一种机床用精密Y轴位移调节台

技术领域

本发明属于精密运动技术领域，更具体地，涉及一种机床用精密Y轴位移调节台

背景技术

传统的进给机构包括旋转/直线电磁电机、丝杆、联轴器、导轨、工作台等。当传统机构应用于多轴运动控制时，每个轴上的一个工作台堆叠在其他运动机构上，造成结构复杂。因此，很难实现一个简单而刚性的进给系统。目前，我国机床还有很多三轴机床，而三轴机床会存在装夹复杂、加工干涉等问题。

因此，需要开发一种结构更为简单，使用更为方便的新型的进给机构。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种机床用精密Y轴位移调节台，利用压电陶瓷并结合具体而巧妙的结构设计，还结合独有的控制单元，提供一套能用于数控机床Y轴精密调节的调节台以及工作方法，其结构简单，控制精度高，方便装夹，进给方便。

为实现上述目的，本发明提供了一种机床用精密Y轴位移调节台，其包括压电驱动器和位移平台，其中，压电驱动器包括多组驱动压电陶瓷组和多组预紧压电陶瓷组，多组驱动压电陶瓷组和多组预紧压电陶瓷组均对称设置在位移平台的两侧并与位移平台的侧壁相抵接，多组预紧压电陶瓷组均抵接于位移平台侧壁的中央处，位于位移平台同一侧的多组驱动压电陶瓷组平均分别设置在同侧的预紧压电陶瓷组上、下两侧。

每组预紧压电陶瓷组整体呈直线状，直线的端部抵接位移平台的侧壁，每组驱动压电陶瓷组整体呈直角状，包括第一驱动组和与第一驱动组相互连接呈直角状的第二驱动组，每组驱动压电陶瓷组的直角部抵接位移平台，

位移平台包括基座，设置在基座上的导轨以及与导轨滑动连接的安装平台，安装平台用于安装外界需要进行位移微调的对象。

进一步的，每组驱动压电陶瓷组和每组预紧压电陶瓷组均包括压电陶瓷叠堆单元，每个压电陶瓷叠堆单元包括至少两块相互叠加的压电陶瓷，压电陶瓷叠堆单元的一端连接外界的安装底座，通过安装底座将每组驱动压电陶瓷组和每组预紧压电陶瓷组安装在固定位置，压电陶瓷叠堆单元的另一端设置有连接块，连接块上设置有接触块，连接块用于将多块压电陶瓷连接为整体，接触块用于抵接位移平台，作为力的作用点。

进一步的，在预紧陶压电陶瓷组的上下两侧分别设置有数量相同的驱动压电陶瓷组。

进一步的，第一驱动组的压电陶瓷叠堆单元内部的压电陶瓷极化方向水平于机床的工作台面，第二驱动组的压电陶瓷叠堆单元内部的压电陶瓷极化方向垂直于机床工作台面，第一驱动组的压电陶瓷叠堆单元介电常数小于第二驱动组的压电陶瓷叠堆单元。

进一步的，施加在第一驱动组和第二驱动组的压电陶瓷叠堆单元电信号相位差为90°，以能够在接触块形成椭圆运动，且椭圆长轴平行于机床的工作台面，预紧压电陶瓷组通过压电陶瓷的形变，完成位移台的固定。

进一步的，其还包括信号控制模块和高度检测模块，信号控制模块同时连接多组驱动压电陶瓷组和多组预紧压电陶瓷组，以用于提供驱动电压信号，信号控制模块能够自发生成不同路且相互独立的电信号，并且每路信号的频率、相位单独可调，高度检测模块用于对位移平台的绝对高度和瞬时速度进行测量，并将数据反馈到信号控制模块，实现闭环调节。

进一步的，所述信号控制模块包括PID控制子模块、信号发生器、功率放大器，其中，PID控制子模块结合信号发生器针对所需的指令发出不同的电信号，包括频率、相位、方向、功率的参数，功率放大器用于将电信号增益放大，并对信号进行整形，以保证信号的稳定性，使其能够驱动压电陶瓷产生对应的形变，PID控制子模块还能用于综合电信号和高度检测模块反馈的信号，对实时位移进行补偿。

进一步的，高度检测模块用于对位移平台的绝对高度和瞬时速度进行测量，并将数据反馈到PID控制子模块，通过与用户输入参数进行对比并在下一个时间段对位移进行误差补偿，保证运动的精准度，最终实现闭环控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明设计精密机床用微位移运动平台，能够实现Y轴位移调控，有效避免刀具干涉、减少装夹次数、提高加工质量和效率、缩短生产周期。同时，微米级位移运动台对于精密制造、精密测量等领域有着至关重要的作用。

本发明所设计的超精密Y轴位移调节台利用压电陶瓷的逆压电效应，通过在压电陶瓷两端施加电场，能够使压电陶瓷产生形变，并且其应力大、响应快、形变量能够通过电场精准控制，压电陶瓷运动精度可达微米甚至亚微米精度，具有较高分辨率(位移控制精度小于0.01μm)、结构简单、控制自由度高、负载大(约为3.9kN/cm

附图说明

图1为本发明实施例超精密Y轴位移调节台的系统框图；

图2为本发明实施例超精密Y轴位移调节台的结构示意图；

图3为本发明实施例位移驱动器的结构示意图；

图4a为本发明实施例驱动压电陶瓷组的安装示意图；

图4b为本发明实施例驱动压电陶瓷组的工作原理图；

图5为本发明实施例预紧压电陶瓷组的安装示意图以及对应的工作原理图；

图6为本发明实施例位移平台结构示意图；

图7为本发明实施例三种压电叠堆单元随时间的位移形变曲线；

图8为本发明实施例椭圆压电陶瓷的工作状态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明设计了一种超精密Y轴位移调节台，能够在超精密加工前或加工过程中对刀具高度进行调节，实现对刀便捷以及加工更加复杂的自由曲面及功能微结构的功能。本发明的一种超精密Y轴位移调节台包括：位移驱动器、位移平台、信号控制系统和高度检测模块四大部分组成。所述超精密Y轴位移调节台，主要基于压电陶瓷的逆压电效应，通过在压电陶瓷两端施加一定频率的交变电压，压电陶瓷会产生相对应的形变，进而作为安装平台的预紧与驱动模块，实现安装平台的移动。在不同组压电陶瓷之间施加不同相位的信号，使不同组压电陶瓷产生不同的形变，通过对施加电压的控制，实现位移台的精准调控，最小分辨率达到微米甚至亚微米级别，并且此发明控制简单，响应时间短，工作稳定

图1为本发明实施例超精密Y轴位移调节台的系统框图，由图可知，该调节台包括：压电驱动器A、位移平台B、信号控制模块C和高度检测模块D。图2为本发明实施例超精密Y轴位移调节台的结构示意图，由图可知，压电驱动器A包括驱动压电陶瓷组A1和预紧压电陶瓷组A2，驱动压电陶瓷组由两个压电陶瓷叠堆单元相交成90度的直角状，具体地，每组压电陶瓷单元由两块压电陶瓷和一个接触块组成。其中，所述压电驱动器包括驱动压电陶瓷组、预紧压电陶瓷组，驱动压电陶瓷组由两个压电陶瓷叠堆单元组成，预紧压电陶瓷组由一个压电陶瓷叠堆单元组成。多组驱动压电陶瓷组和多组预紧压电陶瓷组均对称设置在位移平台的两侧并与位移平台的侧壁相抵接，多组预紧压电陶瓷组均抵接于位移平台侧壁的中央处，位于位移平台同一侧的多组驱动压电陶瓷组平均分别设置在同侧的预紧压电陶瓷组上、下两侧，每组预紧压电陶瓷组整体呈直线状，直线的端部抵接位移平台的侧壁，每组驱动压电陶瓷组整体呈直角状，包括第一驱动组和与第一驱动组相互连接呈直角状的第二驱动组，每组驱动压电陶瓷组的直角部抵接位移平台，压电陶瓷叠堆单元是利用压电陶瓷的逆压电效应，能够将电信号转换成形变。所述位移平台主要由安装平台B1、导轨 B2组成。所述安装平台为压电驱动器的力施加点，同时安装平台用于安装刀具及辅助加工装备。所述导轨，用来约束位移台自由度，使其只能沿着Y轴运动。所述信号控制模块，包括PID控制子模块、信号发生器、功率放大器。其中PID 控制子模块能够结合信号发生器针对所需的指令发出不同的电信号，包括频率、相位、方向、功率等必要信号参数。功率放大器将上述电信号增益放大，增益效果可调，并对信号进行整形，保证信号的稳定性。此外，PID控制子模块能对传感器的信号进行整合，实现位移误差的补偿。信号控制模块用于给驱动压电陶瓷组和预紧压电陶瓷组输入电信号，以控制各自的压电陶瓷发生收缩或者扩张。

本发明的信号控制模块能够自发生成不同路且相互独立的电信号，并且每路信号的频率、相位单独可调。PID控制子模块可综合生成的电信号和收到的反馈的信号，对实时位移进行补偿，具体而言为瞬时增益/削弱生成的电信号，保证高度调节的精准度。功率放大器能够对生成的电信号进行调节，使其能够驱动压电陶瓷产生对应的形变。

本发明的高度检测模块用于对位移平台的绝对高度和瞬时速度进行测量，并将数据反馈到信号控制模块，实现闭环调节，保证机床用精密Y轴位移调节台运行过程中的调节精度。具体的，通过检测位移平台的绝对高度，并在一定时间内反应位移平台的瞬时速度，高度检测单元将信号传递到PID控制子模块，通过与用户输入参数进行对比并在下一个时间段对位移进行误差补偿，保证运动的精准度，最终实现闭环控制。

图3为本发明实施例位移驱动器的结构示意图，图4a为本发明实施例驱动压电陶瓷组的安装示意图，图4b为本发明实施例驱动压电陶瓷组的工作原理图，结合该三幅图可知，水平放置的压电陶瓷叠堆单元内部的压电陶瓷极化方向水平于工作台面，垂直放置的压电陶瓷叠堆单元内部的压电陶瓷极化方向垂直于工作台面，进一步地，水平放置的压电陶瓷叠堆单元介电常数小于垂直放置的压电陶瓷叠堆单元。更近一步地，施加在两组压电陶瓷叠堆单元电信号相位差为90°，能够在接触块形成椭圆运动，且其中椭圆长轴垂直于工作台面，椭圆短轴平行于工作台面。也即，驱动压电陶瓷组在相互垂直的两个压电陶瓷叠堆单元的共同作用下，进行周期性椭圆振动。预紧压电陶瓷组通过压电陶瓷的形变，完成位移台的固定。结合看，驱动压电陶瓷组和预紧压电陶瓷组通过一定的相位差完成位移台的移动与固定。所述接触块在椭圆长轴接触点时，与安装平台接触，带动安装平台的上下运动。采用叠堆式压电陶瓷作为驱动器，具有零摩擦、无需润滑、分辨率极高、响应速度快、结构紧凑、较大的输出力、无噪声等优点。所述压电驱动器主要利用了压电陶瓷的逆压电效应，给压电陶瓷两端输入一定的控制电压，压电陶瓷即会产生一定的输出位移。对于逆压电效应而言，如果输出电压能够控制得十分准确，则压电陶瓷就会产生微米甚至亚微米的位移量，保证了Y轴位移调节台的准确可靠性。

更具体的，在本发明的一个实施例中，第一安装螺栓A101用于固定驱动压电陶瓷组，第一安装底座A102用于安装驱动压电陶瓷组，驱动压电陶瓷组的第一驱动组和第二驱动组均包括第一压电陶瓷A103和第二压电陶瓷A104。第一连接块A105用于将第一驱动组和第二驱动组连接为一体，在第一连接块 A105的端部设置有第一接触块A106，第一接触块A106用于与位移平台相抵接。实际上，本发明申请不局限于采用两个压电陶瓷相互叠堆，也可能三个或者更多的压电陶瓷叠堆，互相垂直的第一驱动组和第二驱动组在第一连接块A105处形成椭圆轨迹。压电陶瓷为PZT-8锆钛酸铅压电陶瓷，密度与40Cr13 相近，输出功率高，进行厚度方向极化，工作在d

工作时，由于位移平台为了减少不必要的摩擦力，其不与压电陶瓷平面直接接触，故每次椭圆振动只有约四分之一对位移台进行预紧驱动，因此设置四组驱动压电陶瓷组交替运动，使预紧力不存在为“0”的状态，有效解决了Y 轴运动过程中位移平台自身重力对位移精度的影响。

图5为本发明实施例预紧压电陶瓷组的安装示意图以及对应的工作原理图，由图可知，其具体包括第二安装螺栓A201，第二安装底座A202，第三压电陶瓷A203，第四压电陶瓷A204，第二连接块A205和第二接触块A206。第二安装螺栓A201用于固定预紧压电陶瓷组，第二安装底座A202用于将预紧压电陶瓷组安装在机床的对应位置或者对应的安装底座上，第三压电陶瓷A203和第四压电陶瓷A204相互叠加形成堆叠单元，在第四压电陶瓷A204端部设置有第二连接块A205，第二连接块将堆叠单连接为一体，在第二连接块A205的端部设置有第二接触块A206，第二接触块A206用于与位移平台相抵接。

图6为本发明实施例位移平台结构示意图，有图可知，所述位移平台包括安装平台B1和导轨B2。安装平台是压电陶瓷作用点，压电陶瓷产生的应力作用在安装平台上，使得安装平台可在Y轴方向上下运动。进一步地，所述安装平台开有均匀的螺纹孔，能够连接超精密所需的刀具、装备等，极大增强了位移台的泛用性。所述导轨，能够限制安装平台的运动路径，保证刀具安装平台的垂直度。安装平台台与预紧压电陶瓷的相互作用，保证对象在机床运行过程中的刚度，能提供超精密加工必要的工作环境。所述导轨为了限制Y向旋转自由度，能够使得位移台按照所设计的轨迹进行运动。

图7为本发明实施例三种压电叠堆单元随时间的位移形变曲线，图8为本发明实施例椭圆压电陶瓷的工作状态图，结合两图可知，每组驱动压电陶瓷组整体呈直角状，组成“L”型，包括第一驱动组和与第一驱动组相互连接呈直角状的第二驱动组，每组驱动压电陶瓷组相位差为90°。在本发明的一个实施例中，一共具有八组驱动压电陶瓷组，八组驱动压电陶瓷组两两一对，一共具有四对，同一对驱动压电陶瓷组在位移平台的一侧，还具有四组预紧压电陶瓷组，四组预紧压电陶瓷组两两一对，一共两对，两对预紧压电陶瓷组分别设置在位移平台的左右两侧，四对驱动压电陶瓷组平均设置在位移平台的左右两侧，并且位于位移平台同一侧的两对驱动压电陶瓷组分别位于该侧的预紧压电陶瓷组的上下两侧。譬如以预紧压电陶瓷组为中心将四对驱动压电陶瓷分别称呼为：左上对，右上对，左下对和右下对。将左上对外侧的驱动压电陶瓷和右上对外侧的驱动压电陶瓷组成陶瓷1，陶瓷1中的驱动压电陶瓷分别位于位移平台的两侧，将左上对里侧的驱动压电陶瓷和右上对里侧的驱动压电陶瓷组成陶瓷2，陶瓷2中的驱动压电陶瓷组分别位于位移平台的两侧，同理，将左下对外侧的驱动压电陶瓷和右下对外侧的驱动压电陶瓷组成陶瓷3，陶瓷3中的驱动压电陶瓷组分别位于位移平台的两侧，将左下对里侧的驱动压电陶瓷和右下对里侧的驱动压电陶瓷组成陶瓷4，陶瓷4中的驱动压电陶瓷组分别位于位移平台的两侧。

结合图4b和图7可知，形成椭圆振动的原理具体如下：(只针对一个“L”形的驱动压电陶瓷组进行介绍，其他组的“L”形的驱动压电陶瓷工作原理与其相似)：比如，首先建立坐标系，以第一连接块A105为坐标圆心，水平方向为x 轴，竖直方向为y轴，由于x、y相差90°，则在坐标系内第一连接块A105的坐标可以表示为：

通过对轨迹的合成，即X

通过改变上述相互垂直的压电陶瓷叠堆两端施加的电压，可以改变X方向和Y方向的位移，即可控制标准圆变成椭圆。其次，为了使得椭圆驱动力应用效率更高，使得椭圆呈“站立”状态，即长轴在竖直方向，短轴在水平方向。具体而言，即椭圆右边与位移平台B接触的四分之一为工作状态。同时，每对驱动压电陶瓷组的控制方法一样。四组驱动压电陶瓷的椭圆轨迹都是一样的，只是相位差不一样。具体而言，四组预紧驱动压电陶瓷组存在90°的相位差，这样四组预紧驱动压电陶瓷就能相互交替进行驱动。在每个周期内有四分之一的时间驱动位移台上下运动，当位移平台运动到设定位置后，预紧压电陶瓷组将运动平台锁死，保证了工作区域的稳定。图8表示的椭圆轨迹为一个周期，在这个周期内，四对驱动压电陶瓷在同一个时间点所处的位置不同，则四对驱动压电陶瓷组会交替驱动位移平台上/下移动。

本发明中，压电陶瓷通过接触块支撑位移平台，四组驱动压电陶瓷组以一定的相对位移重复支撑和进给。特别地，为了减少摩擦力，位移平台不能完全紧贴驱动压电陶瓷组，每组驱动压电陶瓷组相位差为90°，组成“L”型，四组驱动压电陶瓷组交替进给，本次驱动方向为Y轴方向，与绝大多数位移平台不同，需要在驱动力弱化时间点增加预紧应力。预紧压电陶瓷组利用压电陶瓷的逆压电效应，通过施加电场使压电陶瓷产生形变。所述压电陶瓷为轴向极化，在给定特性电场的作用下，能够实现对装置的预紧力调控。压电陶瓷具有分辨率高、体积小、输出力大、频响高、不发热和响应速度快等优点，是微位移驱动器的首选驱动元件。在工作时保证安装平台的稳定性，提升装置性能。本发明中，位移平台包括的安装平台设有接触块的力接触点，能够安装不同的刀具和辅助加工模块。导轨能够控制安装平台运动方向。由于压电陶瓷驱动位移平台运动并不需要更多的导轨，只在对应方向上的运动进行约束，减少了不必要的摩擦。

本发明中，PID控制子模块能够根据用户所需要的运动参数，如速度、位移等，给与相应压电陶瓷不同的电信号，使各组压电陶瓷能够以规定好的方式运动，完成对应的功能。通过检测获得的位移平台绝对高度及速度判断高度调节的准确性，并对误差进行补偿，最终实现PID闭环控制策略。工作时，控制电压u

其中：e(k)为第k次采样的偏差，k＝0，1，2，3，……，K

本发明的信号发生器，能够接受不同的电信号，使得不同组的压电陶瓷按照设定的轨迹运动。功率放大器，能够对集成控制输出的电信号进行增益，且增益相对稳定，放大后的信号质量较好，使压电陶瓷应变均匀。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。