伸逐漸在此基礎(chǔ)上,保持1.5在每一時(shí)刻。采樣時(shí)間是控寄存器。這分辨率曲線可以獲得實(shí)踐的距離,通過測(cè)量微進(jìn)給機(jī)構(gòu)使用的電感測(cè)微儀。
圖7:距離分辨率曲線的進(jìn)給機(jī)制
6．結(jié)論
微進(jìn)給機(jī)構(gòu)一步用長征、高分辨率的設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上從以下結(jié)論分析得出:
1.結(jié)合機(jī)理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算;分析了駕駛剛度特性的微進(jìn)給機(jī)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其影響因素;
3. 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以達(dá)到300mm，分辨率小于0.05μm少。
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