基于压电陶瓷驱动的快刀伺服系统的研制.pdf

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1、D嘞nandR删，ch设计与研究基于压电陶瓷驱动的快刀伺服系统的研制陈武李克天刘洪飞赵荣丽(广东工业大学，广东广州510006)摘要：设计了一款基于压电陶瓷驱动、利用柔性铰链铰接的微结构加工快刀伺服系统。用理论计算和有限元分析软件对柔性铰链进行了优化和分析，并进行了实际加工和测试。测试结果表明该系统能达到最大的加工行程为60呻；并且在O一39岬的加工行程范围内运动频响可达到150Hz。关键词：微结构加工；压电陶瓷；柔性铰链；快刀伺服；有限元分析中图分类号：TG669文献标识码：BDeveIOpmentOfa

2、fasttOOIsen，OsystembasedOnpiezOeIectricceramicCHENWu，LIKetian，LIUHongfei，ZHAORongli(GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，CHN)Abstract：Thispaperdesignedafastt001sen，o(FTS)devicebasedonpiezoelectricceramicandjointedbynexiblehinge．Thenexiblehingewa

3、sanalyzedandoptimizedbothbythetheoreticalcalculationandfiniteele-mentanalysissoftware；andithadbeenphysicalprocessedandtested．ThetestingIesultsindicatedthatthisFTrSsystemcanreachatmvelmngefor60斗m；andt}lefkquencyresponsereach150Hzwithin39斗mtraVelrange．Keywor

4、ds：micmstmcturemachining；piezoelectricceramic(PZT)；Ⅱexurehinge；fasttoolservo(FTrS)；finiteele—mentanalvsis利用快速伺服刀具技术(fasttoolservo，兀’S)可以1快刀伺服系统的结构设计与分析进行光学自由曲面的超精密加工¨J。本文确定的快刀伺服系统性能参数如下：最大行程为60斗m，O一39斗m范围内运动频响达到150Hz。1．1快刀伺服装置的总体结构设计直线式兀1S通常采用音圈电机、压电驱动器、磁致

5、伸缩驱动器、洛伦兹力驱动器或麦克斯韦力驱动器作为驱动源。采用压电陶瓷驱动时，行程一般在100仙m以下，带宽一般在100—2000Hz之间，适合于高频响短行程场合‘2。。本文研制的快刀伺服系统最大行程为60¨m，因此选用压电陶瓷作为兀S的驱动部件。图1快刀加工系统的息体结构本文设计的快刀伺服装置总体结构如图2所示。如图1所示，快速伺服刀具技术使用高响应频率、压电陶瓷通过A处与刀架的运动部分相连，进而给刀高精度的驱动装置使刀具在y向产生快速进刀运动，具施加快速进刀的动力；通过调整预紧螺杆4上的螺通过与主轴C的回

6、转运动、z轴的径向进给运动相结母来实现对压电陶瓷施加一定的预紧力。合，金刚石刀具实时跟踪设计面形的变化，能够实现复1．2柔性铰链的设计杂面形工件或结构的精密高效加工。柔性铰链用于提供绕轴做旋转运动的有限角位本研究的主要目的就是要设计和研制一款压电陶移，在光学平台、微调整机构等的结构设计中被广泛采瓷驱动的、满足微结构加工性能要求的快速刀具伺服用。柔性铰链的使用能大大简化机构的旋转副，提高系统，以实现复杂面形光学元件的加工。机构的运动精度，并可以充分实现精确化、小型化和经囝豢等等·43·‰、——“≯‘⋯q+月口

7、M平面将其隔开，对该部分采用扫掠方式划分为更密集(2)应力分析的单元。机构输出的位移主要依靠柔性铰链的变形产生，而铰链最薄处往往会产生较大的应力。为保证铰链在使用中不会失效，必须对其做应力分析，即机构在输出设计位移时，铰链产生的最大应力是否大于材料的屈服强度，使用时安全系数是否大于l。图9为机构达到最大位移时的应力分布云图，最大应力矿。=140．32MPa。所用材料的屈服强度为盯。=300MPa。由此可得安全系数为：s=∑一2．14>1。r图6刀架有限元建模的示意图(1)刚度分析对有限元模型设置边界约束并施

8、加载荷之后，即可进行求解。对于本结构，将刀架外框部分的侧面固定，向压电陶瓷驱动器安装处施加y向S=60斗m的位移载荷来代表刀具在y方向上进刀60斗m(如图7所示)，然后即可计算求解。‘。'焉亍一图8刀具进刀量为肛60um图7施加位移载荷示意图通过有限元分析计算，可以求得当刀具在y方向的位移为60¨m时，刀架所需的推力大小以及此时刀架所产生的最大应力大小。从图8～10中整理AN—图9刀具进刀量为60um时刀架产生的