基于压电超声振动的介观尺度对象精密加工进给系统基础理论与试验研究

Sometimes, the metal micro/meso constructin or parts take a part of vital role and be irreplaceble in some MEMS. Therefore, fabrication methods to them have been developed to be an important branch of micromanufacturing technology. A hybrid actuation method is proposed, which integrates piezoelectric ultrasonic vibration into precise screw transmission, and its key technology will be uncovered in this project. This method is hopeful to be universal for metal mesoscale machining process. Specific tasks include some aspects below. Modelling method to each division subsystem. Establish global mechatronic model of the feed system according to connectivity among subsystems and mechanics boundary conditions, and then decide decoupling control method. Study the inherent law between prepressure and mechanics behaviour of stator/rotor assembly. As for the meterials and constructions, the match type of materials will be disscussed, and then the parameters of structural elements will be considered in details, such as clearence, pitch, height/thickness of nut, rigidity/frequency of screw etc. Finally, some keys to working performance of the hybrid mechanism will be discovered. This project is prospective study and belongs to precise minature manufacturing system, aims to solve some fabrication problems for metal parts in MEMS.

在一些MEMS系统中，金属Micro/Meso结构和器件具有不可替代的特定作用，其加工制造方法是目前微制造技术的重要分支之一。本项目探讨一种可通用于金属介观尺度零件精密加工的基于压电超声振动和精密螺旋传动的混合直驱进给方法，研究其形成驱动、定位能力的机理和关键技术。具体工作包括：研究超声/螺纹混合驱动各个分立子系统的建模方法；根据子系统间的连接关系、力学条件建立介观加工进给系统的整体机电耦合模型，确定其解耦控制方法；研究预压力与定转子组件力学行为的规律，为确定混合驱动结构奠定基础；研究螺旋副材料因素和多结构因素（牙型间隙、螺距、螺母高度及壁厚、螺杆刚度及固有频率等）与直驱机构工作性能的内在规律，揭示能满足微细加工要求的最主要影响因素。项目属于精密微型制造技术方向的前瞻性研究，解决微小型系统金属承载结构件或有特定功能要求结构件的加工制造问题。

本项目探讨一种基于高频压电振动和精密螺旋传动相结合的混合直驱进给方法。设计了多种直驱进给机构，对其致动机理、摩擦界面模型、材料/结构参数影响等进行了较深入的理论分析和试验研究，并初步构造了一种面向金属介观尺度零件微细加工的进给微滑台，对其静动态特性以及驱动定位能力进行了仿真分析和实验测试。研究工作的重要结果和关键数据如下：.1、对比分析了两类六种结构的螺杆式压电作动器，结论是贴片换能式结构在力能指标上总体优于夹心换能式结构。前者2种样机输出推力分别在5N和11N左右，后者4种样机的平均输出推力仅有约2N左右，表明夹心换能作动器似乎不适用于有较大力能指标要求的微细加工场合。.2、设计制作了两种专用驱动控制单元，不仅适应压电换能的容性负载，而且满足调压、调频、调相的多项试验要求。可实现正弦波、方波、三角波等三种波形的PWM，信号相位差在0～360°可调，频率调整范围为0～128KHz，调节PWM波的占空比可改变驱动电压有效值，能满足螺杆式压电作动器开环驱动与闭环控制要求。.3、初步建立了一种定转子刚性接触的界面摩擦模型，可以计算摩擦驱动力，从而预估定子施加在螺杆转子上驱动力矩，并进行转子转速的模拟计算；同时，提出了一种定子螺纹副设计准则，以α=π-2arctan(1.3766R/L)作为牙型角的目标函数，可使驱动效率提高。.4、以带有指数型变幅杆的贴片式作动器为力源，构造了一种微滑台，在自研制的专用电控单元驱动下，不仅实现了微滑台的连续运动，而且滑台在三个方向上亦能承受一定的抗力。实测得到的各向最大抗力为：Fx=4.2N、Fy=2.8N、Fz=0.7N，最大空载速度约为2mm/s。.研究工作表明，贴片式作动器驱动能力整体优于夹心式，由其所构建的微滑台接近介观尺度零件微细加工场合对力能指标的要求；专用电控单元能够满足120V以下调压、超声频段调频要求，且实测证明能有效驱动作动器及微滑台，具备与作动器集成的条件。