壓電陶瓷驅動快刀機構的性能影響規律實驗研究*

陳東生　吉　方　蔡萬寵　張連新　張　敏

(①中國工程物理研究院機械制造工藝研究所, 四川 綿陽 621900;②清華大學機械工程系精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室, 北京 100084)

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壓電陶瓷驅動快刀機構的性能影響規律實驗研究*

陳東生①吉方①蔡萬寵②張連新①張敏①

(①中國工程物理研究院機械制造工藝研究所, 四川 綿陽 621900;②清華大學機械工程系精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室, 北京 100084)

介紹了一種自主構建的快刀機構，并基于該機構進行了大量的實驗研究，獲得了一些影響快刀機構性能的影響規律，包括預緊力、偏置電壓、驅動頻率對壓電陶瓷靈敏度的影響；快刀機構的系統剛度影響規律；系統位移的傳遞規律；鉸鏈剛度對傳遞效率的影響等。

壓電陶瓷；快刀機構；剛度；實驗研究

快刀伺服加工技術(fast tool servo)是近幾年廣泛研究和發展的先進超精密車削技術，它主要用于自由曲面光學工件的超精密加工。超精密快刀伺服機構是快刀伺服加工系統中重要的執行機構，國內外已有商用快刀伺服系統。國內對快刀機構也進行了大量研究，但由于在超精密快刀加工系統的研制方面起步較晚，相關的研究基礎較為薄弱，同時工程應用很少，對快刀機構性能的一些影響規律研究的不充分，而快刀性能影響規律是快刀機構設計的一個關鍵技術，它也是我國對快刀伺服系統開發的技術瓶頸。

為此，本文基于自主構建的基于柔性鉸鏈導向、壓電陶瓷驅動的快刀機構開展了一些實驗研究，重點分析影響高性能指標(頻響性能、剛度指標、分辨率)的壓電陶瓷與柔性鉸鏈在快刀系統的一些影響因素及規律。本文基于大量的實驗研究，試圖獲得一些影響快刀機構性能的影響因素及規律。

首先介紹開展性能實驗研究的快刀實驗系統，然后基于該系統進行實驗研究，獲得了一些影響快刀機構性能的影響因素及規律，包括預緊力、偏置電壓、驅動頻率對壓電陶瓷靈敏度的影響；快刀機構的系統剛度影響規律；系統位移的傳遞規律；鉸鏈剛度對傳遞效率的影響等。

1　快刀伺服實驗系統

本論文的實驗研究基于自研的快刀伺服機構。該裝置由驅動控制單元和柔性傳動單元構成，驅動控制單元主要完成壓電陶瓷致動器的輸入輸出控制；柔性傳動單元主要把壓電陶瓷致動器的輸出通過柔性鉸鏈機構傳遞到刀架。實驗裝置采用自研柔性鉸鏈、基于電容傳感器高精度反饋、壓電陶瓷驅動器驅動。如圖1，原型裝置采用整體結構布局，后端預緊力可調，電容傳感器實時檢測刀具位置。

2　壓電陶瓷的性能影響實驗與分析

壓電陶瓷是快刀機構的驅動元件，它具有輸出力大、高頻響應快的優點, 但壓電陶瓷的遲滯特性會影響到快刀機構的定位特性。壓電陶瓷在正常工作時，需要對它們施加一定的預緊力。通過實驗發現：壓電陶瓷的遲滯特性受預緊力的影響，同時壓電陶瓷驅動電壓的偏置對輸出位移的靈敏度也有影響。

2.1預緊力及驅動頻率對壓電陶瓷遲滯特性的影響

設計實驗測量壓電陶瓷在多種預緊力條件下的遲滯回線，并通過改變激勵信號波形、電壓幅值和頻率，獲得預緊力對壓電陶瓷遲滯特性的影響規律。

實驗在開環條件下進行，通過壓電陶瓷內部應變片測量壓電陶瓷的變形量，采樣頻率為25 kHz。實驗中使用的預緊力、電壓幅值、頻率和信號波形表1所示，預緊力通過柔性鉸鏈的變形量和等效剛度計算得到。

表1最佳預緊力實驗參數

變量名預緊力/MPa波形電壓幅值/V頻率/Hz變量值2,3,4,6,8,10正弦波,三角波5010,50,100

圖2為壓電陶瓷在驅動電壓幅值50 V作用下10 Hz，50 Hz和100 Hz正弦電壓激勵下的遲滯回線，此外圖中顯示了不同預緊力對壓電陶瓷遲滯特性的影響。

實驗結果分析后可獲得以下結論：

(1)在不同預緊力作用下，壓電陶瓷遲滯回線的斜率發生變化。當預緊力較小時，壓電陶瓷遲滯回線的斜率較大，即壓電陶瓷輸出位移的靈敏度高。主要是由于壓電陶瓷在極化過程中，需克服預緊力做功，因此，隨著預緊力的增大，克服預緊力做功的損耗能量占電-機能量轉換量的比例增大，使輸出位移減小。

(2)隨著驅動頻率升高，壓電陶瓷輸出位移的遲滯特性更加顯著，單周期的能量損耗增大。

2. 2壓電陶瓷偏置電壓對位移靈敏度的影響

為研究偏置電壓對壓電陶瓷位移靈敏度的影響，分別設置偏置電壓為0～20 V內均布的20個值，保持驅動電壓幅值為10 V，頻率為10 Hz，應用應變片測量壓電陶瓷的輸出位移幅值，如圖3所示。

實驗結果分析后可獲得以下結論：

隨著偏置電壓的增大，壓電陶瓷在一定驅動電壓下的位移幅值減小，即壓電陶瓷的位移靈敏度下降。分析其原因為：隨著偏置電壓的增大，壓電陶瓷軸向伸長，則初始預緊力增大，由2.1節中結果可知，隨著預緊力增大，電疇在外場作用下重新取向時的能量損耗增大，導致位移靈敏度降低，在一定電壓幅值激勵下的位移幅值減小，高偏置電壓會等效地增大壓電陶瓷所受的預應力，減小壓電陶瓷在一定驅動電壓幅值作用下的位移幅值。為此，在保證壓電陶瓷在整個工作周期內處于壓應力狀態的前提下，應選擇小偏置電壓。

3　快刀機構的系統剛度影響規律

在快刀機構剛度測試中發現，快刀機構系統的剛度受鉸鏈剛度影響較大。為探詢鉸鏈剛度與系統剛度的關系，我們設計了多種剛度的柔性鉸鏈(包括矩形1.6 mm、1.2 mm厚度鉸鏈，工字形1.6 mm、1.0 mm厚度鉸鏈)，針對不同剛度的柔性鉸鏈測量了整個系統的剛度，測量結果如表2所示。

表2鉸鏈剛度、系統剛度的測試數據

鉸鏈壓電陶瓷剛度/(N/μm)鉸鏈剛度/(N/μm)系統剛度/(N/μm)矩形1.6mm4527.2854.42矩形1.2mm4514.7041.98工字形1.6mm4513.5040.54工字形1.0mm455.34632.49

從圖4數據點進行擬合可得到K=K4+27.15(K4為鉸鏈剛度、K為系統剛度)，固定值27.15 N/μm并不等于壓電陶瓷的剛度45 N/μm，因此，還有一些其它的因素在影響整體剛度。在實際的機構中，壓電陶瓷的后端有預緊支撐，前段有球頭傳遞位移，應該是這兩部分的剛度與壓電陶瓷剛度構成了27.15這個剛度值。理論分析快刀機構剛度模型，如圖5，K1：后端支撐剛度；K2：壓電陶瓷剛度；K3：前段傳遞剛度；K4：柔性鉸鏈剛度，K1、K2、K3串聯后與K4并聯。K1、K3與壓電陶瓷剛度45 N/μm在數值上串聯得到27.15 N/μm，K1、K3越大，串聯后的值越接近壓電陶瓷的剛度。

通過以上實驗及分析，得到如下結論：系統剛度與各機構剛度之間是一個復合串并聯關系。在壓電陶瓷的剛度一定情況下，要獲得更高的系統剛度，需要從兩方面考慮，一是加大柔性鉸鏈剛度，另一方面是增加壓電陶瓷前后端的支撐剛度(K1、K3)。

4　快刀機構的輸出位移幅值的影響規律

4.1系統輸入輸出位移幅值的傳遞規律

實驗中發現，壓電陶瓷的輸出伸縮值(系統的輸入)與實際刀具的輸出位移值有一定的比例關系，為此，我們設計了一組實驗，通過壓電陶瓷開環輸出伸縮值，由千分表測量如圖6中1～6位置的位移變化值，從而分析輸出伸縮幅值的傳遞規律。

表3是快刀機構各點在壓電陶瓷伸縮輸出前后的靜態測試相對位移幅值。

從表3可以看出：對于輸出幅值90 μm與50 μm兩種情況下，其后端預緊處(位置2)會產生一定的后退，比值均在5%左右，而前端球頭位置(位置4)的位移傳遞比值減小約20%，由于結構件不可能為純剛體，它們具有一定的剛度，在受力情況下，會發生一定的伸縮。從實驗中可以發現幅值丟失嚴重的主要是后端預緊部分與前端球頭推力部分，這也相互驗證了前面一章分析得出的柔性鉸鏈前后端的支撐剛度為系統剛度重要影響因素。

表3快刀機構不同位置的靜態位移幅值測試數據

壓電陶瓷伸縮輸出幅值90μm壓電陶瓷伸縮輸出幅值50μm位置點測試點相對位移幅值/μm約占90μm的比例值/(%)測試點相對位移幅值/μm約占50μm的比例值/(%)1-11-112-55-24381904691472804080571804180671804180

4.2鉸鏈剛度對傳遞效率的影響

在一定伸縮幅值的壓電陶瓷輸出下，快刀機構設計應盡量增大刀具的輸出位移幅值，有利于系統的幅值及頻響的提高。從前面的分析可以看出，需盡量增大圖6中位置6(刀座)的位移比值，我們定義刀座位移值與壓電陶瓷伸縮輸出位移的比值為傳遞效率。在實驗中發現：相同的壓電陶瓷位移伸縮靜態輸出，不同的柔性鉸鏈會得到不同的刀座靜態位移值。為了模索柔性鉸鏈剛度對傳遞效率的影響，針對第3節所述的4種鉸鏈進行了不同剛度柔性鉸鏈傳遞效率的實驗，實驗數據如表4所示。

表4鉸鏈剛度與傳遞效率測試數據

鉸鏈鉸鏈剛度/(N/μm)傳遞效率矩形1.6mm27.280.66矩形1.2mm14.700.72工字形1.6mm13.500.81工字形1.0mm5.3460.89

通過表4的數據可得出如下結論：從壓電陶瓷輸出到刀架前端的傳遞效率隨著柔性鉸鏈剛度的增大而減小。分析其原因，在相同的壓電陶瓷伸縮輸出位移下，鉸鏈剛度越大，后端的支撐受力越大，增加后退位移，同時在前段球頭部分的受力增加，變形加大，導致刀座位置的輸出相對位移減小。

5　結語

(1)壓電陶瓷驅動快刀機構中，較小的預緊力及較小的偏置電壓，有利于獲得較大的刀座位移靈敏度；隨著驅動頻率升高，壓電陶瓷伸縮輸出位移的遲滯特性更加顯著。

(2)系統剛度與各機構剛度之間是一個復合串并聯關系。后端支撐剛度、壓電陶瓷剛度、前段傳遞剛度值串聯后與柔性鉸鏈剛度值并聯。

(3)快刀機構中壓電陶瓷的伸縮位移傳遞中，位移丟失嚴重的主要是后端預緊部分與前端球頭推力部分，提高后端預緊機構剛度及前段球頭處的剛度有利于提高系統傳遞效率。

(4)從壓電陶瓷伸縮輸出到刀架前端的傳遞效率隨著柔性鉸鏈剛度的增大而減小。

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(編輯汪藝)

(收修改稿日期：2016-07-10)

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The experiment study on performance influence law of FTS actuated by piezoelectric ceramic

CHEN Dongsheng①, JI Fang①, CAI Wanchong②, ZHANG Lianxin①, ZHANG Min①

(①Institute of Mechanical Manufacturing Technology, CAEP, Mianyang 621900, CHN;②Beijing Key Laboratory of Precision/Ulra-Precision Manufacturing Equipments and Control of Mechanical Engineering Department, Tsinghua University, Beijing 100084, CHN)

This paper introduces a kind of fast tool servo system(FTS) independence developed. Through a large number of experiment studies, some rules which affect the performance of the fast tool servo are obtained. They include the effect rule of piezoelectric ceramic sensitivity by the pre-tightening force, bias voltage, the driving frequency of the piezoelectric ceramic; the influence law of mechanism stiffness; the transfer law of the displacement system; the transmission efficiency affected by flexible hinge stiffness and so on.

piezoelectric ceramic; FTS; stiffness; experiment study

TH69

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.017

161021

*國防基礎科研計劃資助項目(A1520133005)；中物院超精密加工技術重點實驗室資助項目(ZZ13001)