1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 压电式精密微位移进给机构的设计 1 前言部分 精密微驱动技术 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、精密调整和实现微进给，以保证工件的加工精度和表面质量 1。它的发展是其它尖端技术的基础 ,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。 高精度微动工作台系统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 中一项重要内容，在现代航空航天、光纤对接、扫描隧道显
2、微镜（ STM）、机器人、细胞操作、集成电路制造、微电子工程、纳米技术等得到了广泛的应用，对精密机械和精密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，以 柔性铰链为弹性导轨，具有结构紧凑、无机械摩擦、无运动副间隙、易于控制等特点的一种理想微位移机构 3 4。 微位移机构的主要应用范围包括：精密与超精密加工、测量、微机电系统（ MEMS）、生命科学、半导体加工等应用。在精密和超精密 加工和测量，大规模集成电路制造，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，压电式微位移机构在微进给定位上体现出了
3、自身的优势。 2 主题部分 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，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的材料。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 5。 这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们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。 柔性铰链依靠柔性元素的变形传输运动和力，目前在精密机械、光电子元器件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：用于绕轴
4、作复杂运动的有限角位移，无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高。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。 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 制出了纳米级，行程为微米级，从几十个微米到几百个微米的使用产品 7。 随着电致、磁致、压电以及静电等微动执行原件的出现和发展，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一般是利用弹性变形、机械传动、电磁力以及智能资料（磁致伸缩、电致伸缩）等实现微进给。常见的主要形式用：（ 1）压电驱动微进给机构；（ 2）磁致伸缩微进
5、给机构；（ 3）弹性式微进给机构（ 4）电磁铁驱动微进给机构 8；（ 5）直线电机微进给机构；（ 6）电热式微进给机构。 美国 Cranfield公司研制出了用于大型立式超精密机床的压电陶瓷微 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。美国 Cranfield 公司的 OAGM2500 大型立式超精密机床采用了该微进给装置。 美国 Burleigh 公司研制出了，运动行程范围为 6mm 220mm，位移分辨率达1nm 4nm，最大进给速度是 15mm/s 的蠕动式直线马达，但是它的承载能
6、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。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，用三条缝开通圆孔之间，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。 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 1
7、2 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特性成因的基础上 ,提出了多种建模方法 ，比较典型的
8、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 Preisach 模型的输出与历史时刻输入密切相关
9、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。 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。 为了提高压
10、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。 3总结部分 精密微驱动技术 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，是现代许多学科和高科技赖以发展的基础。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
11、求，现代航空航天、光纤对接、扫描隧道显微镜（ STM）、机器人、细胞操作、集成电路制造等得到了广泛的应用。 我将在 压电式精密微位移进给机构的设计 中使用柔性铰链，使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。 4参考文献 1 荣烈润 .微位移机构综述 J.机电一 体化， 2005（ 2）： 6 11. 2 吴鹰飞，周兆英 .压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位 J.机械强度 .2002，24(2):157 160. 3 朱振华 .面向精加工的压点驱动的微进给工作台设计与研究 D.东华大学 .2005. 4 陈时锦，杨元华，孙西芝，
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