平面磨床帶測力功能微進給工作臺的研制

針對硬脆材料鏡面磨削機理，要想獲得硬脆材料的超光滑磨削加工表面，必須實現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給工作臺。本微進給工作臺主要由三部分組成：精密驅動電源、電致伸縮傳感器及微進給機構。其工作原理是：在外電場作用下，電致伸縮傳感器發生微小的伸縮，帶動微進給工作臺實現微量進給。
2 微進給工作臺的設計及其工作原理
圖1是微進給工作臺的受力變形筋簡化圖。其受力狀態相當于雙固定端梁中間受力時的情況。工作臺體共有四小段變形筋。在簡化原理圖中相當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使變形筋產生微量形變，從而使微進給工作臺面作高精度的微小進給。由圖2可知，梁在中央處的撓度**，為 fmax= Fl

192EJ
(1)
J= 1 bh3

2
(2)
式中，fmax為變形筋的**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行設計時要校核其在電致伸縮元件伸長到**時，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不超過該元件所能承受的**壓力，并有一定的**系數。現在使用的美國AVX公司的C060210A型電致伸縮傳感器受壓時，允許的**力為750N，**伸長量為15µm。考慮到一定的**系數，在變形**時的力不應超過500N，因此可以按**受力500N產生要求的位移來計算變形筋的尺寸。本微進給工作臺的變形元件由4小段變形筋構成。變形筋的長度應適宜，長度過小會導致變形元件撓度增大時應力增加得過快。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微量進給機構的大小確定后，可根據希望產生的撓度f(即位移量)計算出變形筋的厚度 (含一定的**系數)。電致伸縮元件的參數fmax為15µm，Fmax為750N，根據式(1)、 (2)，計算后確定變形筋長×寬×高為10mm×5mm×1mm，此時變形筋的變形抗力為252N。即變形筋每產生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境下，在雙行程**進給為3µm時磨削力小于50N。對電致伸縮傳感器所加的預緊力也只有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 電致伸縮式微進給工作臺示意圖
圖3是新設計的電致伸縮式微進給工作臺。該裝置的本體和彈性變形元件以及進給部分是一整體結構。裝置外面是密封的，防止電致伸縮元件在磨削過程中受潮。因為電致伸縮傳感器在變形的時候基本沒有熱量產生，所以不存在散熱問題。
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緊力，以免工作過程中各接觸面間的接觸剛度影響微進給的重復精度。本裝置在電致伸縮傳感器后端采用一個預緊螺釘調節預緊力，方便可靠。預緊力的大小要適當。過大，則工作過程中傳感器受到的合力可能超過它的**允許范圍而被壓壞，過小則難以實現完全消除空隙而影響重復精度。通過計算表明，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**壓力為750N，考慮工作過程中傳感器的狀態與受力，對其加以100N的預緊力。加載完成后用鎖緊螺母將預緊螺釘鎖死。為避免傳感器兩端受力不平行，在末端用一個鋼球可以達到預緊力的自動對心。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生彈性變形，實現微量進給。
同理，在裝配過程中，對測力傳感器也要加一定的預緊力，以便使測力傳感器與變形筋同時運動。傳感器的參數要求對其加20N的預緊力。先調節4個螺釘中的一個，使傳感器受力為5N，然后調節該螺釘對角線位置的螺釘，使傳感器受力為10N，再調節第三個螺釘，使傳感器受力為15N，再調節**一個螺釘使傳感器受力為20N，則每個螺釘受力均為5N。在給電致伸縮傳感器和測力傳感器加預緊力時應注意順序。即應先對測力傳感器加預緊力，否則測力傳感器上的預緊力會通過4個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緊力。
本微進給工作臺的結構特點有：
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特性的影響：
微動靠變形筋彈性變形實現，變形量很小時不存在塑性變形，保證了重復精度：
通過鋼球對電致伸縮元件加預緊力，避免了預緊力方向的偏斜且調節方便可靠：
可以在加工過程中在線測量磨削力：
尺寸小，結構簡單，使用方便。

(a)有負荷(50N)
(b)無負荷
圖4微進給裝置電壓-位移曲線圖
3 微進給工作臺的調試
本微進給工作臺的標定是靠電感測微儀實現的。標定過程是在模擬磨削過程的實驗條件下進行的。分別對有負載(50N)和無負載的情況進行標定。在標定過程中，由于電致伸縮元件固有的遲滯現象而使得標定曲線的去程和回程部分不能完全吻合，但相差數值很小且基本恒定，屬于正常現象，基本不影響實驗結果。圖4為實驗測得的微進給裝置電壓-位移曲線。由圖可以看出有無負載對曲線的形狀影響很小，在坐標系中的位置稍有區別。這是由于電致伸縮傳感器內部由許多晶體薄片粘結而成，各薄片間有間隙，再加上晶體本身的變形，導致有外力作用時，傳感器的電致伸縮量比無負載時稍小。可以認為裝置中的電致伸縮元件的性能良好，可以穩定地實現微位移。
以上我們已經得到了實驗數據曲線如圖4。但是由于實驗誤差的存在，測量數據必然也存在著誤差，又由于理想的電致伸縮傳感器電壓與位移的關系應該是一條直線，因此設所求的直線方程為y=a1x+a2，用*小二乘法進行直線擬合得到a1、a2的表達式為

因此a1，a2是*佳擬合出直線的數據參數，根據本實驗結果求出的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。