摘 要

Abstract 2

第1章 绪论 3

1.1 课题研究的目的和意义 3

1.2刀具微位移进给装置研究的国内外现状 4

1.3课题研究的主要内容 6

1.4本章小结 6

第2章 微进给刀架的总体设计 7

2.1微进给刀架的技术方案设计 7

2.3微进给刀架的工作原理 8

第3章 微进给驱动器的选型设计 9

3.1微进给驱动器的设计要求 9

3.2微进给驱动器的选型分析 10

3.3 音圈电机的选型 12

3.3.1音圈电机的简介 12

3.3.2音圈电机的原理 12

3.3.3 音圈电机的选择 13

第4章 微进给刀架的结构设计 14

4.1 柔性铰链的设计 14

4.2 微位移进给机构的参数设计 16

4.3预紧装置的设计 18

4.4本章小结 18

第5章 总结与展望 18

5.1全文总结 18

5.2进一步工作展望 19

摘 要

现如今，经济越来越发达，科技也在飞速发展。精密制造领域突飞猛进的发展，而精密的刀具微进给装置具有高效率、高精度等特点，所以它被广泛运用于先进的机械制造领域。

刀具微进给装置中，在音圈电机的带动下，柔性铰链被用为输出结构，具有高精度、高频响、结构紧凑、易于控制、无机械摩擦、双重预紧、较好的力的承载性等特点，是符合要求的刀具微进给装置。本设计说明书先说明了音圈电机的原理，讲述了柔性铰链的参数，之后计算出柔性铰链的参数，设计出了刀具微进给装置，设计的刀具微进给装置达到了老师要求的位移分辨率并且具有较大的微位移行程。

本文的研究对象为刀具微进给装置，微行程、微位移分辨率、承载力是设计其主要考虑的元素。通常的的刀具微进给装置是在压电陶瓷的控制下，而本文所采用的是音圈电机，具有更高的稳定性、更长的寿命等优点。

关键词：微进给, 柔性铰链,音圈电机

Design of piezoelectric precise micro-displacement feed mechanism

Abstract

Nowadays, more and more developed economy, science and technology is also developing rapidly. Precision manufacturing rapid development, and sophisticated tools micro-feed device having a high efficiency, high precision and other characteristics, so it is widely used in advanced machinery manufacturing.

Tool micro-feed device, driven by a voice coil motor, flexible hinge is used as an output structure, with high precision and high frequency, compact, easy to control, no mechanical friction, double pretensioners, force better bearing and other characteristics, is a tool to meet the requirements of micro feed device. The design specification to explain the principles of the voice coil motor, about the parameters of flexible hinge, after calculating the parameters of flexible hinge design a tool micro feed device design tools micro-feed means to achieve displacement distinguished teacher requirements rate and has a large micro displacement stroke.

Object of this study is the tool of micro feed device, micro-stroke, micro-displacement resolution, carrying capacity is the design of its main elements to consider. Normal tool micro-feed apparatus is under the control of a piezoelectric ceramic, and used in this paper is a voice coil motor, with higher stability, longer life and other advantages.

Keywords:Micro displacement , flexible hinge,Voice coil motor

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

随着人类社会的进步，科学技术的发展以及生活水平的提高，电子技术、宇航、生物工程等学科的发展越来越受到人们的关注，先进机器对位移分辨率要求愈来愈严格，人们需要先进机器和检验测试装备具有亚微米乃至纳米精度。

目前现有的刀具微进给装置在微行程，位移分辨率方面研究存在瓶颈，本文研究的主要目的是使刀具微进给装置在微进给精度，驱动，测量，装夹，导向等方面做出突破，设计出精度更高，承载更大，驱动装夹更完善的刀具微进给装置。

高精度刀具微进给装置是未来机床的重要组成部分，而刀具微进给结构是其中的重要功能部件，刀具微进给结构的好坏直接决定了机床的可靠性和加工效率。文中，刀具微进给结构的好坏的一个重要评价指标为刀具位移的定位精度。而刀具微行程、微位移分辨率、承载力等对刀具微进给装置影响至深。

人们对微进给这个项目不但在达到细小移动和力的传达上需要较高的分辩率，并且在体积以及表面积上也要求细微化，微位移技术主要运用于达到抵偿误差、调整精密和实现微位移进给，用此来确保所加零件的轮廓精度。它的成长是其余高科技领域能够成长的根本,英美日等国度均把这项技术归于科技成长规划开始着重开发设计。

刀具微位移进给装置是当代多种学科与科学依赖成长的根基，是微位移进给技术中占非常位置的的元素。在现代光纤对接、航空航天、机器人、集成电路制造、细胞操作、微电子工程、纳米技术等得到了较广泛的应用，对精密机械和仪器的精度及灵敏度要求越来越高。精度高的刀具微进给装置是在音圈电机的驱使下，把柔性铰链当做导轨，拥有方便调整、布局合理、无机器损耗、无副间隙等优点的理想状态的刀具微进给装置。

许多外国汽车公司和研究机构都在刀具进给装置领域进行了研究项目，其中日本开发出的比较早，也是处于领先的地位。例如，丰田公司推出的FINE-E概念车，普利司通推出了内置轮毂电机驱动系统，以及安装在雪佛兰S-10皮卡通用汽车公司成功开发汽车在。研究在我国相对较晚。

目前，刀具微进给装置驱动电动机被广泛运用音圈电机，音圈电机具有高功率密度，高效率，高可靠性，等优点，具有非常良好的转矩控制特性，而避免了对频繁的维护的缺点的必要性，随着高性能压电陶瓷材料的问世，性能逐步提高，而成本的不断降低，越来越广泛地应用在许多传统和特殊领域，如家电，情报信息，机械，汽车工业，精密机床行业和军工等制造领域中得到广泛应用，并且在显影阶段，所以音圈电机驱动器是非常适宜的。

虽然在一般的领域，音圈电机具有一个很大的优势，但是随着电机工业的发展，更多的优点被要求。例如电机温度过高将导致芯的损伤，永久的热稳定性和还原定子绕组绝缘的热损坏，据调查，音圈电机约35％是由于这些原因导致生命的减少或终止，严重的会造成诸多不利影响：造成绝缘损坏，保温效果损失;结果在永久磁铁的磁通密度降低;定子和转子的热膨胀，电机大小的变化，从而导致电动机的降低精度运行时，这些不利影响会影响电机性能，降低电机，这使得电机的研究电机发热，电动机的可靠性内部温度变得极其重要。

微位移进给装置的重要运用领域包含：精密与超精密的工件处理、测试度量、细胞学科、半导体零件的处理等。在超高精度的处理和测试度量，大批量集合成像电路的处理，以及高精度光学等许多当今世纪最顶尖的科学技术范围当中，当工程分辩率到达纳米级时，刀具微进给装置在微位移精度上就表现出了这一装置的亮点，对细胞科学技术和gdp成长造成重大改观。

1.2刀具微位移进给装置研究的国内外现状

音圈电机这种机械反应快、频率波带宽、致动力也比较其余的材质大，已经变成当代精密微位移进给装置开发范围中较为理想的材质。音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机。而压电陶瓷是一种拥有逆压电效应与压电效应的材质。压电效应，简单来说是指某些传播质在力的驱动下，能够发生外形的改变，能够使传播质外圈通电，这是正压电效应。相反的，当给予一种刺激电场时，传播质将产生外形的改变，称逆压电效应。这一奇特的效应通常被研究员们使用在与我们生活息息相关相关的很多学科当中，以达到机械能、电能等的转换。柔性铰链通过柔性这一特点的随意变换来转换能量和力，日前在高精密装置、光元装置的生产还有细胞学科等许多科学中的运用越来越多。柔性铰链的特点有：用来绕轴作较为有难度的移动的可数度角，无机械能损耗，无运动服间隙，高精度移动。人们用柔性铰链作为弹性导轨的的刀具微位移进给装置，拥有很高的位移分辩率、位移行程和承载力，运行良好、无机械能浪费、无运动服间隙和尺寸小等优点。

在高精度刀具微进装置的开发这一项目当中，英美日等工业发达国家仍旧还在处于各自的领先地位，开发出了运动位移为微米级，分辩率为纳米级，亚微米、微米级的先进刀具微进给装置。

电致、磁致等各种微动执行元素的泛起和成长，是微位移技术成长的源推动力。日前经常看到的微位移装置大多是通过柔性铰链、能量转换、力的转换以及cpu材质（磁致伸缩、电致伸缩）等来达到微位移行程。常见的主要形式用：（1）压电驱动的微进给机构；（2）磁致伸缩微进给机构；（3）弹性式微进给机构；（4）电磁铁驱动的微进给机构；（5）直线电机微进给机构；（6）电热式微进给机构。

英国，开发了尺寸较大、竖式超高精度机床的微型送料机构。压电陶瓷由螺钉支撑装置中，预张紧力的机构。当压电陶瓷上在u的驱动下拉伸时，工具的运动原件可以被推往前方推进，从而使微料可以达到理想位置。克兰菲尔德工厂的OAGM2500大型竖式超高精度机床是利用下图微量位移进给机构。

1压电陶瓷 2弹性弹簧 3差动电容测微仪 4金刚石刀具

图1.1英国的Cranfield公司的微进给装置

美国伯利公司开发出了一系列的微位移行程的为6mm〜220毫米，为1nm〜4nm的微位移分辩率，极限进料速率为15mm/秒的蠕变线性电动机，但因为其承载力较小，只能运用于细胞工程及大范围的集成电路等。

网络的发展 - 日本长崎微进给装置。在后固定在刀体上的支撑压电陶瓷是四个孔的形成和原始的薄部的变形的外侧，具有安装在所述平台和前三个接头开口的圆形孔工具可以使弹性变形。当压电陶瓷上在u的驱动下被拉伸时，前微进给运料装置可以被推动往前方运行。

1 压电陶瓷 2 刀架 3 微位移检测

图1.2日本网崎佑—研制的微位移进给装置

日本的DENS开发出采用压电陶瓷逆压电效应的管内探伤检测机器人，可以用于细小工业管道的自动检测工作。

1985年后，我们国家高等教育领先的学校与科研所也逐步从事这一项目的开发。国家“863”高新工程规划把细微型、微行程机器人和微控制器的研究归类到了第12主题“智能机器人”中。北京大学开发的电致微行程控制的多自由度的微行程处理实验台，采取的导轨，能够简单的画为一个在X轴方向、一个在Y轴方向微位移的多个平行四连杆装置。

然而，因为音圈电机这种材质具有蠕变、非线性等缺点，在现实的运动当中，这两点缺陷严重干扰到它的微行程精确程度；所以，非线性等缺点的干扰成为这一装置设计中的重中之重，我们应该对其进行理论的分析，达到减少非线性这一缺点，这样才能将它的微行程精度精密化、微位移分辨率精密化。

近些年来，不是圆形的数控车削和非轴对称车削的关键技术是车床上的拥有讯速反应的微位移装置。在进行车削的处理中，主运动轴驱动零件运动，刀具在快速刀具伺服装置的致使下做往复运动，加工出工件的外轮廓。