| 摘要：研制了用于硬脆材料精密镜面磨削的带测力功能微进给工作台。该工作台以电致伸缩传感器实现微量进给，具有体积小、制造方便、可靠性好、分辨率高等特点，为实现硬脆材料的镜面磨削提供了有利条件。 |
1 引言
针对硬脆材料镜面磨削机理，要想获得硬脆材料的超光滑磨削加工表面，必须实现足够小的加工去除单位，因此研制了可以测量径向力的平面磨床微进给工作台。本微进给工作台主要由三部分组成：精密驱动电源、电致伸缩传感器及微进给机构。其工作原理是：在外电场作用下，电致伸缩传感器发生微小的伸缩，带动微进给工作台实现微量进给。
2 微进给工作台的设计及其工作原理
图1是微进给工作台的受力变形筋简化图。其受力状态相当于双固定端梁中间受力时的情况。工作台体共有四小段变形筋。在简化原理图中相当于两根平行的双固定端梁，变形弯矩图如图2所示，力F在梁的中央。利用传感器的电致伸缩效应使变形筋产生微量形变，从而使微进给工作台面作高精度的微小进给。由图2可知，梁在中央处的挠度最大，为
式中，fmax为变形筋的最大挠度；F为作用力：J为惯性矩；E为弹性模量；l为变形筋长度；h为变形筋厚度；b为变形筋宽度。
图1 工作台受力变形筋简化示意图 |
图2 双固定端梁变形弯矩图 |
由于电致伸缩元件的伸长与受力范围有限，所以在对变形筋的形状进行设计时要校核其在电致伸缩元件伸长到最大时，变形元件变形后对电致伸缩元件的反作用力与加工过程中作用于工件的磨削力之和应不超过该元件所能承受的最大压力，并有一定的安全系数。现在使用的美国AVX公司的C060210A型电致伸缩传感器受压时，允许的最大力为750N，最大伸长量为15µm。考虑到一定的安全系数，在变形最大时的力不应超过500N，因此可以按最大受力500N产生要求的位移来计算变形筋的尺寸。本微进给工作台的变形元件由4小段变形筋构成。变形筋的长度应适宜，长度过小会导致变形元件挠度增大时应力增加得过快。参照微动装置的尺寸大小，选定变形筋的长为10mm。变形筋的长度和宽度根据微量进给机构的大小确定后，可根据希望产生的挠度f(即位移量)计算出变形筋的厚度 (含一定的安全系数)。电致伸缩元件的参数fmax为15µm，Fmax为750N，根据式(1)、 (2)，计算后确定变形筋长×宽×高为10mm×5mm×1mm，此时变形筋的变形抗力为252N。即变形筋每产生1µm挠度的抗力为16.8N。而在 MM7120A磨床上硬脆材料精密镜面磨削环境下，在双行程最大进给为3µm时磨削力小于50N。对电致伸缩传感器所加的预紧力也只有100N。因此，电致伸缩元件所受的力小于500N。
1.底板 2.工作台体 3.预紧螺钉 4.锁紧螺母 5.钢球 6.电致伸缩传感器 7.力传感器预紧螺钉 8.力传感器 9.上台面 10.密封罩 11.夹具平台
图3 电致伸缩式微进给工作台示意图 |
图3是新设计的电致伸缩式微进给工作台。该装置的本体和弹性变形元件以及进给部分是一整体结构。装置外面是密封的，防止电致伸缩元件在磨削过程中受潮。因为电致伸缩传感器在变形的时候基本没有热量产生，所以不存在散热问题。
在工作台的装配过程中，需要对电致伸缩传感器加一定的预紧力，以免工作过程中各接触面间的接触刚度影响微进给的重复精度。本装置在电致伸缩传感器后端采用一个预紧螺钉调节预紧力，方便可靠。预紧力的大小要适当。过大，则工作过程中传感器受到的合力可能超过它的最大允许范围而被压坏，过小则难以实现完全消除空隙而影响重复精度。通过计算表明，变形筋的变形抗力与变形量成正比，而且每1µm的挠度抗力为16.8N。传感器的允许最大压力为750N，考虑工作过程中传感器的状态与受力，对其加以100N的预紧力。加载完成后用锁紧螺母将预紧螺钉锁死。为避免传感器两端受力不平行，在末端用一个钢球可以达到预紧力的自动对心。工作过程中，电致伸缩传感器在电压的作用下伸长，推动上面的变形元件产生弹性变形，实现微量进给。
同理，在装配过程中，对测力传感器也要加一定的预紧力，以便使测力传感器与变形筋同时运动。传感器的参数要求对其加20N的预紧力。先调节4个螺钉中的一个，使传感器受力为5N，然后调节该螺钉对角线位置的螺钉，使传感器受力为10N，再调节第三个螺钉，使传感器受力为15N，再调节最后一个螺钉使传感器受力为20N，则每个螺钉受力均为5N。在给电致伸缩传感器和测力传感器加预紧力时应注意顺序。即应先对测力传感器加预紧力，否则测力传感器上的预紧力会通过4个紧固螺钉加在电致伸缩传感器上，从而改变电致伸缩传感器上的预紧力。
本微进给工作台的结构特点有：
- 弹性变形元件由整体材料制成，避免了零件间接触面对刚度和动态特性的影响：
- 微动靠变形筋弹性变形实现，变形量很小时不存在塑性变形，保证了重复精度：
- 通过钢球对电致伸缩元件加预紧力，避免了预紧力方向的偏斜且调节方便可靠：
- 可以在加工过程中在线测量磨削力：
- 尺寸小，结构简单，使用方便。
(a)有负荷(50N) |
(b)无负荷 |
| 图4微进给装置电压-位移曲线图 |
3 微进给工作台的调试
本微进给工作台的标定是靠电感测微仪实现的。标定过程是在模拟磨削过程的实验条件下进行的。分别对有负载(50N)和无负载的情况进行标定。在标定过程中，由于电致伸缩元件固有的迟滞现象而使得标定曲线的去程和回程部分不能完全吻合，但相差数值很小且基本恒定，属于正常现象，基本不影响实验结果。图4为实验测得的微进给装置电压-位移曲线。由图可以看出有无负载对曲线的形状影响很小，在坐标系中的位置稍有区别。这是由于电致伸缩传感器内部由许多晶体薄片粘结而成，各薄片间有间隙，再加上晶体本身的变形，导致有外力作用时，传感器的电致伸缩量比无负载时稍小。可以认为装置中的电致伸缩元件的性能良好，可以稳定地实现微位移。
以上我们已经得到了实验数据曲线如图4。但是由于实验误差的存在，测量数据必然也存在着误差，又由于理想的电致伸缩传感器电压与位移的关系应该是一条直线，因此设所求的直线方程为y=a1x+a2，用最小二乘法进行直线拟合得到a1、a2的表达式为
因此a1，a2是最佳拟合出直线的数据参数，根据本实验结果求出的1=0.10，a2=-1.54。于是得到所拟合的直线方程为：y=0.10x-1.54。其中x为电压值，y为位移值。
4 结语
基于实现硬脆材料的精密镜面磨削必须稳定地实现足够小的加工去除单位的要求，研制了可靠性很好的带测力功能微进给工作台，并用电感测微仪对其进行了标定。其垂直方向微进给的分辨率可达0.01µm，这是由所使用的电感测微仪的分辨率决定的。在今后的工作中，如必要可对其进行重新标定，进一步深入研究和完善本微进给工作台。
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