基于压电陶瓷材料数控机床精密预紧系统研究.pdf

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1、基于压电陶瓷材料数控机床精密预紧系统研究杨 磊1,綦耀光1,范晋伟2,刘新福1(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,东营 2570612.北京工业大学机电工程及应用电子技术学院,北京 100022)摘要 本文设计了一种数控机床用压电陶瓷执行机构,并对控制系统进行了整体设计和分析,重点提出了电压/电流复合控制方案,简化了控制过程,降低了控制的复杂度,较传统压电驱动器提高了压电陶瓷材料执行机构的控制线性度,同时增强了系统的静态稳定特性和动态响应特性。关键词 压电材料;丝杠螺母副;复合控制;预紧机构中图分类号 TG247.51+2文献标识码 A文章编号 1003-5451(2010)04-0013

2、-04Research of Precision Preload System for CNCM achine Based on P iezoelectricity Ceram icYANG Le,i QI Yao-guang,FAN Jin-we,i et a.l(1.College ofMachinery and Electronic Engineering,University ofPetroleum(eastChina),Dongying 2570612.College ofMachinery and Electronic Engineering,BeijingUniversity o

3、fTechnology,Beijing100022)Abstract A piezoelectric ceramic was designed for CNC machine tools m i ple menting agencies.The overall control syste m providedwhich focuses on the voltage/current co mposite control sche me.The design sm i plified the control process to reduce the complexity ofcontrol th

4、an the traditionalpressure electric drive ofpiezoelectric ceramicmaterialand m i proved the controlof the m i ple mentingagencieslinearity,while enhancing the stability of the syste m s static characteristics and dyna m ic response characteristics.Keywords piezoelectricity cera mic;scre w nut pairs;

5、multi-control theory;preload structure引言精密数控机床的设计及制造是当今世界各国研究的热点问题,而如何提高机床的加工精度是精密数控机床应用中的关键技术之一1,数控机床在安装和调校时运动部件预紧是很重要的一环,特别是运动副的预紧直接关系到使用精度,目前精密机床的预紧还采用传统丝杠螺母副预紧,无法满足精密机床的精度及可靠性要求。本课题在研究和分析了传统丝杠螺母副预紧存在问题的基础上,设计了精密机床预紧机械执行系统,并对系统中影响其使用性能的关键部件-高性能复合压电陶瓷驱动器进行了设计,提出了复合型驱动器控制方案,解决了目前产品化的压电陶瓷驱动器单纯采用电压驱动

6、方式存在迟滞、蠕变、带宽窄、动态跟踪性能差等固有缺点。通过引入电压/电流复合控制,克服了这些缺点并使控制线性化,同时简化了控制过程,降低了控制的复杂度,增强了可控性以及系统的静态稳定特性和动态响应特性。1 传统丝杠螺母副预紧分析滚珠丝杠螺母副是数控机床中的重要部件,它是#13#2010年 8月第 46卷 第 4期航空精密制造技术AVI A TI ON PRECISI ON MA NUFA CTU RI NGTEC HNOL OGYAug.2010Vol.46 No.4将螺旋运动转化为直线运动的装置,它由丝杠、滚珠、螺母、反相器组成。丝杠螺母副摩擦系数小,传动精度可达 90%95%,动静摩擦系数

7、相差小等优点在数控机床中有着广泛的应用 1。同时在安装和调校时预紧是很重要的一环,通过预紧可以消除间隙保证换向精度。预紧主要的形式有三种:垫片调隙式 通过改变调整垫片的厚度来改变两个螺母间位移来消除间隙,它结构简单、可靠性高、刚度高,但是调整比较困难。螺纹调隙式 通过转动螺母改变两个螺母间的位移来消除传动副的轴向间隙。优点是调整方便,在磨损后可以随时调校。缺点是轴向长度太长,不易在工作中随意调整。齿差调隙式 是在两个螺母端面上加工出两个外齿,通过外齿差来调整间隙。这种装置结构复杂,调校繁琐。正是由于传统丝杠螺母副的缺点无法满足现代精密机床的设计和使用要求,本文在以上分析的基础上,我们对丝杠螺母

8、副进行了重新的设计,构建了新型的数控机床运动副预紧系统。2 精密预紧系统整体设计2.1 精密预紧系统机械结构设计通过对比分析,我们知道传统的螺母预紧装置存在再调整困难,很难准确预知微调位移量和预紧力等问题。同时,对于机床丝杠间隙增大后,要进行调整必须拆卸机床传动零部件,不利于保持机床原有精度,因此,人们往往是通过经验来进行调整。本文在原有丝杠螺母预紧副基础上设计了压电陶瓷螺母预紧副。该压电预紧装置初次的调整通过采用双螺母预紧法来消除间隙和空程,即在丝杠上装两个螺母,通过里侧螺母用来施加预紧力,预紧力的大小根据具体机床精度要求而定;外侧螺母起到锁紧的作用。在机床使用一段时间后间隙会变大,这时我们

9、可以在不拆装原来结构的情况下,根据事先检测到的间隙误差值,通过计算机控制施加到压电陶瓷晶体上的电压来抵消误差,达到精度再生的目的。这种新型的压电陶瓷预紧装置,是利用传统的螺母和压电陶瓷来进行预紧。结构如图 1所示:1圆螺母 2缩紧螺母 3、5滚珠螺母 4压电陶瓷叠片 6丝杠图 1 新型压电陶瓷预紧机械机构这种装置结构简单、刚性好、可以随时在加工过程中进行调整。此需要说明的是,压电陶瓷和套筒的装配采用过盈配合并将其与套筒一端采用粘接方式连接。2.2 精密预紧控制系统设计为了改善压电陶瓷微调位移控制器的非线性,所设计的进给控制系统要具有高的快速响应能力。通过对由位移传感器产生位移反馈的精密进给工作

10、台实施适当的闭环控制,在一定程度上可消除由压电陶瓷自身物理特性引起的滞后误差,使其获得较高的位移分辨率和动态刚度闭环控制系统的原理图,如图 2所示。图 2 精密预紧系统控制原理压电陶瓷驱动器驱动预紧执行机构,产生微量位移,通过位移传感器实时反馈,实施闭环控制,在一定程度上可消除由压电陶瓷自身物理特性引起的滞后误差,使其获得较高的位移分辨率和动态刚度,系统的定位误差可以通过软件算法实现精确定位精度。3 复合驱动系统控制方案的设计3.1 压电驱动控制方案分析电压控制型驱动器是目前使用较多的一类驱动器,它根据压电陶瓷位移与其两端电压呈近似线性关系的原理,通过控制电压来控制位移。目前,国内外提出了很多

11、方法,如:通用的 Maxwell模型,Flann模型,#14#基于压电陶瓷材料数控机床精密预紧系统研究Preisach模型,多项式近似模型等。电压型驱动器的主要形式为直流放大电源,原理如图 3所示,其输出电压 UO与输入电压 Uin的关系为UO=(R2/R1)Uin式中 R1、R2为图 3所示放大电路中电阻的阻值。这种类型的驱动器强调输出电压的稳定性与精度,但对于驱动器的动态性能不够关注,且压电陶瓷致动器的位移与控制电压间存在较大的非线性迟滞和蠕变。由于压电陶瓷存在着迟滞、蠕变等非线性特性,迟滞引起的位移不确定度一般为 15%20%、非线性 2%10%,蠕变 1%5%。图 3 直流放大式控制原

12、理非线性迟滞是指将压电驱动器的驱 动 电 压 缓 慢 增加,当驱动 电压到达一定的数值后再缓慢减小电压上升阶段和下降阶段的输出位移不同,如图 4所示。蠕变是指在某确定的压力下,位移达到某确定值后,随着时间的延伸仍在缓慢变化,在较长的时间内才达到稳定值的一种现象,主要与元件的容性负载有关。Q:S=fv#dt(2)图 4 压电陶瓷迟滞曲线 电 流控制型 驱动器是 近几年发 展起来的 并越来越 受关注的一类驱动器。它根据 压电陶瓷 的位移与 其所带的 电荷量呈 线性关系 的原理 9-11,通过精确地控制压电陶瓷的充电电流 i及时间来控制压电陶瓷的充电量,实现线性驱动。其电路原理如图 5所示。压电陶瓷

13、的 i和 Uin成比例,比例系数是反馈电阻的阻值 R,则充电电荷量满足关系式(1)Q=fi#dt=f(Uin/R)#dt(1)式中:Q)充电电荷量;i)充电电流;t)充电时间。而压电陶瓷的电荷量与其位移存在如下关系:式中:S)压电陶瓷位移量;v)压电陶瓷伸缩速度。图 5 电流型控制原理压电 陶 瓷的 充电电 流与其伸 缩速度成正比,可通过控制输 入电压来 控制压电 陶瓷的伸 缩速度,其具有良好的动态跟 随特 性。但由于驱动电路特性和器件存在复杂的漏电现象,导致压电陶瓷两端所带电荷无法保持,常出现充电饱和的现象,从而使电流驱动方式难以应用于压电陶瓷致动器静态定位场合。此外,还出现了闭环控制,采用

14、高精度、高响应位移传感器,实现闭环控制,有效的解决了因压电陶瓷非线性特点产生的非线性误差,在系统的可靠性和实用性上都有很大的优势。本文综合了以上控制特点基础上,提出了复合型控制方式。3.2 复合型驱动器设计电压型驱动器可实现良好的稳态输出,电流型驱动器有良好的动态性能。通过在电流型驱动器上增加电压反馈环,构成一种双闭环的复合驱动方式,在频域上引人新的零极点修正其频率特性,以将两者的优势结合,同时获得较好的静态和动态性能,复合控制型驱动电路原理如图 6所示。图 6 复合电流型控制原理所设计的复合型驱动器是一种压控电流源,其核心元件是功率放大器 A,通过一个电流负反馈回路,驱动器将输入电压 Uin

15、按一定比例转化为压电陶瓷的 i;i的大小由电阻 Rs控制,并以电压的形式反馈至放大器。该驱动器的另一个特征是输出电压反馈回路,它可有效地避免压电陶瓷的充电饱和。位于功率放大器正相输入端的运算放大器 A。根据图 6 的电路原理图,得到其系统框图如图 7所示。#15#5航空精密制造技术62010年第 46卷第 4期图 7 复合电流型控制框图 在复合型驱动器设计中,主要关注对压电陶瓷充电电流和其两端电压的控制。由于反馈电阻 Rs的阻值为定值,则反馈电阻电压 UR与输入电压 Uin间的传递函数可以描述驱动器对充电电流的控制特性,而压电陶瓷两端的电压 Up和 Uin间的传递函数可以描述驱动器对压电陶瓷两

16、端电压的控制特性。前者体现驱动器的动态跟踪性能,后者体现驱动器的稳态特性。使用简单的 PD控制环节,G(s)=ms+n,驱动器可实现对输出电压的控制,通过调节参数 m、n,实现电压的稳定输出,传递函数为:H1(s)=UP(s)/Uin(s)=-KR2/KR1R2RsCns2+K(R1#RsC+R1R2RSCm+R1R2n)+R1RsCs+KR1R2m+R1(3)H2(s)=UR(s)/Uin(s)=-KR2RsCs/KR1R2RsCns2+K(R1RsC+R1R2RsCm+R1R2n)+R1RsCs+KR1R2m+R1(4)通过分析可知,复合型驱动器在所需的频段可获得良好的动态跟踪特性和静态输

17、出特性。不同的参数配置可使复合型驱动器获得不同的性能特性,以满足不同的应用需求。此外,还可通过设置电子开关的方式,方便的实现驱动器不同性能特性间的转换。4 压电陶瓷执行机构实现及应用4.1 复合型驱动器实现复合型驱动器以集成高压运算放大器为核心元件。系统组成如图 8主要由 MCS-51单片机、A/D模块、D/A模块和人机接口模块组成。采用基于模型的控制方法,消除压电陶瓷的迟滞现象和外界环境干扰的影响,使系统既有响应速度快、超调量小的优点,又可以得到较高的定位精度。采用采用高精度电感式微位移传感器,测量精度 0.031Lm,分辨率 0.011Lm。采样模块采用高精度、高响应的 l2位 A/D模块

18、,该信号通过 8位高速单片机处理。图 8 复合型驱动器实验系统控制框图4.2 精密预紧系统软件控制流程设计为了改善压电陶瓷微位移器的非线性,所设计的闭环控制系统要具有高的快速响应能力,能有效的解决压电陶瓷的对位移的快速响应能力,但压电陶瓷的迟滞、蠕变等特性,影响了精密进给系统的最终定位精度。同时,压电陶瓷的使用寿命是按照伸缩几亿次来计算,使用寿命短,需要采用合理的控制流程,提高压电陶瓷的使用寿命和使用效率。本文设计了精密控制系统的软件工作流程,如图 9所示。程序运行之前,通过人机界面输入进给微调位移量、进给次数和每次进给间隔时间,系统处于待命状图 9 复合型驱动器软件流程框图态。通过外部发布启

19、动信号,精密进给系统开始工作;根据输入的位移参数,系统根据位移-电压数据模型,得出系统需要输出的数字电压,通过 D/A转换将数字电压转换为模拟电压,模拟电压经压电陶瓷驱动电源放大以后输出到压电陶瓷,驱动精密进给工作台;精密检测系统将实时测量的位移以模拟电压信号的形式反馈回来,经 A/D转换为数字电压传送到超精密进给系统微处理器进行补偿处理,直至该步运动完成。基于压电陶瓷的电流驱动和电压驱动原理,设计了复合型压电陶瓷驱动器。电流、电压双闭环反馈的采用,使复合型驱动器具备了优良的性能。良好的动态性能和静态稳定性使其可应用于不同场合,并可根#16#基于压电陶瓷材料数控机床精密预紧系统研究据使用需要配

20、置参数,具有广泛的应用前景。4.3 压电陶瓷执行机构实际应用一般的压电陶瓷组成有铝层,粘结层,再加上主要部分压电层。要达到微位移伸长,一般把多块相同功能的块按一定顺序进行叠加,它们所产生的位移和推力效应累积而成。本文的执行机构采用晶丰电子公司产品 WYT0808055,其主要性能参数见表 1。表 1WYT0808055的性能参数型号驱动电压/V 最大位移/Lm电容 nF?10%推力/N拉力/NWYT08080550+2001506000200055 结论及展望 本文在分析了数控机床机械结构调整装置,特别针对滚珠丝杠的预紧进行了分析,并结合压电执行装置对滚珠丝杠进行了改进,设计了一种新型的压电陶

21、瓷预紧机构。针对压电陶瓷材料非线性、迟滞等缺点,本文提出了复合驱动系统控制方案简化了控制过程,降低了控制的复杂度,较传统压电驱动器提高了压电陶瓷材料执行机构的控制线性度,同时增强了系统的静态稳定特性和动态响应特性。本文所设计的新型数控机床精密预紧系统不仅可以随时在加工过程中对预紧量进行调整和保持,并且对于实时在线保持机床传动精度具有重要的意义。参考文献 1 胡长德,赵美蓉,李咏强等.大行程纳米级压电微动工作台的设计与试验研究 J.传感技术学报,2009,6(22):803 806 2 蔡鹤皋,孙立宁,安辉等.微米/纳米驱动及控制技术 J.仪器仪表学报,1996,17(1):185 188 3

22、王振华,钟博文.基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人应用现状 J.压电与声光,2007,4(29):414 416 4 K0GANEZAWA S,HARA T.Development of shear modepiezoelectric micro actuator for precise head positioning J.Fu2jitsu Scientific andTechnical Journa,l 2001,37(2):212 219 5 孙长敬,褚家如.新型压电驱动微流体混合器实验 J.纳米技术与精密工程,2006,4(2):132 135 6 徐永利,李尚平.陶瓷驱动器的发展与展望

23、 J.功能材料,2000,31:28 32 7 Venkatar manR.Krishnaprasad.PS.A novel algorithm f or theinvention of the preisachoperator.SPI E J,2000,3984:404 414 8 GePjouanen M.tracking control of a piezoceramic actuator.I EEE.Transactions on eontrol syste m technology J,1996,4(3):209 216 9 ADRI AENSH JM T S,DE KONI NG

24、W L,BANNI NG R.Modeling piezoelectric actuators J.I EEE/AS ME TransactionsonMechatronics,2000,5(4):331 341 10 张强,卢泽生.宏/微结合双驱动进给控制系统的建模与仿真研究 J.机械传动,2006(30):16 19 11 王建林,胡小唐.纳米定位技术研究现状 J.机械设计与研究,2000(1):43 44(收稿日期 2010-02-26)(上接第 5页)都必须认真对待,详细研究。波音、空客公司是大系统,即使是沃特、维其塔这样的世界级供应商一般都是小系统,大系统的协调方案决定了小系统的制造

25、路线,小系统的制造方法决定了大系统的产品品质。文化属地之关系按说,先进制造技术是客观的、是不以人们的意志为转移的,但地域文化往往在技术的引进和推广中起着人们事先并不知道的关键作用。例如,波音公司在777飞机上全面采用信息化技术和数字量传递技术时,董事会一开始认为在推行新的制造理念时,技术上的问题会占 80%,人之间的关系占 20%,事后证实,这种比例刚好相反,地域文化在技术上的推广上带来的观念上的阻力不可想象。在我国,多年来一直存在着东西方地域飞机制造文化上的冲突,在我国某型新支线飞机研制以来,这种冲突有上升之趋势。但无论是西方文化,还是东方文化,从目前所具有的飞机制造技术水平来看,都是属于低

26、水平的模式。在目前大趋势面前,东西方文化实在应该做到的是摒弃前嫌、聚集力智、共同合作、为中华飞机制造技术崛起而努力。4.1.5 形成具有自主特色的飞机制造装备技术体系从本节讨论的内容可知,世界上林林总总的先进制造技术使我们眼花缭乱,也为我们的技术发展提供了很好借鉴,但无论外面的世界多奇妙,形成具有我国自主特色的飞机制造装备技术体系才是我们最终目的。中国国内飞机发展中军民机界线逐渐清晰,集中精力干大事的机遇已经来临,根据型号的技术特点,认真梳理中国的飞机制造装备技术发展思路,科学分析世界上先进飞机制造技术装备的成功案例,大胆合理应用世界上相关的成熟先进技术,开发出具有中国特色的飞机制造技术装备。(未完待续)#17#5航空精密制造技术62010年第 46卷第 4期