1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 压电式精密微位移进给机构的设计 所在学院 专业班级 械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 压电式精密微位移进给机构在压电、电致伸缩微位移器的驱动下，柔性铰链被作为为弹性导轨，具有结构紧凑、易于控制、无机械摩擦、 无运动副间隙等特点，是一种理想的微位移进给机构 。本文先设计了柔性铰链的参数，然后通过计算，设计出了压电式精密微位移进给机构，并对压电陶瓷和微位移进给机构的输入和输出特性进行了测试，实验数据显示出设计的压电式精密微位移进给机构达到了微米级的位移分辨率，也验证了压电陶瓷的迟滞特性。 关键词 ：压电
2、 ,微位移 , 进给机构 II Design of piezoelectric precise micro-displacement feed mechanism Abstract Precise micro-displacement feed mechanism which is a ideal micro-displacement feed mechanism with a compact, easy to control, no mechanical friction, no movement clearances and other characteristics, is derive
3、d by piezoelectric, electric displacement Primax device, and uses the flexible hinge as the elastic guide. This article designs parameters of flexible hinge. Then we design a precision micro-displacement piezoelectric feed mechanism through calculating, and test the input and output characteristics
4、of piezoelectric ceramics and micro-displacement mechanism. The experimental data shows that displacement resolution of micro-displacement mechanism reaches micron, and also verifies the hysteresis behavior of piezoelectric ceramics. Keywords: Piezoelectric, Micro displacement , feeding mechanism II
5、I 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的意义 . 1 1.2压电式精密微位移进给机构的现状 . 1 1.3课题研究的主要内容 . 4 1.4本章小结 . 4 2压电陶瓷输入和输出特性的测试 . 5 2.1压电陶瓷工作原理 . 5 2.2实验设备 . 6 2.3实验过程 . 7 2.4本章小结 . 10 3微位移进给机构的设计 . 11 3.1简介 . 11 3.2 微位移进给机构 . 11 3.2.1 微位移进给机构的基本要求 . 11 3.2.2 微位移进给机构 的分类 . 12 3.3柔性铰链的设计 . 13 3.4微位移进给机构的参数设计 .
6、15 3.5本章小结 . 17 4微位移机构的输入和输出特性的测试 . 18 4.1实验设备 . 18 4.2实验过 程 . 18 4.3实验过程 . 18 4.4本章小结 . 20 结论 . 21 参考文献 . 22 致谢 . 23 压电式精密微位移进给机构的设计 1 1 绪论 1.1 课题的意义 精密微驱动技术不仅 是 先进制造技术领域的重要 组成部分，也是 21世纪的科技前沿（纳米技术）中的关键技术之一。微位移技术不仅在实现微小位移和力的传递上提出了高分辨率的要求，而且在尺寸及体积也提出了微型化要求，主要用于实现误差补偿、精密调整和微进给的实现，以此来保证工件的加工精度和表面质量 【 1
7、】 。 它的发展是其它尖端技术赖以发展的基础 ,美国、日本、英国等国家均将它列入国家发展计划进行重点研究 。 精密微位移进给机构是现代许多学科和高科技赖以发展的基础，是 精密微驱动技术 中的一项重要内容。在现代光纤对接、航空航天、扫描隧道显微镜（ STM）、机器人、集成电路制造、细胞操作、微电子工程、纳米技术等得到了较广泛的应用， 对精密机械和仪器的精度及灵敏度要求越来越高 2。 压电式精密微位移进给机构是 在压电、电致伸缩微位移器的驱动下， 柔性铰链被作为弹性导轨，具有易于控制、结构紧凑、无机械摩擦、无运动副间隙等特点的一种理想微位移机构 3 4。 精密微位移进给机构的主要应用范围包括：精密
8、与超精密的加工、测 量、微机电系统（ MEMS）、生命科学、半导体的加工等应用。在精密和超精密的加工和测量，大规模集成电路的制造，扫描隧道显微镜测量以及精密光学工程等诸多尖端科技领域中，当运动分辨率达到亚微米或纳米级时，压电式微位移进给机构在微进给定位上就体现出了自身的优势，对国防科学技术和国民经济的发展具有重要的影响。 1.2 压电式精密微位移进给机构的 现状 压电陶瓷材料响应快、频带宽、致动力也比较大，成为目前压电式高精度微动工作台研究领域中最为关注的一种。 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。这是一种具有压电 效应和逆压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用
9、下，能够产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，当施加激励电场时，介质将产生机械变形，称逆压电效应 5。这种奇妙的效应已经被科学家们应用在与人们生活密切相关的许多领域中，以实现能量的转换、传感、驱动、频率的控制等功能。 柔性铰链依靠柔性元素的变形来传输运动和力，目前在精密机械、光电子元器件的制造以及生物工程等众多领域中的应用日渐广泛。柔性铰链的特点有：用于绕轴作复杂运动的有限角位移，无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度压电式精密微位移进给机构的设计 2 较高。我们用柔性铰链制作的微 位移机构，具有很高的位移分辨率、定位精度和重复精度，工作稳定、无机械摩擦、无间隙、无爬行和体积小等特点 6。
10、 在高精密微位移进给机构的研究领域中，德国、美国等工业发达国家走到了世界前列，研制出了分辨率为纳米级，行程为微米级，从几十个微米到几百个微米的先进产品 7。 电致、磁致、压电以及静电等微动执行原件的出现和发展，使微进给技术的发展得到了极大的推动。目前常见的微进给机构大多是利用弹性变形、机械传动、电磁力以及智能材料（磁致伸缩、电致伸缩）等来实现微进给。常见的主要形式用：（ 1）压电驱动的微进给机构；（ 2）磁致伸缩微进给机构；（ 3）弹性式微进给机构；（ 4）电磁铁驱动的微进给机构 8；（ 5）直线电机微进给机构；（ 6）电热式微进给机构。 英国的 Cranfield 公司研制出了用于大型立式超
11、精密机床的压电式微进给机构。把压电陶瓷的后端支撑在装置的本体上，通过螺钉进行预紧加力。当压电陶瓷在电压的作用下伸长时，可以推动带刀具的位移部分向前移动，从而实现微进给。英国的 Cranfield 公司的 OAGM2500 大型立式超精密机床就是采用了该微进给装置。 1压电陶瓷 2弹性弹簧 3差动电容测微仪 4金刚石刀具 图 1-1英国的 Cranfield公司的微进给装置 美国 Burleigh公司研制出了，运动行程范围是 6mm 220mm，位移分辨率为1nm 4nm，最大进给速度是 15mm/s的蠕动式直线马达，但是由于它的承载能力较小。主要用于扫描隧道显微镜、 X 射线光刻、半导体集成电
12、路检查装置以及原子力显微镜等的驱动装置。 日本网崎佑 研制的一种微进给机构。以压电陶瓷后侧作为固定支撑，刀架体上有 4个圆孔和台体外侧面形成薄壁变形原件，在圆孔之间用三条缝开通，让台体和前面装车刀部分能做弹性变形。压电陶瓷在电压的作用下伸长时，可以推动前面装 刀架部分向前移动，从而实现微位移。 压电式精密微位移进给机构的设计 3 1 压电陶瓷 2 刀架 3 微位移检测 图 1-2日本网崎佑 研制的微进给机构 日本的 DENSO 研制了利用压电陶瓷逆压电效应的管内探伤检测机器人，可以用于细小工业管道的自动检测工作。 从 80年代中期，我国一些研究所和高校也开始了此领域的研究。国家“ 863” 高
13、技术计划把微型、微动机器人以及微定位器的开发列入了第 12主题“智能机器人” 9中。清华大学压制的电致伸缩微位移驱动的两个自由度的微动工作台，采用了柔性铰链，可以简化为分别进行 X 轴、 Y 轴方向运动的两个平行四连杆机构 。 但是，由于压电陶瓷本身存在迟滞、蠕变、非线性等特性，在实际应用中，这些特性严重影响它的位移精度；因此，为了减少非线性等特性的影响，必须对其进行合理建模，实现有效的控制，提高它的输出位移精度。 最简单的建模方法是通过实验测得数据对压电陶瓷迟滞曲线用直线、二次多项式等进行拟合 10，但这些方法，误差较大。因此， 各国研究人员根据不同的应用背景 ,在深入分析压电陶瓷非线性迟滞
14、特性成因的基础上 ,提出了多种建模方法，比较典型的 Preisach模型及其变形。 Ping Ge11等 在经典 Preisach模型的基础上 ,建立了广义 Preisach模型 。 Dong woo Song12等提出了扩展的 Preisach模型 。Michael Goldfarb13等对压电陶瓷的位移 电压关系，提出了 Maxwell模型，但此模型复杂，需要实验得到大量数据，且需要经验和较高的数学知识，从而 建模复杂 。曲东升 14等利用 Preisach模型在 Prandtl-Ishlinskii迟滞算子的基础上加入蠕变特性算子 ,建立了压电陶瓷的数学模型。 李黎 15根据 经典 Pr
15、eisach 模型的输出与历史时刻输入密切相关的特点 ,在 Preisach 权函数中引入历史时刻输入信息 ,提出一种新的 Preisach 模型。该模型预测位移误差绝对值的最大值与经典Preisach 模型相比减少了 76 % ,均方误差减少了 78 %。经典的 Preisach模型及其变形是目前描述压电陶瓷非线性特性比较有效的工具 ,但其双积分表达式十分复杂 , 所需参数较多 ,应用十分不便 。 但是 ,这些模型一般只适合描述非线性滞回的静态特性 , 且 需 要 大 量 的 实 验 数 据 支 撑 Wiener 模 型 以 及 基 于Prandtl-Ishlinskii算子的迟滞蠕变模型等
16、。 以上 各种方法都有各自的特点，在实用性上还需要进一步 改进和完善。 压电式精密微位移进给机构的设计 4 为了提高压电陶瓷的输出位移精度和改善动态性能，研究人员采用了许多方法进行控制，简单且易于实现的是 PID 控制算法，但对于非线性控制对象，它难以达到期望的动态性能指标。 除了传统的 PID 控制外 ,还出现了许多新的控制方法，孙立宁 21采用基于数字 PI控制的仿人智能控制方法，用微位移传感器进行位置闭环控制解决了压电陶瓷的非线性、迟滞和蠕变问题。 从上面美国、日本以及国内所研制的微进给机构来看，压电陶瓷驱动的微进给机构已经具有纳米分辨率和 0.01微米的定位精度。证明了压电陶瓷微进给在
17、应用领域里取得了成 功。但是，压电陶瓷本身存在迟滞、蠕变、非线性等特性，在实际应用中，这些特性严重影响它的位移精度；因此，为了减少非线性等特性的影响，国内外学者在对其进行合理建模，以实现有效的控制，提高它的输出位移精度 1.3 课题研究的主要内容 压电陶瓷本身存在迟滞、蠕变、非线性等特性，造成压电陶瓷执行器输入电压与输出位移之间的非线性关系，这严重影响了它的位移精度。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，研究压电陶瓷的动态特性和静态特性；并根据微位移进给机构设计要求和 相关文献报道 ， 利用材料力学和高等数学的相关知识，设计出 精密微位 移进给机构； 最终，测试出 压电式精密微位移进给机构 的
18、输入和输出特性。 1.4 本章小结 阐述了课题的来源和意义，介绍了 压电式精密微位移进给机构的 现状，和课题研究的主要内容。压电式精密微位移进给机构的设计 5 2 压电陶瓷输入和输出特性的测试 2.1 压电陶瓷工作原理 压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 ，通常由烧碱或者几种氧化物在烧结的过程中，发生了固相反应而形成 。这是一种具有压电效应 和逆压电效应 的材料。 压电效应的概念最早来源于压电晶体。 所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激 励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们
19、生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。 压电陶瓷的特性主要有： （ 1） 迟滞特性： 当外加电压变化时，陶瓷内部的极化状态也要随之发生变化。当陶瓷内极化状态的变化跟不上外加电压的变化时就称为迟滞现象。 （ 2）蠕变特性： :蠕变是指压电陶瓷微位移器对时间的滞后效应，即施加额定电压之后， PZT不能立刻完成全部形变，这是由于电介质内部的晶格间存在内摩擦力而形成一定的形变滞后。另一方面，蠕变特性随驱动电压的不同而 不同，也就是说，当施加不同的驱动电压时， PZT完成其相应的形变所需的时间也是不一样的。 （ 3）非线性特性：在理想条件下，压电晶体微位移器应变与外加电压之
20、间呈线性关系，但实际上，其应变与外加电压之间并非线性关。 压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，以精确地控制位移，可用于精密仪器与精密机械、微电子技术、光纤技术及生物工程等领域。 由于压电陶瓷具有逆压电效应：当其在两级施加外电压时，压电陶瓷会沿极化方向产生微变形，利用这个特性制成的压电驱动具有许多突出优点，它可在电压控制下获得较高的位移分辨率，同时由 于频度响应高、动态反应快，承载大，良好的机械静压力特性，结构简单及受外力干扰小，能够提供推动工件台微位移的力并保证足够的动刚度。 压电陶瓷在外电场作用下，应变与电场的关系可简化为： 2S dE ME （ 2-1） 式中 S为应变； d为压
21、电系数； M为电致伸缩系数； E为施加在晶体上的电场强度，式中的第一项为逆压电效应，第二项为电致伸缩效应 。 压电式精密微位移进给机构的设计 6 2.2实验设备 （ 1） HPV系列压电陶瓷驱动 电源 压电陶瓷驱动电源由 哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司生产，该压电陶瓷驱动电源的 电源要求： 220V 10（见图 2-1）。 图 2-1 压电陶瓷驱动电源 （ 2） 数显电感测微仪 DCS-6B 此电感测微仪由洛阳特麦恩精密量仪有限公司生产 （见图 2-2） ，型号为 DCS-6B；而且我们在使用时选的是第二档，分辨率为 0.10 m。和它配套使用的电感测量头的型号： DGC-8ZG。 图 2-2 数显电感测微仪 （ 3）压电陶瓷 使用的压电陶瓷由 哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司生产，规格为 30*8*8mm。 （ 4）精密隔振台 精密隔振台的尺寸： 1600*800mm。
