【正文】 和各種高 性能 材料 在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 對(duì)成形砂輪修整提出了更高的要求 。 因此， 在成形砂輪修整器的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)也是對(duì)修整技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵提升。 本章小結(jié) 砂輪和砂輪修器整需要的零部件很多，在這里只能列出重要的部件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并且無(wú)錫太湖學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 通過(guò)計(jì)算說(shuō)明砂輪修整器可以有效減少因 安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑 的 誤差對(duì)磨床及加工工件的精度影響甚微。 在不增加加工誤差的情況下，增強(qiáng)砂輪的實(shí)用壽命，并因此提高加工工件的加工精度，可見(jiàn)砂輪修整器在該工作臺(tái)中的重要功能。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì) 17 4 微位移系統(tǒng) 引言 美國(guó)和日本在微位移技術(shù)領(lǐng)域的研究水平處于世界領(lǐng)先地位。 1985 年美國(guó) LLNL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制成為用于大型光學(xué)金剛石車床的快速微動(dòng)伺服刀架 FTS。該系統(tǒng)前端可裝金剛石刀具，整個(gè)移動(dòng)部件由前后兩個(gè)彈性薄膜支承，內(nèi)部裝有兩個(gè)差動(dòng)式電容微位移傳感器檢測(cè)刀頭位移量。該系統(tǒng)最大位移 ? ，分辨率為 n 。 日本理化院研制成用于曲面磨削的工作臺(tái)，工作臺(tái)由三支壓電陶瓷制動(dòng)器做驅(qū)動(dòng)元件，可加工球面 及非球曲面，加工半徑為 60m 的 CiS 球面反射鏡，半徑誤差為 。此外日本 Osaka 大學(xué)研制的微進(jìn)給刀架的分辨率可達(dá) ? ，最大行程為 ，響應(yīng)頻率為 KHz2 。在國(guó)內(nèi)，哈工大研制的車削用微進(jìn)給刀架，采用壓電陶瓷制動(dòng)器做驅(qū)動(dòng)元件，支承刀頭部分為一對(duì)彈性膜，其受力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為雙固定端梁在 中間加載，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、易于控制、使用方便，其最大行程為 μm10 ，定位分辨率 nm2 ??12 。 此外，中國(guó)長(zhǎng)沙國(guó)防科技大，廣東工學(xué)院等院校也都在進(jìn)行這方面的研究，已經(jīng)取得顯著的進(jìn)展。壓電陶瓷制動(dòng)器，雖然具有分辨率高，剛度高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但其行程小使其應(yīng)用受到限制，而日本 Kobe 大學(xué)采用步行機(jī)構(gòu)制成大行程高分辨率的微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)，使得這一問(wèn)題得到了解決。 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)，宇航、生物工 程等學(xué)科的發(fā)展，對(duì)精密機(jī)械的精度要求越來(lái)越高，要求精密機(jī)械和檢測(cè)設(shè)備具有亞微米甚至納米精度。在精密加工和測(cè)量中，為實(shí)現(xiàn)刀具或工件的精確、微小位移，進(jìn)一步提高分辨率，必須采用微進(jìn)給系統(tǒng)。 高精密的微進(jìn)給系統(tǒng)是精密加工中的關(guān)鍵裝置，它除了具有微量控制切削厚度的功能外，還可用來(lái)進(jìn)行機(jī)床導(dǎo)軌直線度補(bǔ)償，主軸回轉(zhuǎn)誤差補(bǔ)償及非對(duì)稱表面和非球面的加工等。微位移技術(shù)精密機(jī)械和一起實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來(lái)，微位移技術(shù)得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于宇航、機(jī)械、微電子領(lǐng)域，成為現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)。 微位移技術(shù)的分類 微 位移技術(shù)包括微位移機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成，如圖 所示。微位移機(jī)構(gòu)是具有高靈敏度高精度的機(jī)構(gòu)。 圖 微位移技術(shù)的組成 無(wú)錫太湖學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 微位移工作臺(tái)控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 微位移工作臺(tái)控制結(jié)構(gòu)框圖 微位移機(jī)構(gòu)由微位移驅(qū)動(dòng)器和微動(dòng)工作臺(tái)組成。根據(jù)微位移驅(qū)動(dòng)器和微動(dòng)工作臺(tái)導(dǎo)軌行程可以分成以下五類 ??13 ： (1) 柔性支承，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)； (2) 氣浮導(dǎo)軌，伺服電動(dòng)機(jī)或直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)； (3) 滑動(dòng)導(dǎo)軌，機(jī)械式或壓電式驅(qū) 動(dòng)； (4) 滾動(dòng)導(dǎo)軌，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)； (5) 平行彈性導(dǎo)軌，電磁、電壓或壓電式驅(qū)動(dòng)。 根據(jù)行程微位移機(jī)構(gòu)的機(jī)理，微位移器可以分為機(jī)械式和機(jī)電式兩類。其類別如圖 所示。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì) 19 圖 微位移器的分類 微位移系統(tǒng)的廣泛實(shí)用性 微位移系統(tǒng)在精密機(jī)械和儀器中主要用于提高運(yùn)動(dòng)的靈敏度和精度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)設(shè)備的精度要求也越來(lái)越高，微位移技術(shù)則越來(lái)越廣泛。根據(jù)當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的范圍，可以分為以下三個(gè)方面： (1) 精度補(bǔ)償：精密工作臺(tái)是高精度儀器和設(shè)備的核心，它的性能的優(yōu)劣直接 影響整機(jī)的精度。而在當(dāng)今社會(huì)制造業(yè)生產(chǎn)中，效率問(wèn)題成為衡量設(shè)備先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，因此，先進(jìn)的設(shè)備和儀器中的運(yùn)動(dòng)部件，向高速度，高精度發(fā)展，以提高設(shè)備的工作效率。但是，高速度帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)慣量較大，對(duì)高精度有一定的影響。為解決高速度和高精度的矛盾，通常采用粗、精結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (2) 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)：在精密加工中，為了提高加工質(zhì)量，往往采用微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，例如，超光滑表面的精加工，要求每次進(jìn)給量為微米級(jí)，這是一般機(jī)械所難于達(dá)到的，用微位移機(jī)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)。 (3) 微調(diào)：微調(diào)是精密機(jī)械中常遇到的難題，實(shí)現(xiàn)高精度、 準(zhǔn)確可靠的微調(diào)，是保證機(jī)構(gòu)調(diào)整到正確位置的關(guān)鍵，特別是在車床運(yùn)作時(shí)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，難度相當(dāng)大，而微位移系統(tǒng)真是解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵。 無(wú)錫太湖學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 微位移器件在磨床中所需要具備的條件 位移的壓電器件，應(yīng)滿足下列要求： (1) 壓電靈敏度高，即單位電壓變形大。 (2) 行程大，電壓 變形曲線重復(fù)性好。 (3) 體積小，穩(wěn)定性好、不易老化。 壓電陶瓷的主要特點(diǎn)是變形量小，即在壓電陶瓷上施加較高的電壓時(shí)，任然獲得的行程很小。所以在設(shè)計(jì)微位移器件時(shí)，應(yīng)該盡量提高壓電陶瓷的變形量，以滿足設(shè)計(jì)的要求。 微位移行 程的提高 提高微位移行程有利有弊，其措施可以從以下幾個(gè)層面考慮： (1) 增加壓電陶瓷的成長(zhǎng)度和提高施加的電壓（或采用壓電堆，提高變形量），此為常用的方法，但增加長(zhǎng)度會(huì)使結(jié)構(gòu)增大，而提高電壓則會(huì)造成使用不便。 (2) 減少壓電陶瓷的厚度，可使變形量增加，但是減少壓電陶瓷的厚度，會(huì)使機(jī)械強(qiáng)度下降，如果是承受較大的軸向載荷時(shí)，可能會(huì)破壞器件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該兼顧機(jī)械強(qiáng)度。 (3) 不同的材料壓電系數(shù)不同，可根據(jù)需要選擇不同的材料。 (4) 壓電晶體在不同的方向施加電壓，產(chǎn)生的壓電系數(shù)不同。 壓電、電致伸縮器 件在微位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn) 壓電、電致伸縮器件是本課題設(shè)計(jì)所采用的新型微位移器件。它本身具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、控制簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，并且它沒(méi)有熱問(wèn)題，這意味著它不會(huì)對(duì)該精密平面磨床產(chǎn)生因發(fā)熱而引起的附加誤差。采用這種器件制成微位移系統(tǒng)還能較容易的實(shí)現(xiàn)精度為 的超精密定位，因此，作為理想的微位移驅(qū)動(dòng)器，壓電、電致伸縮器件在精密機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。 壓電與電致伸縮效應(yīng) —— 機(jī)電偶合效應(yīng) 電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，應(yīng)變與電場(chǎng)的關(guān)系為： 2MEdE??? ； 式中 ? ：應(yīng)變； dE ：逆壓電效應(yīng)； d ：壓電系數(shù) ? ?Vm/ ； E ；電場(chǎng) ? ?mV/ ； 2ME ；電致伸縮效應(yīng)； M ：電致伸縮系數(shù) ? ?22 /Vm ； 電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)，即逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，統(tǒng)稱機(jī)電耦合效應(yīng)。 電致伸縮效應(yīng)：在外界電場(chǎng)的作用下， 電介質(zhì)因 感應(yīng)極化作用而引起 的 應(yīng)變， 該應(yīng)變 的大小與電場(chǎng)平方成正比 ，與電場(chǎng)的方向無(wú)關(guān) 。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì) 21 逆壓電效應(yīng)：電介質(zhì)在外界電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變的大小與電場(chǎng)成正比，應(yīng)變的方向與施加電場(chǎng)方向有關(guān)。 逆壓電效應(yīng)僅在無(wú)對(duì)稱中心晶體才有，而電致伸縮效應(yīng)應(yīng)在所有的電介質(zhì)晶體中都存在，但是一般都比較軟弱。壓電單晶體如石英、羅息鹽等的壓電系數(shù)比電致伸縮系數(shù)打幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在低于 1MV/m 的電場(chǎng)作用下，只有逆電壓效應(yīng) ??14 。 微位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 微位移工作臺(tái)的組成 一個(gè)良好的微位移系統(tǒng)，需要一組性能良好的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，而微位移機(jī)構(gòu)是精密加工中的關(guān)鍵裝置。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，并從位移精度、位移范圍、機(jī)構(gòu)剛度、預(yù)緊結(jié)構(gòu)、剪應(yīng)力傳遞和密封性能等等方面綜合考慮，微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì)成立時(shí)結(jié)構(gòu)，以電致伸縮陶瓷制動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，推動(dòng)板彈簧產(chǎn)生變形，并在計(jì)算機(jī)控制下輸入精度的電壓信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)的微位移。 微位移工作臺(tái) 工作 原理 該系統(tǒng)包括宏進(jìn)給定位工作臺(tái)和微位移定位工作臺(tái)。首先，機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行粗進(jìn)給，即一級(jí)進(jìn)給，粗進(jìn)給工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，滿足磨削加工的高響應(yīng)、高效率的要求。 微位移工作臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 。 圖 微位移工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 1電阻應(yīng)變片； 2壓盤(pán)； 3電致伸縮陶瓷； 4子緊彈簧； 5子緊螺栓； 6密封圈； 7密封帽； 8上平臺(tái)； 9壓緊圈； 10板彈簧； 11支撐套； 12基座。 微位移機(jī)構(gòu) 工作臺(tái) 采用電致伸縮瓷驅(qū)動(dòng)器和板彈簧組合的方式，利用子緊彈簧和子緊無(wú)錫太湖學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 螺栓的微小彈性變形來(lái)傳遞位移，推動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微 量寄給，具有體積小，機(jī)構(gòu)緊湊。無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙等優(yōu)點(diǎn)。滿足精密加工對(duì)微定位的要求。 由 圖 可見(jiàn) ，它由電致伸縮陶瓷制動(dòng)器、板彈簧、支撐套、后套、基座、上平臺(tái)、壓緊圈、壓盤(pán)、預(yù)緊螺栓、密封帽及 O 形圈等零部件組裝而成。 板彈簧的設(shè)計(jì)與用途 彈簧有各種各樣的用途，例如：供給鐘表的原動(dòng)力、給運(yùn)輸車輛減震、稱量物體重量、約束機(jī)械零件、行程彈性連續(xù)、發(fā)射和遲延導(dǎo)彈和飛行器、減輕不平衡的旋轉(zhuǎn)機(jī)械對(duì)支承結(jié)構(gòu)的周期性擾動(dòng)力等。 彈簧是一種對(duì)負(fù)荷很敏感的蓄能裝置，其主要性能是能夠容許很大的擾度而不致?lián)p壞并當(dāng)負(fù) 荷除去之后能回復(fù)到它原來(lái)的大小和形狀，盡管大多數(shù)彈簧是機(jī)械彈簧，其效果能來(lái)自金屬構(gòu)件固有的彈簧；也可以采用液壓彈簧和空氣彈簧。為了使彈性材料發(fā)生變形，施加的力必須逐漸增大。根據(jù)定義，功等于作用力的平均值乘以距離。就彈簧來(lái)說(shuō)，變形時(shí)所做的功是作為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存在彈簧里的，當(dāng)負(fù)荷減去時(shí)，彈性勢(shì)能就會(huì)再釋放出來(lái)。而儲(chǔ)存在彈簧里的能量可用來(lái)減振或推動(dòng)機(jī)構(gòu)。 板彈簧是微位移工作系統(tǒng)中的主要變形元件，它的設(shè)計(jì)，計(jì)算十分重要。微位移工作臺(tái)的行程很小，約小于 μm20 ，所以板彈簧在強(qiáng)度能滿足 的前提下，變形量卻不大，為此主要計(jì)算板彈簧在電致伸縮陶瓷推動(dòng)力作用下其變形量是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 板彈簧作為微位移工作臺(tái)中的彈性元件，其厚度遠(yuǎn)小于平臺(tái)與壓盤(pán)的厚度，所以可以將上平臺(tái)和壓盤(pán)視為剛體，裝配時(shí)上平臺(tái)、板彈簧，壓盤(pán)緊密連接。因此，板彈簧，上平臺(tái)與壓盤(pán)連接部分不發(fā)生形變，則板彈簧可簡(jiǎn)化為外徑 2a，內(nèi)徑 2b 的彈性圓環(huán)，內(nèi)嵌直徑為2b 的剛體，二者之間剛性連接。工作臺(tái)受力模型可簡(jiǎn)化為圖 。 圖 工作臺(tái)受力模型 預(yù)緊力與系統(tǒng)分辨率 分辨率是指機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)改變某一最小量值時(shí)，微位移機(jī)構(gòu) 最大的變化量，其值為： 02S/f ? ； 式中 f ： 系統(tǒng)的分辨率； 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì) 23 s ： 微位移機(jī)構(gòu)最大的位移量； n ： 控制系統(tǒng)的精度。 由上式可知，系統(tǒng)分辨率 f 與系統(tǒng)最大位移量 s 成線性關(guān)系。電致伸縮陶瓷制動(dòng)器的位移量隨著載荷的增加而減小。當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí)，隨著陶瓷致動(dòng)器位移量的減小，系統(tǒng)的位移量 s 也減小，但由于消除了間隙，提高了接觸剛度，在不提高控制系統(tǒng)精度的情況下，可以提高系統(tǒng)的分辨率 ??15 。 預(yù)緊力增加，可以使微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度、頻響和分辨率提高，但同時(shí)會(huì)減少微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的工作行程。因此根據(jù)實(shí)際情況，在不超過(guò)陶瓷制動(dòng)器設(shè)計(jì)載荷的前提下，施加合理的預(yù)緊力。 本章小結(jié) 微位移系統(tǒng)的分類、設(shè)計(jì)、實(shí)用性的合理分析是本章內(nèi)容的關(guān)鍵，也是整個(gè)精密平面磨床設(shè)計(jì)的核心骨干，在設(shè)計(jì)方面查閱了很多的資料，篩選的過(guò)程數(shù)據(jù)雖然冗雜但是在耐心仔細(xì)鉆研下都被一一攻克。彈簧 板和預(yù)緊力分析更是將工作臺(tái)的精密性和可靠性得到了提升。 無(wú)錫太湖學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 5 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 根據(jù)平面磨床加工的不同工作情況，采用垂直微進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以使得磨頭得到手動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)進(jìn)給、快速升降等運(yùn)動(dòng)。其中自動(dòng)進(jìn)給和手動(dòng)進(jìn)給是該機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)： (a) 自動(dòng)進(jìn)給 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，傳動(dòng)與其相嚙合的螺旋齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)與螺旋齒輪剛性連接的絲桿副的螺母，移動(dòng)絲桿使其與其固定在連接的磨頭架垂直運(yùn)動(dòng)。 (b) 手動(dòng)進(jìn)給 在床身后，與伺服電機(jī)相連 接的蝸桿軸上裝有一直吃錐齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)相嚙合的另一錐齒輪軸，通過(guò)蝸桿螺旋齒輪副可獲得磨頭上下調(diào)整移動(dòng)，在平時(shí)，錐齒輪對(duì)始終處于非嚙合的脫開(kāi)位置 ??16 。 手動(dòng)進(jìn)給是自動(dòng)進(jìn)給此外，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)與橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)最大的不同點(diǎn)是：垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)中往往有一個(gè)轉(zhuǎn)向的傳動(dòng)副，如錐齒輪、渦輪蝸桿副等。 如垂直進(jìn)給機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖（圖 ）所示， 可得出本磨床垂直微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 圖 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺(tái)設(shè)計(jì) 25 圖 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖 確定微進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 數(shù)控車床靠步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，由于滾珠絲杠可以有過(guò)盈量，傳動(dòng)無(wú)間隙，精度主要靠機(jī)床本身和程序保證。 在加工過(guò)程中可以自動(dòng)測(cè)量，并能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒吣p及其他原因產(chǎn)生的誤差。所以加工質(zhì)量好，精度穩(wěn)定。還可以用編程的方法車出形狀復(fù)雜，普通車床難以加工的零件。適合精度高，批量大，形狀復(fù)雜的零件