机床用组合铰链微进给平台静动特性分析.pdf

西安理工大学学报 J o u r n a l o f X i ’ a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 2 0 1 3 V o 1 ． 2 9 N o ． 4 4 8 1 文章编号 1 0 0 6 - 4 7 1 0 2 0 1 3 0 4 - 0 4 8 1 - 0 4 机床用组合铰链微进给平台静动特性分析 杨力 ，杨静 ，庞 亚娜 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 为 了提高加工机床进给机构的精度及 刚度 ， 设计 了一种基 于柔性铰链 的精 密机床 用组合微 进给平 台。利用能量 守恒原理分析 了进给平 台刚度 ， 在此基础上对微进给平 台的静、 动特性进行 了 测试。实验结果表明， 平台刚度的理论分析与实验结论一致， 且微进给平台的动特性满足机床加工 精度要求。 关键词 组合铰链 ； 微进给平 台； 静 刚度；动特性 中图分类号 T H1 2 3 ． 3 文献标志码 A The Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s o f Co mbi na t i o n Hi ng e M i c r o Fe e di ng Pl a t f o r m f o r M a c h i ne To o l s YANG L i ，YANG J i n g，P AN G Ya n a F a c u l t y o f Me c h a n i c a l a n d P r e c i s i o n I n s t r u me n t E n g i n e e r i n g， X i ’ a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， X i ’ a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a Ab s t r a c tI n o r d e r t o i mp r o v e t he a c c u r a c y a n d r i g i d i t y o f t h e Ma c h i ne t o o l f e e d me c ha n i s m ，i n t hi s p a p e r ，a k i n d o f mi c r o f e e d p l a t f o r m b a s e d o n fle x u r e h i ng e i s d e s i g n e d．By u s i n g t h e t he o r y o f c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y p rin c i p l e，t h e rig i d i t y o f f e e d pl a t f o r m i s a n a l y z e d o n t he b a s i s o f wh i c h t he s t a t i c a nd d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f p l a t f o rm a r e t e s t e d．Th e e x pe rime n t r e s u l t s s ho w t ha t t he t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o n t h e r i - g i d i t y o f p l a t f o rm i s b a s i c a l l y i d e n t i c a l wi t h t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s ，a nd t h a t t h e d y na mi c c ha r a c t e ris t i c o f t he mi c r o f e e d i n g p l a t f o r m c a n me e t t h e r e qu i r e me n t s o f ma c h i n i n g p r e c i s i o n b y ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d s c o mb i n a t i o n h i n g e；mi c r o f e e d p l a t f o r m；t h e s t a t i c s t i f f n e s s ；d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s 随着对机械加工精度要求的提高 ， 微进给机构 在精密加工 中占有越来越重要的地位 。机床进给方 式中常见的伺服电机驱动高精度滚珠丝杠传动， 以 及静压丝杠传动， 其精度受到丝杠螺母副制造精度 的制约； 直线电机驱动方式传动， 虽有反应速度快、 随动性好、 分辨率可达 0 ． 0 1 Ix m等优点， 但因其效 率低 、 发热量大 、 在低速运 动时会产生 非线性摩擦 力 ， 而主要应用于高速 、 轻载的设备上 。 近年来， 超精密加工技术中宏微组合驱动方式 得到广泛关 注 2 J ， 该 驱动方式 中 ， 宏动 台通过伺 服 驱动滚珠丝杠满足机床行程的要求 ， 微动台则采用 压 电陶瓷或磁致动器驱动微进给平台实现机床微进 给的精度要求。本文设计了一种用于宏微组合驱动 的组合铰链微进给机构 ， 利用柔性铰链体积小 、 无间 隙、 无机械摩 擦、 定位精度 高 等优点 ， 以满足机 床精密加工的精度以及刚度要求， 并对微进给平台 的静动特性进行 了分析与测试。 1 组合铰链微进给机构静特性分析 图 1 为笔者设计的精密机床用宏微组合驱动的 组合铰链微进 给机构 。微 进给铰链机构 通过螺 栓固定在宏动台上， 机床加工刀具固定在微进给平 台上， 8 个直圆型铰链 对称分布在微进给平台两 侧 ， 在驱动力作用下 ， 柔性铰链发生变形 ， 微进给平 台沿 z向 进给方 向 作精密进 给。切削加工过程 中， 作用在平台上的切削力 F如图 1所示。为 了保 证精密加工精度 ， 微进给机构进 给 Z 以及非进给 y 方向都必须有足够的刚度。 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 8 - 2 5 基金项目 陕西省教育厅项 目 1 1 J S 0 7 2 。 作者简介 杨力， 男， 硕士， 主要研究方向为机床精密进给控制系统。E m a i l 1 5 8 2 9 5 5 7 1 1 9 1 6 3 ． c o n 。 杨静， 女， 副教授 ， 博士， 研究方向为机电系统检测与控制。E m a i l y j z h d 1 6 3 ． c o n。 4 8 4 西安理工大学学报 2 0 1 3 第 2 9卷第 4期 一 般高精度机床 的转速为 2 5 0 0 0 r p m。因此 ， 加工过程中， 刀具所受切削力最高频率为5 0 0 H z ， 而组合铰链微进给平台的一阶固有频率 1 k H z ， 远 远高于输入信号的频率， 因此该微进给平台在加工 中振动小， 有利于提高加工精度。 4 结论 宏微组合进给平 台的行程 、 刚度以及定位精度 等综合性能优于普通单驱动进给系统， 可在精密机 床加工中得到广泛应用。利用柔性铰链的无间隙、 无机械摩擦优点， 本文设计了一种精密机床用组合 铰链微进给平台， 在对组合铰链进给平台的刚度进 行理论分析基础上 ， 对组合铰链微进给平台的静 、 动 特性进行了测试。实验结果表明 组合铰链微进给 平台在进给以及非进给方向都有足够的刚度， 进给 方向的一阶固有频率远远高于高速精密机床的转 速 ， 加工过程 中主轴振动小 ， 满足精密加工要求。 目 前仍不足的是平 台进给方向存在 回程误差 ， 在平 台 控制中必须考虑 。 参考文献 [ 1 ]刘春光， 刘海涛．大行程高精度驱动进给机构研究综述 [ J ] ． 华章， 2 0 1 1 ， 3 6 3 6 7 ． [ 2 ]节德刚．宏／ 微驱动高速高精度定位系统的研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 6 ． J i e De g a n g ．Re s e a r c h o f t h e h i g h - s p e e d ／ h i g h p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g s y s t e m o f ma c r o ／ m i c r o d ri v i n g [ D] ．H a r b i n Har b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]任宁， 王长路， 欧开良， 等． 倒圆角直梁型柔性铰链应力 分析[ J ] ． 机械传动， 2 0 1 2 ， 3 6 4 8 7 - 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