压电陶瓷微动机构在超精密车削中的应用

HEATS

　　1.引言

* e* F; `' u& y. k5 ] m 5 T7 _% G1 R5 w m

　　微动机构一般指行程范围为毫米级、位移分辨率及定位精度达纳米级(甚至亚纳米级)的位移机构。微动机构通常由微位移器和精密导轨两部分组成。在机械加工中大量采用了各种类型的微动机构，但在超精密车削加工中，压电陶瓷微动机构的应用最为广泛。压电陶瓷微动机构的工作原理主要基于逆压电效应，与其它类型的微动机构相比，具有体积小、刚度大、位移分辨率及定位精度高、频率响应高、不发热、无噪声、易于控制等优点［1］。近十年来，压电陶瓷微动机构的性能不断提高，已逐步进入实用阶段。目前国外压电陶瓷微动机构的控制精度已达到纳米级，频响达到上千赫兹；国内研制的压电陶瓷微动机构的重复定位精度巳经达到了±0.01μm，频响达到数百赫兹。目前应用于超精密车削加工的压电陶瓷微动机构主要为一维和二维微动机构。

　　2.压电陶瓷微动机构在超精密车削中的应用

' D8 W5 {! ?/ \( j, r7 O" M + `! ], f& h) Y! ~$ B

　　超精密车削是超精密加工中一种重要的加工方式，主要用于加工金属平面反射镜、红外锗透镜、非球曲面光学透镜等的超精表面。要实现超精密车削，除需要配备超精密车床、高精度测量设备及锋利的金刚石刀具外，高精度微进给机构在超精密车削中也起着举足轻重的关键作用。压电陶瓷微动机构在超精密车削中主要用于以下几方面。

　　(1)微量进给机构

; ^& ^7 Z, r4 y/ w: @6 l

　　在超精密车削中，实现刀具的精确微小位移是进行超精密加工的必要条件。超精密加工所能达到的精度水平在很大程度上取决于微进给技术水平的高低，如零件尺寸公差的控制精度取决于横向进给装置的精度［2］，日益兴起的超薄切削以及非对称曲面车削等都需要采用高精度微量进给机构，研究结果表明，采用闭环控制的压电陶瓷微动机构可较好满足这方面的要求。德国DI公司生产的压电陶瓷微动机构采用高精度电容传感器作为测量元件，可实现纳米级精度控制。

& C i. g% g$ m m; K( }

　　(2)误差补偿执行机构

. y: m+ c2 p: k8 @0 g! J8 z) |

　　误差补偿的实质是通过运动副的移动使刀具或工件在机床空间误差的反方向产生相对运动以消除误差。误差补偿在大多数情况下是通过改变切削深度(变化量等于误差值)来实现的，而压电陶瓷微动刀架可作为误差补偿的执行机构直接驱动刀具或工件作微小位移。由于压电陶瓷微动机构具有高频响特性，采用一维压电陶瓷微动刀架补偿机床主轴回转误差效果很好［3，4］。美国LLL实验室1983年研制成功的DTM-3卧式大型光学金刚石车床和1984年研制成功的LODTM立式大型光学金刚石车床均采用了压电陶瓷微动刀架作为误差补偿的执行机构，提高了机床的加工精度［5］。采用二维压电陶瓷微动刀架作为误差补偿执行机构，可大幅度提高工件轮廓加工精度。

- @( h% I* A7 G) D8 g

　　(3)溜板运动误差校正执行机构

; H2 o( V0 H: d" Y: m! a# S

　　在超精密车削加工中，机床溜板运动的直线度误差是影响加工精度的主要误差源之一，仅靠提高溜板零部件的加工精度和装配精度难以完全保证溜板的运动精度，如在生产型机床上要将溜板运动的直线度误差控制在0.1μm／200mm以内是相当困难的，因此需要对溜板的运动进行误差校正。采用压电陶瓷微动机构作为超精密车床溜板运动误差校正的执行机构效果较好。日本东京工业大学采用由标准直尺、电容式非接触位移计以及作为误差校正执行元件的压电陶瓷微动机构组成的控制系统进行了溜板运动误差校正试验，由安装在工作台一侧的两个传感器测量工作台在水平方向的位移和摆动，然后反馈给压电陶瓷微动机构进行导轨在线位移补偿，使溜板在水平方向的运动直线度误差小于0.14μm／600mm，偏摆小于0.14″［8］；Hyung-seokLee等人采用TWYMAN-GREEN干涉仪和压电陶瓷微动机构在线测量和补偿溜板在垂直面内的直线度、滚摆和摇摆误差，使直线度达到纳米级精度，滚摆和摇摆误差分别达到0.1arcs和0.06arcs［9］；作者在HCM-Ⅰ型超精密数控车床上采用自行研制的一维压电陶瓷微动刀架在线补偿溜板的直线度误差，用于加工端面和圆柱面时效果显著［6，7］。

# u) \! R8 L- {$ \

　　(4)闭环控制系统执行机构

　　为实现高精度的轮廓加工，要求数控机床不仅具有极高的单轴轴向定位精度，同时应具有极高的双轴或多轴同步匹配精度，因此数控系统最好采用全闭环控制。虽然在理论上全闭环控制可以达到很高的控制精度，但由于机械变形、温度变化造成的热变形、丝杠与螺母之间的间隙、振动及其它因素的影响，全闭环控制系统稳定性的调整、控制相当困难。此外，机床运行一定时期后，由于机械传动部件的磨损、变形及其它因素的改变，容易使已调整好的系统稳定性改变，从而使控制精度发生变化［10］。采用高性能的二维压电陶瓷驱动器对超精密车床的两轴定位误差进行同步闭环控制，则能较好地克服传统闭环控制系统的缺陷。作者在研制的超精密车床上采用PC23计数器测量参考位置，采用日本东京株式会社生产的DISTAXL-TM-20B单频激光干涉仪测量溜板实际位置，采用二维压电陶瓷微动刀架来补偿实际位置与参考位置的差值，补偿后两轴的重复定位精度可达±0.02μm；国防科大李圣怡教授采用二维压电陶瓷微动刀架作为双重伺服机构控制超精密车床的轮廓加工精度也取得了较好效果。

　　(5)主动隔振器执行机构

! G, ?1 @$ Q Z% D7 e 8 W0 x9 p/ j% Z% b, t; ?9 w

　　超精密车削加工时，环境干扰对加工精度和表面质量的影响不容忽视，如环境振动的干扰不仅会引起机床本身的振动，还会引起切削刀具与被加工零件间的相对振动位移，这将直接影响被加工零件的精度和表面质量，因此超精密车床必须设置性能优异的隔振、减振装置，如采用主动隔振器，则隔振效果会更好。作者所在课题组正对主动隔振器进行专门研究，具体方案是在研制的超精密车床的床身下安装三个压电陶瓷微动机构作为隔振支撑装置，压电陶瓷微动机构根据测得的振动位移量同步伸缩以使床身始终保持水平。初步试验结果表明，采用压电陶瓷微动机构作为主动隔振器的执行机构其隔振效果令人满意。

G* J$ i/ l# f, o2 _8 X. g 0 r5 h& u; }4 ]3 L

　　(6)测量机构微动工作台

5 I, l# B# |1 a4 P' m

　　超精密车削所用金刚石车刀经刃磨后的刀尖圆弧半径可达20～50nm，其测量相当困难。作者所在课题组为此专门研制了一台用于测量新刃磨金刚石车刀刀尖圆弧半径的高精度测量设备，其关键部件之一是二维微动工作台，该工作台采用了压电陶瓷微动机构。试验结果表明，该二维微动工作台在两个方向上均有很好的线性度，通过闭环控制，两个方向的控制精度均可达到±0.01μm。此外，在超精密车削中，将分析测量仪器如扫描隧道显微镜(STM)、扫描探针等固定在压电陶瓷上，由压电陶瓷微动机构精确调整探针与被测样品间的距离，可实现工件表面微观形貌的高精度分析测量。

( r N+ W* _+ G9 W; t) b. Y/ D2 |0 P

　　3.结语

' \$ X5 Z7 `6 Y/ u

　　虽然压电陶瓷微动机构在超精密车削中得到了广泛应用，但是其控制精度仍不能满足日益发展的超精密加工的需要，如在超薄车削加工中，±0.01μm的控制精度并不能满足加工要求。目前国内尚未开发出纳米级控制精度的压电陶瓷微动机构。在保证压电陶瓷制造质量的前提下，进一步提高压电陶瓷微动机构的控制精度主要需要解决以下两个问题：(1)研制高性能的压电陶瓷微动机构驱动电源。驱动电源输出电压的波动直接影响压电陶瓷微动机构的稳定性，作者在试验中曾因电压波动误差极限设置过小而导致闭环控制系统运行时陷于死循环，原因就是驱动电源输出电压不稳定造成压电陶瓷不停伸缩。(2)采用有限元法进一步优化压电陶瓷微动机构弹性变形部分的结构，以提高其变形精度。随着压电陶瓷微动机构控制精度的不断提高，超精密车削的加工精度也必然会有新的提高。【MechNet】

3 X( X/ \) I* D# p$ M