壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)在超精密車削中的應(yīng)用

　　微動機(jī)構(gòu)一般指行程范圍為毫米級、位移分辨率及定位精度達(dá)納米級(甚至亞納米級)的位移機(jī)構(gòu)。微動機(jī)構(gòu)通常由微位移器和精密導(dǎo)軌兩部分組成。在機(jī)械加工中大量采用了各種類型的微動機(jī)構(gòu)，但在超精密車削加工中，壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛。壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的工作原理主要基于逆壓電效應(yīng)，與其它類型的微動機(jī)構(gòu)相比，具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、頻率響應(yīng)高、不發(fā)熱、無噪聲、易于控制等優(yōu)點(diǎn)［1］。近十年來，壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的性能不斷提高，已逐步進(jìn)入實(shí)用階段。目前國外壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的控制精度已達(dá)到納米級，頻響達(dá)到上千赫茲；國內(nèi)研制的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度巳經(jīng)達(dá)到了±0.01μm，頻響達(dá)到數(shù)百赫茲。目前應(yīng)用于超精密車削加工的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)主要為一維和二維微動機(jī)構(gòu)。

　　2.壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)在超精密車削中的應(yīng)用

　　超精密車削是超精密加工中一種重要的加工方式，主要用于加工金屬平面反射鏡、紅外鍺透鏡、非球曲面光學(xué)透鏡等的超精表面。要實(shí)現(xiàn)超精密車削，除需要配備超精密車床、高精度測量設(shè)備及鋒利的金剛石刀具外，高精度微進(jìn)給機(jī)構(gòu)在超精密車削中也起著舉足輕重的關(guān)鍵作用。壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)在超精密車削中主要用于以下幾方面。

　　(1)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)

　　在超精密車削中，實(shí)現(xiàn)刀具的精確微小位移是進(jìn)行超精密加工的必要條件。超精密加工所能達(dá)到的精度水平在很大程度上取決于微進(jìn)給技術(shù)水平的高低，如零件尺寸公差的控制精度取決于橫向進(jìn)給裝置的精度［2］，日益興起的超薄切削以及非對稱曲面車削等都需要采用高精度微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，研究結(jié)果表明，采用閉環(huán)控制的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)可較好滿足這方面的要求。德國DI公司生產(chǎn)的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)采用高精度電容傳感器作為測量元件，可實(shí)現(xiàn)納米級精度控制。

　　(2)誤差補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是通過運(yùn)動副的移動使刀具或工件在機(jī)床空間誤差的反方向產(chǎn)生相對運(yùn)動以消除誤差。誤差補(bǔ)償在大多數(shù)情況下是通過改變切削深度(變化量等于誤差值)來實(shí)現(xiàn)的，而壓電陶瓷微動刀架可作為誤差補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動刀具或工件作微小位移。由于壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)具有高頻響特性，采用一維壓電陶瓷微動刀架補(bǔ)償機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差效果很好［3，4］。美國LLL實(shí)驗(yàn)室1983年研制成功的DTM-3臥式大型光學(xué)金剛石車床和1984年研制成功的LODTM立式大型光學(xué)金剛石車床均采用了壓電陶瓷微動刀架作為誤差補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，提高了機(jī)床的加工精度［5］。采用二維壓電陶瓷微動刀架作為誤差補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可大幅度提高工件輪廓加工精度。

　　(3)溜板運(yùn)動誤差校正執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　在超精密車削加工中，機(jī)床溜板運(yùn)動的直線度誤差是影響加工精度的主要誤差源之一，僅靠提高溜板零部件的加工精度和裝配精度難以完全保證溜板的運(yùn)動精度，如在生產(chǎn)型機(jī)床上要將溜板運(yùn)動的直線度誤差控制在0.1μm／200mm以內(nèi)是相當(dāng)困難的，因此需要對溜板的運(yùn)動進(jìn)行誤差校正。采用壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)作為超精密車床溜板運(yùn)動誤差校正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)效果較好。日本東京工業(yè)大學(xué)采用由標(biāo)準(zhǔn)直尺、電容式非接觸位移計(jì)以及作為誤差校正執(zhí)行元件的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行了溜板運(yùn)動誤差校正試驗(yàn)，由安裝在工作臺一側(cè)的兩個(gè)傳感器測量工作臺在水平方向的位移和擺動，然后反饋給壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)軌在線位移補(bǔ)償，使溜板在水平方向的運(yùn)動直線度誤差小于0.14μm／600mm，偏擺小于0.14″［8］；Hyung-seokLee等人采用TWYMAN-GREEN干涉儀和壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)在線測量和補(bǔ)償溜板在垂直面內(nèi)的直線度、滾擺和搖擺誤差，使直線度達(dá)到納米級精度，滾擺和搖擺誤差分別達(dá)到0.1arcs和0.06arcs［9］；作者在HCM-Ⅰ型超精密數(shù)控車床上采用自行研制的一維壓電陶瓷微動刀架在線補(bǔ)償溜板的直線度誤差，用于加工端面和圓柱面時(shí)效果顯著［6，7］。

　　(4)閉環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　為實(shí)現(xiàn)高精度的輪廓加工，要求數(shù)控機(jī)床不僅具有極高的單軸軸向定位精度，同時(shí)應(yīng)具有極高的雙軸或多軸同步匹配精度，因此數(shù)控系統(tǒng)最好采用全閉環(huán)控制。雖然在理論上全閉環(huán)控制可以達(dá)到很高的控制精度，但由于機(jī)械變形、溫度變化造成的熱變形、絲杠與螺母之間的間隙、振動及其它因素的影響，全閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)整、控制相當(dāng)困難。此外，機(jī)床運(yùn)行一定時(shí)期后，由于機(jī)械傳動部件的磨損、變形及其它因素的改變，容易使已調(diào)整好的系統(tǒng)穩(wěn)定性改變，從而使控制精度發(fā)生變化［10］。采用高性能的二維壓電陶瓷驅(qū)動器對超精密車床的兩軸定位誤差進(jìn)行同步閉環(huán)控制，則能較好地克服傳統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷。作者在研制的超精密車床上采用PC23計(jì)數(shù)器測量參考位置，采用日本東京株式會社生產(chǎn)的DISTAXL-TM-20B單頻激光干涉儀測量溜板實(shí)際位置，采用二維壓電陶瓷微動刀架來補(bǔ)償實(shí)際位置與參考位置的差值，補(bǔ)償后兩軸的重復(fù)定位精度可達(dá)±0.02μm；國防科大李圣怡教授采用二維壓電陶瓷微動刀架作為雙重伺服機(jī)構(gòu)控制超精密車床的輪廓加工精度也取得了較好效果。

　　(5)主動隔振器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　超精密車削加工時(shí)，環(huán)境干擾對加工精度和表面質(zhì)量的影響不容忽視，如環(huán)境振動的干擾不僅會引起機(jī)床本身的振動，還會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，這將直接影響被加工零件的精度和表面質(zhì)量，因此超精密車床必須設(shè)置性能優(yōu)異的隔振、減振裝置，如采用主動隔振器，則隔振效果會更好。作者所在課題組正對主動隔振器進(jìn)行專門研究，具體方案是在研制的超精密車床的床身下安裝三個(gè)壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)作為隔振支撐裝置，壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)根據(jù)測得的振動位移量同步伸縮以使床身始終保持水平。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，采用壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)作為主動隔振器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)其隔振效果令人滿意。

　　(6)測量機(jī)構(gòu)微動工作臺

　　超精密車削所用金剛石車刀經(jīng)刃磨后的刀尖圓弧半徑可達(dá)20～50nm，其測量相當(dāng)困難。作者所在課題組為此專門研制了一臺用于測量新刃磨金剛石車刀刀尖圓弧半徑的高精度測量設(shè)備，其關(guān)鍵部件之一是二維微動工作臺，該工作臺采用了壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該二維微動工作臺在兩個(gè)方向上均有很好的線性度，通過閉環(huán)控制，兩個(gè)方向的控制精度均可達(dá)到±0.01μm。此外，在超精密車削中，將分析測量儀器如掃描隧道顯微鏡(STM)、掃描探針等固定在壓電陶瓷上，由壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)精確調(diào)整探針與被測樣品間的距離，可實(shí)現(xiàn)工件表面微觀形貌的高精度分析測量。

　　3.結(jié)語

　　雖然壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)在超精密車削中得到了廣泛應(yīng)用，但是其控制精度仍不能滿足日益發(fā)展的超精密加工的需要，如在超薄車削加工中，±0.01μm的控制精度并不能滿足加工要求。目前國內(nèi)尚未開發(fā)出納米級控制精度的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)。在保證壓電陶瓷制造質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步提高壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的控制精度主要需要解決以下兩個(gè)問題：(1)研制高性能的壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)驅(qū)動電源。驅(qū)動電源輸出電壓的波動直接影響壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，作者在試驗(yàn)中曾因電壓波動誤差極限設(shè)置過小而導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)陷于死循環(huán)，原因就是驅(qū)動電源輸出電壓不穩(wěn)定造成壓電陶瓷不停伸縮。(2)采用有限元法進(jìn)一步優(yōu)化壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)彈性變形部分的結(jié)構(gòu)，以提高其變形精度。隨著壓電陶瓷微動機(jī)構(gòu)控制精度的不斷提高，超精密車削的加工精度也必然會有新的提高