超精密微位移进给系统方案设计
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摘 要
随着科学的进步，机电设备的机械加工精度已要求纳米级精度。由于传动系
统和控制系统的精度和分辨率原因，通常的机床结构及其控制系统往往难以达到
本文结合机床行业需求，设计了以压电元件为驱动器、以柔性铰链为导向支承机
构、以虚拟仪器为核心的闭环控制系统构建而成的高刚度、高精度微进给系统。该
系统与机床原有横向进给系统相结合，实现粗精两级进给，将大大提高机床进给
系统的精度。
本文采用最新最先进的技术来构建高质量的微位移进给系统，它主要包括三
部分：驱动器、导向机构和控制系统。驱动器采用性能最好、控制最容易实现、目前
研究最成熟的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器已经在现实中被证明了的最好的
微驱动器；导向机构，采用最新的柔性铰链技术来设计，它具有传动环节小、无
摩擦、刚性好、可以重复性使用，目前已经运用航天仪器中，是研究的一个热点。
在设计柔性铰链导向机构中，采用能量法和材料力学方法等两种理论进行设计，
并运用有限元方法对其进行校核，有效保证了本文所设计的柔性铰链导向机构是
可以满足切削要求的；控制系统采用闭环控制，可以更好实现高精度进给。
精密加工技术是国家重点资助的研究领域，而高质量的微进给系统是实现精
密加工的关键。本文紧密结合工程实际应用，以精密机床为对象，拟在进一步提
高机床加工精度，其研究具有重要的理论价值和实用意义。
关键词：微进给 虚拟仪器 压电陶瓷 柔性铰链 控制系统
ABSTRACT
With the development of scientific, the machining accuracy of the electro -
mechanical equipment has already required the precision of micrometer, even
nanometer. Because of the precision of the transmission and controller, the common
machine tools have not the ability to reach that accuracy. A micro-feed system with
piezoelectric element is presented for precision machine tool to meet the requirement of
the industry in this paper. The compact design features the use of solid flexures to
transmit motion from a piezo stack actuator. A close-loop control system is implemented
which uses virtual instrument as the central processor. High precision positioning over a
large workspace is a fundamental feature of a precision machine. Conecting coarse
(large stroke) and fine (high resolution) drive stages, in series, to form a dual-stage feed
drive system can develop the performance of the traditional machine tools.
The micro-feed system in this paper consists of three parts: drive, guide unit and
control system. Piezoelectric element is chosed as the activator, which is the most
advanced, responsible and easy autocontrol in micro-feed drive field. Secondly, a
flexure-hinge-based guide unit is designed, which is turned out to be effective in
engineering, and energy, mechanics analytical methods and finite element models of the
flexures are presented. Last but not least,based on the virtual instrument technology, a
close-loop control system is designed, which can make the system a higher precision
feeding. So based on the above parts, the micro-feed sytem can meet the requirement of
extrusion cutting.
Precision machining technology is a research field mainly sponsored by the
country, and micro-positioning system with high performance is the key to realize
precision machining. Closely related with the practical problems in engineering, this
dissertation deals with positioning worktable for precision machine tool in order to
improve machining accuracy. It is highly worth of researching and has real engineering
value.
Key Word: Micro-feed, Virtual instrument, Piezoelectric element,
Flexure hinge, Control system
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
§1.1 课题研究的背景与意义..........................................1
§1.2 微进给技术研究现状............................................1
§1.3 压电驱动微进给研究现状........................................4
§1.4 本文主要研究内容..............................................7
§1.5 本文结构......................................................8
第二章 微进给系统方案设计...........................................10
§2.1 系统需求分析.................................................10
§2.2 微进给系统概述...............................................11
§2.3 微进给系统方案设计...........................................11
§2.3.1 驱动器方案分析
..........................................12
§2.3.2 导向机构方案分析
........................................13
§2.3.3 控制系统方案分析
........................................16
§2.3.4 位移传感器方案分析
......................................18
§2.4 微位移进给系统总体设计.......................................20
§2.5 本章小结.....................................................21
第三章 压电陶瓷驱动器的理论研究.....................................22
§3.1 压电驱动器概述...............................................22
§3.1.1 压电陶瓷
................................................22
§3.1.2 逆压电与电致伸缩效应
....................................22
§3.2 压电陶瓷特性研究.............................................23
§3.3 压电陶瓷驱动器的选取.........................................27
§3.4 本章小结.....................................................28
第四章 导向机构设计及有限元校核.....................................29
§4.1 柔性铰链的发展现状...........................................29
§4.2 柔性铰链的模型确定...........................................29
§4.3 柔性铰链机构设计.............................................31
§4.3.1 直圆形柔性铰链受力变形分析
..............................31
§4.3.2 利用能量法设计双柔性导向机构
............................33
§4.3.3 利用材料力学的方法设计双柔性导向机构
....................36
§4.4 有限元校核...................................................38
§4.4.1 模型建立
................................................38
§4.4.2 静态特性
................................................38
§4.4.3 模态分析
................................................40
§4.5 柔性铰链工作特性.............................................41
§4.6 铰链设计图纸.................................................42
§4.7 柔性铰链加工.................................................44
§4.8 本章小结.....................................................45
第五章 控制系统设计与研究...........................................46
§5.1 控制系统总体结构.............................................46
§5.2 虚拟仪器技术.................................................47
§5.2.1 虚拟仪器的概述
..........................................47
§5.2.2 LabVIEW 简介
............................................48
§5.3 控制系统设计.................................................49
§5.3.1 控制系统硬件配置
........................................49
§5.3.2 闭环控制系统设计
........................................50
§5.3.3 虚拟仪器设计
............................................54
§5.4 本章小结.....................................................56
第六章 总结与展望...................................................57
§6.1 全文总结.....................................................57
§6.2 工作展望.....................................................57
参考文献............................................................59
第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 课题研究的背景与意义
目前，实现精密加工和超精密加工[9,12，13]的方法主要有：超精密切削，如超
精密金刚石刀具镜面车削、镗削和铣削等；超精密磨削、研磨和抛光；超精密微细
加工(电子束、离子束、激光束加工以及硅微器件的加工技术等)。目前世界上对超精
密加工和测量领域达到的技术水平如下：加工精度为0.025 ，表面粗糙度为
Ra0. 0045 ，己经进入了纳米加工精度时代。在测量技术方面，对小位移的测量
电容式测量头的分辨率可做到0.5 (量程15 )和0.1 (量程5 )，线形度误
差小于0.1%，激光干涉仪的分辨率可达到0. 05 (量程30 )。因此，测量方面
基本上满足了纳米加工的技术要求。
采用非传统加工方法虽然有时可以得到较高的加工精度和表面粗糙度要求，
但由于受到使用条件和加工成本等因素的影响，使其应用受倒很大局限。如何提
高基于传统加工方法加工精度和表面粗糙度，是目前机床行业发展急切关心的问
题。目前数控精密车床普遍只能达到1的进给分辨率，数控精密内/外圆磨床等
装备加工的圆度和圆柱度精度为2~5 ，远不能满足精度加工要求。再要提高机
床的加工精度，可以通过改进机床控制系统、提高机床材料性能和采用复杂的机
械机构等来实现。但是复杂的机械机构设计、加工以及控制系统价格将大大提高机
床的成本和开发难度。
为了改变这种状况，国外率先提出采用微进给的方法来改进和提高机床的进
给精度，为提高机床加工精度提供了新的思路和方法。微进给技术是精密加工和
超精密加工的关键技术之一。近年来受到各个国家利研机构的关注，得到迅速发
展。微进给技术的研究不仅关系到超精密机床研制，而且是精密机械、微电子、生
物工程等多种学科赖以发展的基础。随着微电子技术向大规模集成电路（LSI)和超
大规模集成电路(VLSI )方向发展，线条越来越细化，16KM动态RAM线宽己缩小
到0.07 左右，对于相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、
电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位
精度为线宽的1/3~1/5。即亚微米甚至纳米级的精度。可见，开展微进给系统及其控
制方法的研究具有重要意义。
§1.2 微进给技术研究现状
所谓微进给技术[1]，指的是具有行程小、灵敏度和精度高等特点的机械加工
技术。它是精密机构与精密仪器的关键技术之一。微进给既是重要的进给元件，也
1
超精密微位移进给系统方案设计
是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键元件。一般认为进给量在毫米以下的
机构称为微进给机构[4,13]。随着压电、电致、磁致及静电等微动执行元件的出现和
发展，极大地推动了微进给技术的发展。目前常见的微进给机构一般是利用弹性
变形、直线电机、机械传动、电磁力和智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩)等
实现微进给。
1) 弹性式微进给机构
弹性式微进给的工作原理是利用传动弹簧与平行板弹簧的刚度差，将输出位
移相对于输入位移的大幅度缩小后作为输出，以提高输出位移的分辨率。进给范
围为几十微米至十几纳米。弹性式微进给的输出位移相对于输入位移是唯一确定
的，不受初始条件的影响，故可获得稳定的高分辨率和运动精度。而且，由于传
动弹簧的刚度远小于平行板弹簧的刚度，因此该机构可以获得缩小比很大的输出
位移。但是，由于实现方式为机械手动式，难于实现自动化。
2)直线电机微进给
直线电机具有任意的调节行程，几十纳米的位移分辨率，所产生的力小于
1000N。采用直线电机的进给驱动系统，快速进给可以达到 76m/min，进给加速度
可达到 9.8m/s² 以上。直线电机传动的突出优点是响应快，可得到高的瞬时加、减
速度。其驱动的进给系统不需要用机械辅助的方法把旋转运动变为直线运动，因
而简化了系统的结构，从而避免了由于中间环节的弹性变形、间隙、磨损和发热等
因素带来的运动误差。直线电机存在的主要问题是成本较高；发热比较严重；控
制系统比较复杂和隔磁防磁问题，控制系统中的各种放大器，可能受到环境的干
扰，从而降低加工精度，在运行过程中绕组线圈产生的热将大大影响到系统的性
能。
3)电热式微进给机构
电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简单，操
作方便。但由于传动杆与周围介质之间有热交换，从而影响位移精度。由于热惯性
的存在，不适于高速位移。
4) 磁致伸缩微进给机构
磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现
微位移的。但铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长
其应用受到了限制。
2
第一章 绪 论
5) 记忆合金微进给机构
所谓形状记忆合金效应是指材料会记忆它在高温相状态下的形伏。即它在低
温相状态下不管如何变形，只要加热到一定温度就会立刻恢复到原来在高温状态
下的形伏。具有这种效应的合金叫形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)。形
状记忆合金的最大优点是其应变灵敏度较高(高达 2%)，可导致原结构变形达
0.8%。其主要缺点是响应速度慢，难以用于动态控制。
6)电磁铁驱动微进给机构
电磁铁驱动微进给机构利用电磁原理，通过控制线圈中的电流大小来控制电
磁力的大小，使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。它的缺点是电磁铁中始
终要通过一定的电流，结果由于发热而影响精度，一般设计上只能到几个微米的
定位精度。此外这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振荡，灵敏度高时系统难于
稳定。
7)压电驱动微进给机构[2]
压电陶瓷致动器的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷片在直
流电场的作用下产生的应变与电场强度的平方成正比，其在精密定位和微进给控
制中具有其它致动器无法比拟的优点，如体积小(几立方毫米~几十立方毫米)、位
移分辨率高、响应速度快(几十微秒）、输出力大(可达 4500N)、换能效率高(50%)、
不发热、采用相对简单的控制方式、位移重复性好等，是目前微进给技术中比较理
想的驱动元件。压电陶瓷微进给已被广泛应用于微机械、微电子、计算机应用、精密
机械、精密加工、精密光学、生物医学、机器人、航空航天等领域。
在精密和超精密加工与测量、大规集成电路制造、微型机械制造、扫描隧道显
微镜微测量以及精密光学工程等诸多尖端科技领域中，当运动分辩率达到亚微米
级或纳米级时，压电驱动微位移[2]机构在微进给定位上体现出了自身的优势。压
电陶瓷以其响应快、易于微型化、重复性好、分辨率高、刚度好、无磁场干扰等优点
在彻差给中得到了广泛的应用。因此，开展以压电陶瓷为驱动器的压电驱动微进
给机构的研究是非常有必要而且具有广阔的应用前景。
微进给机构是保证零件尺寸加工精度的重要因素，是实现精密和超精密切削
加工的必要手段，也是位移误差补偿、精密加工和超精密加工所需的重要环节。精
密和超精密加工中应用的微进给工作台是一种高精度工作台，大多采用压电陶瓷
驱动，具有位移精度高、刚性好、体积小、易于控制等优点，是目前研究的一个热
点。压电驱动微进给机构不仅广泛应用于微量进给、各种精密测量仪器、精密和超
3
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摘要随着科学的进步，机电设备的机械加工精度已要求纳米级精度。由于传动系统和控制系统的精度和分辨率原因，通常的机床结构及其控制系统往往难以达到本文结合机床行业需求，设计了以压电元件为驱动器、以柔性铰链为导向支承机构、以虚拟仪器为核心的闭环控制系统构建而成的高刚度、高精度微进给系统。该系统与机床原有横向进给系统相结合，实现粗精两级进给，将大大提高机床进给系统的精度。本文采用最新最先进的技术来构建高质量的微位移进给系统，它主要包括三部分：驱动器、导向机构和控制系统。驱动器采用性能最好、控制最容易实现、目前研究最成熟的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器已经在现实中被证明了的最好的微驱动器；导向机构，采用最...
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