1 引言針對(duì)硬脆材料鏡面磨削機(jī)理，要想獲得硬脆材料的超光滑磨削加工表面，必須實(shí)現(xiàn)足夠小的加工去除單位，因此研制了可以測(cè)量徑向力的平面磨床微進(jìn)給工作臺(tái)。本微進(jìn)給工作臺(tái)主要由三部分組成：精密驅(qū)動(dòng)電源、電致伸縮傳感器及微進(jìn)給機(jī)構(gòu)。其工作原理是：在外電場(chǎng)作用下，電致伸縮傳感器發(fā)生微小的伸縮，帶動(dòng)微進(jìn)給工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。 2 微進(jìn)給工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及其工作原理圖1是微進(jìn)給工作臺(tái)的受力變形筋簡(jiǎn)化圖。其受力狀態(tài)相當(dāng)于雙固定端梁中間受力時(shí)的情況。工作臺(tái)體共有四小段變形筋。在簡(jiǎn)化原理圖中相當(dāng)于兩根平行的雙固定端梁，變形彎矩圖如圖2所示，力F在梁的中央。利用傳感器的電致伸縮效應(yīng)使變形筋產(chǎn)生微量形變，從而使微進(jìn)給工作臺(tái)面作高精度的微小進(jìn)給。由圖2可知，梁在中央處的撓度最大，為
式中，fmax為變形筋的最大撓度；F為作用力：J為慣性矩；E為彈性模量；l為變形筋長(zhǎng)度；h為變形筋厚度；b為變形筋寬度。
圖1 工作臺(tái)受力變形筋簡(jiǎn)化示意圖 |
圖2 雙固定端梁變形彎矩圖 |
由于電致伸縮元件的伸長(zhǎng)與受力范圍有限，所以在對(duì)變形筋的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要校核其在電致伸縮元件伸長(zhǎng)到最大時(shí)，變形元件變形后對(duì)電致伸縮元件的反作用力與加工過(guò)程中作用于工件的磨削力之和應(yīng)不超過(guò)該元件所能承受的最大壓力，并有一定的安全系數(shù)�，F(xiàn)在使用的美國(guó)AVX公司的C060210A型電致伸縮傳感器受壓時(shí)，允許的最大力為750N，最大伸長(zhǎng)量為15µm�？紤]到一定的安全系數(shù)，在變形最大時(shí)的力不應(yīng)超過(guò)500N，因此可以按最大受力500N產(chǎn)生要求的位移來(lái)計(jì)算變形筋的尺寸。本微進(jìn)給工作臺(tái)的變形元件由4小段變形筋構(gòu)成。變形筋的長(zhǎng)度應(yīng)適宜，長(zhǎng)度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致變形元件撓度增大時(shí)應(yīng)力增加得過(guò)快。參照微動(dòng)裝置的尺寸大小，選定變形筋的長(zhǎng)為10mm。變形筋的長(zhǎng)度和寬度根據(jù)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的大小確定后，可根據(jù)希望產(chǎn)生的撓度f(wàn)(即位移量)計(jì)算出變形筋的厚度 (含一定的安全系數(shù))。電致伸縮元件的參數(shù)fmax為15µm，F(xiàn)max為750N，根據(jù)式(1)、 (2)，計(jì)算后確定變形筋長(zhǎng)×寬×高為10mm×5mm×1mm，此時(shí)變形筋的變形抗力為252N。即變形筋每產(chǎn)生1µm撓度的抗力為16.8N。而在 MM7120A磨床上硬脆材料精密鏡面磨削環(huán)境下，在雙行程最大進(jìn)給為3µm時(shí)磨削力小于50N。對(duì)電致伸縮傳感器所加的預(yù)緊力也只有100N。因此，電致伸縮元件所受的力小于500N。
1.底板 2.工作臺(tái)體 3.預(yù)緊螺釘 4.鎖緊螺母 5.鋼球 6.電致伸縮傳感器 7.力傳感器預(yù)緊螺釘 8.力傳感器 9.上臺(tái)面 10.密封罩 11.夾具平臺(tái)
圖3 電致伸縮式微進(jìn)給工作臺(tái)示意圖 |
圖3是新設(shè)計(jì)的電致伸縮式微進(jìn)給工作臺(tái)。該裝置的本體和彈性變形元件以及進(jìn)給部分是一整體結(jié)構(gòu)。裝置外面是密封的，防止電致伸縮元件在磨削過(guò)程中受潮。因?yàn)殡娭律炜s傳感器在變形的時(shí)候基本沒(méi)有熱量產(chǎn)生，所以不存在散熱問(wèn)題。 在工作臺(tái)的裝配過(guò)程中，需要對(duì)電致伸縮傳感器加一定的預(yù)緊力，以免工作過(guò)程中各接觸面間的接觸剛度影響微進(jìn)給的重復(fù)精度。本裝置在電致伸縮傳感器后端采用一個(gè)預(yù)緊螺釘調(diào)節(jié)預(yù)緊力，方便可靠。預(yù)緊力的大小要適當(dāng)。過(guò)大，則工作過(guò)程中傳感器受到的合力可能超過(guò)它的最大允許范圍而被壓壞，過(guò)小則難以實(shí)現(xiàn)完全消除空隙而影響重復(fù)精度。通過(guò)計(jì)算表明，變形筋的變形抗力與變形量成正比，而且每1µm的撓度抗力為16.8N。傳感器的允許最大壓力為750N，考慮工作過(guò)程中傳感器的狀態(tài)與受力，對(duì)其加以100N的預(yù)緊力。加載完成后用鎖緊螺母將預(yù)緊螺釘鎖死。為避免傳感器兩端受力不平行，在末端用一個(gè)鋼球可以達(dá)到預(yù)緊力的自動(dòng)對(duì)心。工作過(guò)程中，電致伸縮傳感器在電壓的作用下伸長(zhǎng)，推動(dòng)上面的變形元件產(chǎn)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。 同理，在裝配過(guò)程中，對(duì)測(cè)力傳感器也要加一定的預(yù)緊力，以便使測(cè)力傳感器與變形筋同時(shí)運(yùn)動(dòng)。傳感器的參數(shù)要求對(duì)其加20N的預(yù)緊力。先調(diào)節(jié)4個(gè)螺釘中的一個(gè)，使傳感器受力為5N，然后調(diào)節(jié)該螺釘對(duì)角線位置的螺釘，使傳感器受力為10N，再調(diào)節(jié)第三個(gè)螺釘，使傳感器受力為15N，再調(diào)節(jié)最后一個(gè)螺釘使傳感器受力為20N，則每個(gè)螺釘受力均為5N。在給電致伸縮傳感器和測(cè)力傳感器加預(yù)緊力時(shí)應(yīng)注意順序。即應(yīng)先對(duì)測(cè)力傳感器加預(yù)緊力，否則測(cè)力傳感器上的預(yù)緊力會(huì)通過(guò)4個(gè)緊固螺釘加在電致伸縮傳感器上，從而改變電致伸縮傳感器上的預(yù)緊力。 本微進(jìn)給工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有： 彈性變形元件由整體材料制成，避免了零件間接觸面對(duì)剛度和動(dòng)態(tài)特性的影響： 微動(dòng)靠變形筋彈性變形實(shí)現(xiàn)，變形量很小時(shí)不存在塑性變形，保證了重復(fù)精度： 通過(guò)鋼球?qū)﹄娭律炜s元件加預(yù)緊力，避免了預(yù)緊力方向的偏斜且調(diào)節(jié)方便可靠： 可以在加工過(guò)程中在線測(cè)量磨削力： 尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
(a)有負(fù)荷(50N) |
(b)無(wú)負(fù)荷 |
| 圖4微進(jìn)給裝置電壓-位移曲線圖 |
3 微進(jìn)給工作臺(tái)的調(diào)試本微進(jìn)給工作臺(tái)的標(biāo)定是靠電感測(cè)微儀實(shí)現(xiàn)的。標(biāo)定過(guò)程是在模擬磨削過(guò)程的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的。分別對(duì)有負(fù)載(50N)和無(wú)負(fù)載的情況進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定過(guò)程中，由于電致伸縮元件固有的遲滯現(xiàn)象而使得標(biāo)定曲線的去程和回程部分不能完全吻合，但相差數(shù)值很小且基本恒定，屬于正常現(xiàn)象，基本不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微進(jìn)給裝置電壓-位移曲線。由圖可以看出有無(wú)負(fù)載對(duì)曲線的形狀影響很小，在坐標(biāo)系中的位置稍有區(qū)別。這是由于電致伸縮傳感器內(nèi)部由許多晶體薄片粘結(jié)而成，各薄片間有間隙，再加上晶體本身的變形，導(dǎo)致有外力作用時(shí)，傳感器的電致伸縮量比無(wú)負(fù)載時(shí)稍小�？梢哉J(rèn)為裝置中的電致伸縮元件的性能良好，可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)微位移。 以上我們已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4。但是由于實(shí)驗(yàn)誤差的存在，測(cè)量數(shù)據(jù)必然也存在著誤差，又由于理想的電致伸縮傳感器電壓與位移的關(guān)系應(yīng)該是一條直線，因此設(shè)所求的直線方程為y=a1x+a2，用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得到a1、a2的表達(dá)式為
因此a1，a2是最佳擬合出直線的數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果求出的1=0.10，a2=-1.54。于是得到所擬合的直線方程為：y=0.10x-1.54。其中x為電壓值，y為位移值。 4 結(jié)語(yǔ)基于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的精密鏡面磨削必須穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)足夠小的加工去除單位的要求，研制了可靠性很好的帶測(cè)力功能微進(jìn)給工作臺(tái)，并用電感測(cè)微儀對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定。其垂直方向微進(jìn)給的分辨率可達(dá)0.01µm，這是由所使用的電感測(cè)微儀的分辨率決定的。在今后的工作中，如必要可對(duì)其進(jìn)行重新標(biāo)定，進(jìn)一步深入研究和完善本微進(jìn)給工作臺(tái)。
