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平面磨床帶測力功能微進(jìn)給工作臺的研制

時(shí)間:2011-05-29 15:27:11 來源:未知

1 引言

針對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，因此研制了可以測量徑向力的平面磨床微進(jìn)給工作臺。本微進(jìn)給工作臺主要由三部分組成：精密驅(qū)動電源、電致伸縮傳感器及微進(jìn)給機(jī)構(gòu)。其工作原理是：在外電場作用下，電致伸縮傳感器發(fā)生微小的伸縮，帶動微進(jìn)給工作臺實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。

2 微進(jìn)給工作臺的設(shè)計(jì)及其工作原理

圖1是微進(jìn)給工作臺的受力變形筋簡化圖。其受力狀態(tài)相當(dāng)于雙固定端梁中間受力時(shí)的情況。工作臺體共有四小段變形筋。在簡化原理圖中相當(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
fmax=Fl192EJ
(1) J=1bh32
(2)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為變形筋長度；h為變形筋厚度；b為變形筋寬度。

圖1 工作臺受力變形筋簡化示意圖
圖2 雙固定端梁變形彎矩圖
由于電致伸縮元件的伸長與受力范圍有限，所以在對變形筋的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要校核其在電致伸縮元件伸長到最大時(shí)，變形元件變形后對電致伸縮元件的反作用力與加工過程中作用于工件的磨削力之和應(yīng)不超過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，最大伸長量為15µm。考慮到一定的安全系數(shù)，在變形最大時(shí)的力不應(yīng)超過500N，因此可以按最大受力500N產(chǎn)生要求的位移來計(jì)算變形筋的尺寸。本微進(jìn)給工作臺的變形元件由4小段變形筋構(gòu)成。變形筋的長度應(yīng)適宜，長度過小會導(dǎo)致變形元件撓度增大時(shí)應(yīng)力增加得過快。參照微動裝置的尺寸大小，選定變形筋的長為10mm。變形筋的長度和寬度根據(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(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×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.上臺面 10.密封罩 11.夾具平臺
圖3 電致伸縮式微進(jìn)給工作臺示意圖
圖3是新設(shè)計(jì)的電致伸縮式微進(jìn)給工作臺。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程中受潮。因?yàn)殡娭律炜s傳感器在變形的時(shí)候基本沒有熱量產(chǎn)生，所以不存在散熱問題。 #p#分頁標(biāo)題#e#
在工作臺的裝配過程中，需要對電致伸縮傳感器加一定的預(yù)緊力，以免工作過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)。過大，則工作過程中傳感器受到的合力可能超過它的最大允許范圍而被壓壞，過小則難以實(shí)現(xiàn)完全消除空隙而影響重復(fù)精度。通過計(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，考慮工作過程中傳感器的狀態(tài)與受力，對其加以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)緊力的自動對心。工作過程中，電致伸縮傳感器在電壓的作用下伸長，推動上面的變形元件產(chǎn)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。
同理，在裝配過程中，對測力傳感器也要加一定的預(yù)緊力，以便使測力傳感器與變形筋同時(shí)運(yùn)動。傳感器的參數(shù)要求對其加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力傳感器加預(yù)緊力時(shí)應(yīng)注意順序。即應(yīng)先對測力傳感器加預(yù)緊力，否則測力傳感器上的預(yù)緊力會通過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)給工作臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：
  1. 彈性變形元件由整體材料制成，避免了零件間接觸面對剛度和動態(tài)特性的影響：
  2. 微動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：
  3. 通過鋼球?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：
  4. 可以在加工過程中在線測量磨削力：
  5. 尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

(a)有負(fù)荷(50N)
(b)無負(fù)荷圖4微進(jìn)給裝置電壓-位移曲線圖

3 微進(jìn)給工作臺的調(diào)試

本微進(jìn)給工作臺的標(biāo)定是靠電感測微儀實(shí)現(xiàn)的。標(biāo)定過程是在模擬磨削過程的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的。分別對有負(fù)載(50N)和無負(fù)載的情況進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定過程中，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?，F(xiàn)象，基本不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4為實(shí)驗(yàn)測得的微進(jìn)給裝置電壓-位移曲線。由圖可以看出有無負(fù)載對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

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力功能微進(jìn)給工作臺，并用電感測微儀對其進(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微儀的分辨率決定的。在今后的工作中，如必要可對其進(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。 #p#分頁標(biāo)題#e#