纳米级压电陶瓷微位移系统的研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 纳米级压电陶瓷微位移系统的研究α 于思远, 林　滨, 韩雪松, 刘殿通, 刘文芝, 刘金华 (天津大学机械学院, 天津 300072) 　 　　　　　　　摘　要: 介绍了一种用于纳米磨削的新型微位移系统, 该系统由压电陶瓷微位移工作台和计 算机控制的专用驱动电源组成, 系统精度与压电陶瓷致动器和控制系统密切相关. 阐述了以 压电陶瓷致动器为核心的微位移工作台和驱动电源的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 原理和设计特点, 并用已研制成 的高精度高分辨率微位移系统实现了陶瓷样件的纳米镜面磨制. 关键词: 纳米级; 压电陶瓷; 微位移系统 中图分类号: T G580. 623　　 文献标识码: A 　　 文章编号: 049322137 (2000) 0420537204 　　超精密及纳米加工技术在提高机电产品的性能、 质量和发展高科技产品等方面具有重要作用, 现已在 国防、航空航天、核能及国民经济各高新技术领域中广 泛应用. 高精度、高分辨率的微进给系统是超精密及纳 米加工中的关键工艺装置, 它不仅具有微量控制切削 深度的功能, 还可以进行机床导轨直线度和主轴回转 精度误差的补偿以及非对称 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的加工等. 1　微进给工作台主要元件的选择和设计原理 1. 1　微进给工作台的结构 　　微进给工作台由电致伸缩致动器、板弹簧、预紧螺 栓、密封帽、支撑套、基座、上平台、压紧圈和压盘等零 部件组成, 见图 1. 当给电致伸缩陶瓷施加一定的直流 图 1　微进给工作台的结构 F ig. 1　The structure drawing of m icro-displacemen t table 电压时, 在电场的作用下, 电介质产生应变, 导致电致 伸缩陶瓷伸长, 其变形力推动板弹簧变形, 使上平台产 生微量进给. 本文从位移精度、位移总行程、机构刚度、 结构工艺性、预加载荷、剪应力传递和密封性等方面进 行了综合考虑, 从而保证了工作台的高刚度和高分辨 率特性. 1. 2　电致伸缩陶瓷致动器的特性及选用 　　根据陶瓷致动器工作电压低, 位移量大, 分辨率 高, 位移重复精度高, 无压电陶瓷老化现象及稳定性好 等特点, 选用由 PL ZT 材料制作的W TD S 系列陶瓷微 位移器件. 电致伸缩陶瓷在直流电场作用下产生的应 变与电场强度的平方成正比. 　　　　S = M ·E 2 (1) 式中: S 为应变;M 为电致伸缩系数,m 2öV 2; E 为电场 强度,V öm. 　　为了获得大的变形量, 需将压电陶瓷片多片叠堆 使用, 机械上串联, 电路上并联, 总伸长量L 为 　　　　L = N ·M ·U 2öh (2) 式中: L 为总伸长量; N 为片数; U 为电压; M 为电致 伸缩系数; h 为每片陶瓷的厚度. 　　虽然电致伸缩陶瓷具有体积小, 结构紧凑, 分辨率 高, 频带宽, 效率高, 刚度好, 易于控制和不发热等优 点, 但在电场作用下存在着滞后和蠕变等非线性特性, 造成重复定位精度降低, 瞬态响应速度变缓等缺点, 给 使用带来了困难. 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　天津大学学报　第 33 卷　第 4 期 2000 年 7 月JOU RNAL O F T IAN J IN UN IV ER S IT Y　V o l. 33　N o. 4　Ju l 2000 α收稿日期: 1999212212; 修回日期: 2000202215. 　　　基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (59975069). 天津大学纳米中心课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 　　　作者简介: 于思远 (1935- ) , 男, 教授. © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　克服上述缺陷可采用以下措施: ①给电致伸缩微 位移器加载预压力, 使其工作在线性较好的工作曲线 段上. ②用电流源作为电致伸缩陶瓷的驱动电源. ③用 数值计算法进行补偿. 1. 3　板弹簧元件的设计计算 　　由于微进给工作台行程< 20 Λm , 板弹簧变形量 在弹性变形范围内, 强度必定满足要求, 故只需计算在 致动力 P 作用下其变形量能否达到设计要求即可, 建 立工作台受力模型见图 2 和图 3. 图 2　工作台受力简图 F ig. 2　L oading scheme of d isplacemen t table 图 3　板弹簧简化模型 F ig. 3　Simpl ify ied model of spr ing board 　　因为板弹簧的厚度远小于上平台和压盘之厚度, 故可将上平台和压盘视为受集中载荷 P 作用的刚体. 装配时上平台, 板弹簧和压盘紧密连接, 可视其为直径 2b 的刚体, 板弹簧仅为外径 2a , 内径 2b 的圆环. 圆环 与直径为 2b 的压盘刚体之间, 圆环与支撑套之间均为 刚性连接, 这样板弹簧的变形量可用高等材料力学薄 板理论求解. 　　在图 3 中,Q b 为均布剪力,Q b= p ö2Πb,M 1 为均布 弯矩, 板弹簧变形量 Ξ 是M 1 和Q b 单独作用产生的变 形 Ξ1 与 Ξ2 之和. 　　M 1 单独作用时 　　　　Ξ1= 14 A 1 r2 ( ln r- 1) + 14 B 1 r2+ C 1 ln r+ E 1 　　Q b 单独作用时 　　　　Ξ2= 14 A 2 r2 ( ln r- 1) + 14 B 2 r2+ C 2 ln r+ E 2 　　边界条件为 　　r= a 时 　　　　　　挠度: Ξ1= 0; Ξ2= 0; 　　　　　　转角: dΞ1d r = 0; dΞ2d r = 0. (3) 　　r= b 时 　　　　转矩: D d 2Ξ1 d r2 + Λ r dΞ1 d r = M 1 　　　　剪力: D d 3Ξ1 d r3 + 1 r d2Ξ1 d r2 - 1 r 2 dΞ1 d r = 0 　　　　转矩: d 2Ξ2 d r2 + Λ r dΞ2 d r = 0 (4) 　　　　剪力: - D d 3Ξ2 d r3 + 1 r d2Ξ2 d r2 - 1 r 2 dΞ2 d r = Q b 　　　　转角: dΞ1d r + dΞ2d r = 0 　　由边界条件可确定公式中各系数及M 1, 从而求出Ξ= Ξ1 + Ξ2. Ξ 在 r= b 时取极值, 即 Ξm ax = K 1P ·a2ö E h 3, 式中 K 1 = 0. 006 4, 不锈钢弹性模量 E = 2. 06× 105 N ömm 3, 由此可计算得到, 当用厚度为 0. 6 mm 的 不锈钢板弹簧, 在电致伸缩陶瓷驱动力的推动下, 最大 微位移量 Ξm ax = 0. 016 9 mm , 可见选用的板弹簧能产 生足够的变形来保证工作台行程的要求. 2　驱动电源的设计 2. 1　设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 　　为实现高精度可控稳压输出, 选用了直流放大型 电路即串联反馈调整电路, 该设计方案中, 电源的各项 技术指标可以做得较高. 此外为了提高电压调整率, 采 用两级稳压回路以提高电压输出精度, 电路原理图见 图 4, 主要包括整流滤波电路, 预稳压电路, 串联调整 稳压电路, 保护电路, 快速放电电路等部分. 可手动调 节或计算机控制, 驱动电源电压输出为 0～ 300 V. 图 4　电路原理图 F ig. 4　The pr inc iple drawing of electr ic c ircuit 2. 2　驱动电源设计原理 　　驱动电源线路图如图 5 所示, 由 4 部分组成. 　　1) 预稳压电路: 预稳压电路采用低耐压的稳压集 ·835· 天津大学学报　　2000 年　第 33 卷　第 4 期　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 成块, 采用悬浮式电路, 适当增加保护元件, 为后级稳 压电路提供稳定的电压. 　　2) 串联调整稳压电路: 采用晶体管患联反馈型电 路, 由计算机输入或内部提供基准电压与输出电压的 反馈作为差动运放的两个输入. 运算放大器的输出经 一级放 大至调整管, 以此来维持输出电压的稳定. 调 整管为达林顿管, 接成射级输出形式, 起电流放大的缓 冲作用. 此外采用恒流源代替三级管N 1 的负载电阻, 能大大减小输出电压的波纹度, 提高电源的稳定性. 　　3) 放电回路: 02, R 15～ R 18, D 1 和D 2 组成快速放 电回路; 其中R 15·R 16= R 17·R 18, 且阻值很大, 使压电 陶瓷对它的放电可以忽略. 当输出电压由高调低, 压电 陶瓷可通过放电回路实现快速放电, 从而提高了系统 的频率响应特性. 　　4) 保护回路: 由负载性能要求, 当输出电压超过 320 V 时, 可能使压电陶瓷击穿, 所以设置了用电压比 较器集成组件构成的过载保护回路, 当电压过载时, 可 控硅导通, 快速熔断器熔断, 从而切断输入电压. 图 5　电源线路图 F ig. 5　The c ircuit drawing of electr ic power 3　微位移系统特性实验 3. 1　微位移工作台参数的测定 　　微位移工作台的行程、分辨率与重复定位精度测 量原理见图 6. 利用该测量系统, 借助H P5528A 激光 测距系统对工作台的行程、分辨率和重复定位精度等 参数进行了测量. 测量结果, 最大行程 16 Λm , 位移分 辨率 0. 01 Λm , 重复定位精度 0. 1 Λm. 图 6　测量原理框图 F ig. 1　The pr inc iple drawing of measuremen t 3. 2　静刚度的测量 　　考虑到电致伸缩陶瓷最大承载能力为 25 kg, 故 外加载荷 F 设定为 20 kg. 测量加载过程中工作台的 变形 y , 用微米级千分表多次测量均没有变化, 根据刚 度 K = F öy , 可以认为微量加工时工作台的刚度无穷 大.3. 3　驱动电源性能测试　　利用 TD 4653 型双踪示波器 (20 M H z) 对电源输出电压进行了测量, 测量结果表明: 当电源输出达 300V 时, 其输出电压波纹度< 10 mV , 该波纹度对微位移精度的影响小于 0. 001 Λm (1 nm ) ; 电源调整率低于0. 000 5% V ; 温度漂移 0. 01% ö℃.4　结　论　　1)根据高等材料力学薄板理论对工作台的主要弹性变形元件进行了优化设计, 在此基础上研制成一台由电致伸缩陶瓷致动器驱动的移位移工作台, 其结构简单, 易于加工制造, 使用方便.　　2) 研制了一台以直流放大式电路 (即串联反馈调整电路) 为基础的驱动电源, 该电源的分辨率优于 60mV , 输出电压波纹度< 10 mV , 可实现电致伸缩微位移器的驱动控制.　　3) 采用研制成的微位移系统, 当磨削深度 ap = 1 ·935·　天津大学学报　　于思远等: 纳米级压电陶瓷微位移系统的研制 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ～ 3 Λm 时, 用W 2. 5 微粉金刚石砂轮进行超精度磨 削, 可实现 ZrO 2 和 Sialon 陶瓷试件的纳米镜面加工, 加工表面粗糙度达 5～ 8 nm. 参考文献: [ 1 ]　芮晓健, 张幼桢. 精密可控微位移器实验研究[J ]. 航空精 密制造技术, 1994, 30 (1) : 10～ 12. [2 ]　赖文学. 电致伸缩致动器及其应用 [J ]. 压电与声光, 1987, 9 (5) : 17～ 20. [ 3 ]　冯晓光. 压电陶瓷微位移器驱动电源及其减小波纹的方 法[J ]. 压电与声光, 1997, 19 (1) : 35～ 38. [4 ]　N ew Com b C V. Imp roving the linearity of p iezoelectric ceram ic actuato rs [J ]. E lectron ics L etter, 1982, 18 (11) : 442～ 447. D EVELOPM ENT OF NANOM ETER GRAD E M ICRO -D ISPLACEM ENT SY STEM OF P IEZOEL ECTR IC CERAM ICS YU Si2yuan, L IN B ing, HAN Xue2song, L IU D ian2tong, L IU W en2zh i, L IU J ing2hua (Schoo l of M echan ical Engineering, T ian jin U niversity, T ian jin 300072, Ch ina) Abstract: T h is paper in troduces a nanom eter grade m icro2disp lacem ent system su itab le fo r u ltrap recision grinding. It consists of a tab le driven by a p iezoelectric ceram ic actuato r and a specia l driving pow er con tro lled by a comput2 er. T he system atic accuracy bears a rela t ion to the actuato r and driving pow er. T he paper describes the design p rin2 cip le, the characterist ics of the p iezoelectric ceram ic actuato r and driving pow er, and then realizes nanom eter m irro r grinding of engineering ceram ic samp les using the h igh p recision m icro2disp lacem ent system developed. Keywords: nanom eter grade; p iezoelectric ceram ics; m icro2disp lacem ent system ·045· 天津大学学报　　2000 年　第 33 卷　第 4 期