壓電陶瓷微動機構在超精密車削中的應用

　　微動機構一般指行程范圍為毫米級、位移分辨率及定位精度達納米級(甚至亞納米級)的位移機構。微動機構通常由微位移器和精密導軌兩部分組成。在機械加工中大量采用了各種類型的微動機構，但在超精密車削加工中，壓電陶瓷微動機構的應用最為廣泛。壓電陶瓷微動機構的工作原理主要基于逆壓電效應，與其它類型的微動機構相比，具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、頻率響應高、不發熱、無噪聲、易于控制等優點［1］。近十年來，壓電陶瓷微動機構的性能不斷提高，已逐步進入實用階段。目前國外壓電陶瓷微動機構的控制精度已達到納米級，頻響達到上千赫茲；國內研制的壓電陶瓷微動機構的重復定位精度巳經達到了±0.01μm，頻響達到數百赫茲。目前應用于超精密車削加工的壓電陶瓷微動機構主要為一維和二維微動機構。

　　2.壓電陶瓷微動機構在超精密車削中的應用

　　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、非球曲面光學透鏡等的超精表面。要實現超精密車削，除需要配備超精密車床、高精度測量設備及鋒利的金剛石刀具外，高精度微進給機構在超精密車削中也起著舉足輕重的關鍵作用。壓電陶瓷微動機構在超精密車削中主要用于以下幾方面。

　　(1)微量進給機構

　　在超精密車削中，實現刀具的精確微小位移是進行超精密加工的必要條件。超精密加工所能達到的精度水平在很大程度上取決于微進給技術水平的高低，如零件尺寸公差的控制精度取決于橫向進給裝置的精度［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給機構，研究結果表明，采用閉環控制的壓電陶瓷微動機構可較好滿足這方面的要求。德國DI公司生產的壓電陶瓷微動機構采用高精度電容傳感器作為測量元件，可實現納米級精度控制。

　　(2)誤差補償執行機構

　　誤差補償的實質是通過運動副的移動使刀具或工件在機床空間誤差的反方向產生相對運動以消除誤差。誤差補償在大多數情況下是通過改變切削深度(變化量等于誤差值)來實現的，而壓電陶瓷微動刀架可作為誤差補償的執行機構直接驅動刀具或工件作微小位移。由于壓電陶瓷微動機構具有高頻響特性，采用一維壓電陶瓷微動刀架補償機床主軸回轉誤差效果很好［3，4］。美國LLL實驗室1983年研制成功的DTM-3臥式大型光學金剛石車床和1984年研制成功的LODTM立式大型光學金剛石車床均采用了壓電陶瓷微動刀架作為誤差補償的執行機構，提高了機床的加工精度［5］。采用二維壓電陶瓷微動刀架作為誤差補償執行機構，可大幅度提高工件輪廓加工精度。

　　(3)溜板運動誤差校正執行機構

　　在超精密車削加工中，機床溜板運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動精度，如在生產型機床上要將溜板運動的直線度誤差控制在0.1μm／200mm以內是相當困難的，因此需要對溜板的運動進行誤差校正。采用壓電陶瓷微動機構作為超精密車床溜板運動誤差校正的執行機構效果較好。日本東京工業大學采用由標準直尺、電容式非接觸位移計以及作為誤差校正執行元件的壓電陶瓷微動機構組成的控制系統進行了溜板運動誤差校正試驗，由安裝在工作臺一側的兩個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構進行導軌在線位移補償，使溜板在水平方向的運動直線度誤差小于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構在線測量和補償溜板在垂直面內的直線度、滾擺和搖擺誤差，使直線度達到納米級精度，滾擺和搖擺誤差分別達到0.1arcs和0.06arcs［9］；作者在HCM-Ⅰ型超精密數控車床上采用自行研制的一維壓電陶瓷微動刀架在線補償溜板的直線度誤差，用于加工端面和圓柱面時效果顯著［6，7］。

　　(4)閉環控制系統執行機構

　　為實現高精度的輪廓加工，要求數控機床不僅具有極高的單軸軸向定位精度，同時應具有極高的雙軸或多軸同步匹配精度，因此數控系統最好采用全閉環控制。雖然在理論上全閉環控制可以達到很高的控制精度，但由于機械變形、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，全閉環控制系統穩定性的調整、控制相當困難。此外，機床運行一定時期后，由于機械傳動部件的磨損、變形及其它因素的改變，容易使已調整好的系統穩定性改變，從而使控制精度發生變化［10］。采用高性能的二維壓電陶瓷驅動器對超精密車床的兩軸定位誤差進行同步閉環控制，則能較好地克服傳統閉環控制系統的缺陷。作者在研制的超精密車床上采用PC23計數器測量參考位置，采用日本東京株式會社生產的DISTAXL-TM-20B單頻激光干涉儀測量溜板實際位置，采用二維壓電陶瓷微動刀架來補償實際位置與參考位置的差值，補償后兩軸的重復定位精度可達±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構控制超精密車床的輪廓加工精度也取得了較好效果。

　　(5)主動隔振器執行機構

　　超精密車削加工時，環境干擾對加工精度和表面質量的影響不容忽視，如環境振動的干擾不僅會引起機床本身的振動，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量，因此超精密車床必須設置性能優異的隔振、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壓電陶瓷微動機構作為隔振支撐裝置，壓電陶瓷微動機構根據測得的振動位移量同步伸縮以使床身始終保持水平。初步試驗結果表明，采用壓電陶瓷微動機構作為主動隔振器的執行機構其隔振效果令人滿意。

　　(6)測量機構微動工作臺

　　超精密車削所用金剛石車刀經刃磨后的刀尖圓弧半徑可達20～50nm，其測量相當困難。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備，其關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構。試驗結果表明，該二維微動工作臺在兩個方向上均有很好的線性度，通過閉環控制，兩個方向的控制精度均可達到±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，由壓電陶瓷微動機構精確調整探針與被測樣品間的距離，可實現工件表面微觀形貌的高精度分析測量。

　　3.結語

　　雖然壓電陶瓷微動機構在超精密車削中得到了廣泛應用，但是其控制精度仍不能滿足日益發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。目前國內尚未開發出納米級控制精度的壓電陶瓷微動機構。在保證壓電陶瓷制造質量的前提下，進一步提高壓電陶瓷微動機構的控制精度主要需要解決以下兩個問題：(1)研制高性能的壓電陶瓷微動機構驅動電源。驅動電源輸出電壓的波動直接影響壓電陶瓷微動機構的穩定性，作者在試驗中曾因電壓波動誤差極限設置過小而導致閉環控制系統運行時陷于死循環，原因就是驅動電源輸出電壓不穩定造成壓電陶瓷不停伸縮。(2)采用有限元法進一步優化壓電陶瓷微動機構彈性變形部分的結構，以提高其變形精度。隨著壓電陶瓷微動機構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