高精度快刀伺服系統構建及其特性研究*

張 敏 吳祉群 陳東生

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

隨著近代光學和光電子技術的迅速發展，微結構表面由于具有某些特定的性能如光學性能、粘附性、摩擦性、潤滑性和耐磨損性等[1]，并且能夠實現普通元件難以實現的陣列、微小、集成、成像和波前轉換等新功能，因此獲得越來越多的廣泛應用，比如透鏡陣列、全息透鏡、衍射元件和梯度折射率透鏡等[2-4]。

隨著應用的廣泛，對微結構表面的加工成為研究的熱點，目前常用的微結構加工方法有光刻技術、高能束(激光束、電子束、離子束)直寫技術[5-7]、特種能場(電磁、超聲)加工技術[8-9]、成型(模壓、注射、熱壓)技術和LIGA 技術等。光刻技術[10]成熟，制造的微結構分辨率很高，可以批量生產，但是設備成本高，并且通常應用于二維結構的制造。高能束直寫技術效率很低，對于小尺寸的精密微結構加工具有優勢[11]，不適用于大尺寸的微結構加工[12]。特種能場加工技術可應用于脆性材料，但是只適用于簡單微結構的加工，且加工分辨率低[13]。成型技術這類方法對設備要求較為簡單，加工周期短，可以批量生產，成本低，但是精密度低，主要用于如照明類自由曲面元件等對精密度要求不是很高的光學元件加工領域。產品的精度與模具精度有關，還需要其他加工方法提供高精度的模具[14]。而模具的制作困難。LIGA 技術[15]可加工大深度比的三維立體結構，并且加工的材料、加工的形狀范圍比較寬，能夠大批量生產，成本也比較低。但是 LIGA 技術難在曲面基底上加工微結構。

快速伺服[16-20](fast tool servo, FTS)加工技術以其具有高頻響、高精度等特點，并且可以重復加工出任意復雜形狀的各種異形元件，一次加工即可獲得很高的尺寸精度、形狀精度和很低的表面粗糙度，能夠實現光學微結構的高效率、高精度和柔性化加工，在微結構表面的加工具有獨特優勢，成為國內外研究的熱點。

文中基于快刀伺服加工技術，構建一套快刀伺服系統，系統的最大位移50 μm；重復定位精度5 nm；20 μm頻響≥150 Hz，50 μm頻響≥60 Hz。在構建的系統的基礎上，開展快刀伺服系統性能分析與研究，獲得系統的特性以及影響規律，為進一步實現工程化以及后期的微結構表面加工奠定基礎。

1 系統整體介紹

整個快刀伺服系統包含控制驅動單元和原型裝置單元兩個部分。整個系統的構架如圖1所示。

其中，控制驅動單元包含控制器、驅動器和傳感器處理器3個部分。控制器提供整個系統的控制信號；驅動器為致動器提供工作所需的能量；處理器把傳感器反饋的位移信號進行放大處理。原型裝置部分包含致動器、傳動機構、刀架、傳感器、預緊機構和支撐結構等幾部分。致動器提供運動的位移輸出；傳動機構把致動器的位移輸出傳輸到刀架；刀架提供刀具安裝；傳感器對輸出的位移進行檢測，保證輸出位移的正確性；預緊機構提供初始的預緊力，保證整個原型裝置能夠緊密結合并正常工作；支撐結構為整個原型裝置提供安裝保障。

根據系統的功能需求，構建了如圖2所示的快刀伺服系統。

整個系統采用壓電陶瓷作為致動器，采用柔性鉸鏈作為傳動機構。

2 系統性能特性分析

2.1 原型裝置特性分析

2.1.1靜力學分析

原型裝置約束條件如圖3所示：支撐結構底部固定，壓電陶瓷驅動器與支撐結構約束條件為摩擦副，壓電陶瓷后部為載荷施加面，加載推力為1 000 N。

建模分析后的計算結果如圖4所示。

對計算結構進行分析，獲得以下結論：

(1)整體加載1 000 N后，柔性鉸鏈處Y方向變形52 μm。Y方向變形遠大于其它兩個方向，為主變形方向，和設計的功能符合。

(2)Y方向剛度為1 000/52=19.23 N/μm，實物測量14.7 N/μm。誤差30.8%；由變形圖可知，整體加載后所有受力零件圴產生微小變形，從而降低了柔性鉸鏈的位移量。

2.1.2整體模態分析

由于壓電陶瓷驅動器模型很難模擬，為簡化問題和便于計算，將模型整體做近似模擬處理，在計算模態時將所有接觸付作為綁定處理。

約束條件：支撐結構底部固定，壓電陶瓷驅動器與支撐結構約束條件為摩擦付。

整體的一階及二階模態振型圖5所示。

模態分析結果如表1所示：

表1 模態分析結果

對結果進行分析，能夠獲得以下結論：

(1)一階模態在接觸副作綁定處理時，固有頻率1 669 Hz，遠離工作頻率150 Hz；

(2)振幅最大處遠離刀具安裝位。

2.1.3整體諧響應分析

在計算諧響應分析時將壓電陶瓷驅動器與支座之間的接觸副作為有摩擦力處理，其他作為綁定處理。

約束條件：支撐結構底部固定，壓電陶瓷驅動器與支撐結構約束條件為摩擦付，壓電陶瓷后部為載荷施加面，加載推力：150 Hz時加載力1 000 N。

計算結果如圖6所示。

對結果進行分析，能夠獲得以下結論：150 Hz時加載力1 000 N，激振頻率下電容傳感器安裝面的位移變形為53 μm。

2.2 重復精度特性研究

選擇5 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm等幾個位移作為測試點分析重復定位精度特性。通過對測試數據進行分析，如圖7所示。

如圖7可知系統:

(1)定位精度在[-2,2] nm之間，4 nm以下，并且上限值和下限值比較穩定；

(2)重復定位精度在[2.8,3.8] nm之間，因此系統的重復定位精度為4 nm以下；

(3)根據每次的測量結果以及最大偏差計算結果，可以知道，平均值最大波動在0.5 nm；最大值最大波動在1 nm；最小值的波動在0.5 nm以下，因此系統的穩定性很好。

2.3 最大位移以及頻響特性研究

分析系統頻響和位移特性，如圖8所示。

根據測試，得到了以下結論：

(1)輸出位移達到50 μm，在50 μm處的頻率達到60 Hz。

(2)在頻率為150 Hz時，位移輸出基本能夠達到30 μm，大于20 μm，150 Hz的要求。

(3)設定值和實際輸出值之間存在相移，來源于壓電陶瓷遲滯特性。

2.4 系統閉環分辨率性能分析

開展了閉環分辨率測試，分別以10 nm、6 nm、4 nm為階越輸入，輸入結果如圖9所示。

根據測試，可以知道，整個系統的閉環分辨率在4 nm以下。

3 結語

(1)基于壓電陶瓷為致動元件、柔性鉸鏈為傳動元件構建了快刀伺服系統。

(2) 分析了系統特性，定位精度為4 nm以下，重復定位精度為4 nm以下，最大輸出位移達到50 μm，運動頻響在位移為20 μm時達到了150 Hz。