師潤平 李智林 韓彥良 韓春鈺

(①賀州學(xué)院，廣西 賀州542800;②深圳市航天精密刀具有限公司，廣東 深圳518004)

孔的質(zhì)量是材料應(yīng)用過程中必須考慮的問題，其主要表現(xiàn)在孔的缺陷、孔徑誤差、孔的形狀誤差以及孔的表面粗糙度等方面上，任何一方面的質(zhì)量不能保證，都可能使孔報(bào)廢，影響零件的應(yīng)用。CFRP在應(yīng)用過程中就會(huì)出現(xiàn)諸如分層、撕裂、毛刺等缺陷［1-2］。J.P.Davim［3］等發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速越高，碳纖維復(fù)合材料的分層缺陷越嚴(yán)重。C.C.Tsao［4］等從減小鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí)出現(xiàn)分層缺陷這一目的出發(fā)，提出并驗(yàn)證了在材料的出口處提供適當(dāng)輔助支持力可以有效地控制分層。馮子明［5］等通過實(shí)驗(yàn)研究得出采用螺旋面鉆頭可以改善復(fù)合材料易產(chǎn)生毛刺等問題。對(duì)于CFRP的研究已經(jīng)相當(dāng)完善了，針對(duì)其不同的缺陷可以采取不同的措施來減少或避免。盡管如此，不能將對(duì)CFRP的研究直接應(yīng)用于CFRP-Ti層板的應(yīng)用。CFRP-Ti層板作為一種新型材料有其優(yōu)點(diǎn)，如具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，還具有機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能較好，抗疲勞性能好等［6］;但也有不足之處，即CFRP和Ti均為難加工材料，特別是Ti，其機(jī)加工性能差，傳熱性能也差，鉆削過程中易形成高溫，鈦屑易粘附在刀具上，此外鈦合金切屑一般為螺旋長條狀，這些都有可能對(duì)已形成的孔壁產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外對(duì)于CFRP-Ti層板的研究較少。本文在研究CFRP鉆削的基礎(chǔ)上，對(duì)CFRP-Ti層板鉆削的質(zhì)量進(jìn)行研究分析，其目的在于為CFRP-Ti層板的應(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

通過鉆削單一CFRP和CFRP-Ti層板材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從CFRP入口分層、孔徑誤差、孔的形狀誤差以及孔的表面粗糙度等方面出發(fā)，考查CFRP-Ti層板材料的鉆孔質(zhì)量問題，分析其原因。其中CFRP-Ti層板材料的鉆削方向?yàn)镃FRP鉆入，Ti鉆出。具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。本實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)床為德國DMU 60T高速加工中心(CNC:Heidenhain iTNC 530)，主軸最高轉(zhuǎn)速24 000 r/min。

表1 -1 CFRP和CFRP-Ti的對(duì)比鉆削實(shí)驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CFRP入口分層

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單鉆CFRP的入口分層缺陷不但很小而且比較一致，鉆削CFRP-Ti層板時(shí)CFRP的入口分層缺陷明顯增大而且不穩(wěn)定，有的很嚴(yán)重，有的則與單鉆削CFRP比較接近。圖1分別是高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速下各階段CFRP的入口分層因子Fd=Dmax/D的平均值。單鉆CFRP的入口分層因子都在1.25之下，鉆削CFRP-Ti層板時(shí)CFRP的入口分層因子最大值達(dá)到2.53(圖中為20個(gè)孔的平均值)。在高轉(zhuǎn)速下鉆削第一系列的CFRP-Ti層板孔時(shí)，分層因子就迅速增大，而低轉(zhuǎn)速下鉆削第二系列的CFRP-Ti層板孔時(shí)，分層因子才出現(xiàn)顯著增大。實(shí)驗(yàn)表明，鈦合金鉆削會(huì)顯著增大CFRP的入口分層缺陷，高轉(zhuǎn)速下的刀具快速磨損會(huì)使這種不良影響更加嚴(yán)重，因此，鉆削CFRP-Ti層板應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速。

2.2 孔徑誤差

表2 -1 不同轉(zhuǎn)速下各鉆削階段孔直徑

孔直徑誤差是評(píng)價(jià)鉆孔質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。為了減小測量誤差，直徑的測量位置選擇在深度方向的中部，每個(gè)孔的直徑尺寸取8次測量值的平均值。表2是不同轉(zhuǎn)速下各鉆削階段所鉆孔的直徑尺寸。在A階段，由于刀具鋒利，鉆削平穩(wěn)，孔徑小于鉆頭直徑5～6μm;CFRP中樹脂和碳纖維的彈性恢復(fù)是造成孔徑尺寸小于刀具尺寸的主要原因。B階段，CFRP的孔徑尺寸在高速和低速鉆削時(shí)分別增大了76μm和40μm，Ti板的孔徑尺寸也大于刀具尺寸，說明Ti板的鉆削過程對(duì)CFRP的孔徑有顯著影響，一方面是Ti板鉆削時(shí)軸向力大，鉆削過程不平穩(wěn)(振動(dòng))造成的孔徑尺寸變大;另一方面是螺旋長條狀的Ti屑在排出的過程中刮傷孔壁，使孔徑變大。高轉(zhuǎn)速的孔徑尺寸大于低轉(zhuǎn)速，這一現(xiàn)象在CFRP-Ti鉆削中更顯著，增大量達(dá)到20～40μm，原因在于高速鉆削比低速鉆削的平穩(wěn)性差。此外，由于刀具磨損后直徑變小，與C階段相比，E階段CFRP孔的尺寸出現(xiàn)略微減小，但與B階段相比，D階段的Ti孔并沒有減小，反而略微增大，說明刀具磨損產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)大于刀具直徑減小的效應(yīng)。

2.3 孔的形狀誤差

為了考察鉆削Ti層時(shí)對(duì)CFRP層孔徑尺寸和形狀誤差的影響，分別在孔的不同深度(孔深的10%～90%范圍內(nèi)間隔選取)和圓周方向(間隔45°)選取多個(gè)測量點(diǎn)測量了孔的直徑尺寸，結(jié)果如圖2所示。測量結(jié)果顯示，單鉆CFRP時(shí)孔(第3孔和43孔)的形狀誤差較小，孔徑尺寸沿深度方向的變化范圍只有4～6 μm。鉆削CFRP-Ti層板(第23和63孔)時(shí)，不但Ti層孔和CFRP層孔的尺寸誤差變大，而且CFRP孔的圓柱度誤差也明顯變大，孔徑尺寸沿深度方向出現(xiàn)9～47μm的波動(dòng)，進(jìn)一步證明Ti層板鉆削時(shí)對(duì)CFRP層孔的精度有較大影響。鉆頭橫刃鉆入Ti板時(shí)，鉆頭在軸向力的作用下出現(xiàn)振動(dòng)和晃動(dòng)，是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因。測量結(jié)果還顯示，刀具的磨損對(duì)孔徑尺寸的大小和波動(dòng)也有較大影響，第63孔(CFRP-Ti層板)的CFRP部分的平均尺寸比第23孔(CFRP-Ti層板)的CFRP部分的平均尺寸增大36μm，原因是刀具磨損后橫刃鉆入產(chǎn)生的振動(dòng)更嚴(yán)重。此外，Ti板孔的孔徑尺寸也大于刀具尺寸且存在25～30μm的波動(dòng)幅度，說明鉆削振動(dòng)不僅會(huì)出現(xiàn)在開始鉆入Ti板的瞬間，而且也會(huì)出現(xiàn)在鉆削過程中。

2.4 孔表面粗糙度

圖3是實(shí)驗(yàn)測得的各階段20個(gè)孔表面粗糙度參數(shù)Ra、Ry的平均值。圖3a中CFRP-Ti層板的CFRP孔的Ra值明顯大于單獨(dú)CFRP孔，表明Ti鉆削對(duì)CFRP孔表面質(zhì)量有顯著的不良影響，圖3b中CFRPTi層板的CFRP孔的Ry值也大于單獨(dú)CFRP孔的值，但高轉(zhuǎn)速時(shí)沒有低轉(zhuǎn)速時(shí)顯著。圖3c和d則顯示了刀具的磨損對(duì)Ti孔表面粗糙度參數(shù)Ra，Ry值的影響結(jié)果。隨著鉆孔數(shù)量的增加，Ra，Ry值都出現(xiàn)了增大趨勢。從圖3還可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)CFRP和Ti的孔表面質(zhì)量都有影響，總體趨勢是低轉(zhuǎn)速有利于提高CFRP和Ti孔表面質(zhì)量，單獨(dú)鉆削CFRP時(shí)效果更顯著，這一點(diǎn)與鉆削CFRP傳統(tǒng)研究結(jié)論并不一致，原因可能是本實(shí)驗(yàn)選擇切削速度范圍在50 m/min之下，整體上屬低速范圍。

在CFRP鉆削中，孔表面的粗糙度與纖維方向有關(guān)，當(dāng)纖維方向與切削速度方向的夾角θ=0°時(shí)，刀具前進(jìn)方向與纖維方向平行，切削變形發(fā)生在通過刀刃點(diǎn)的水平面以上的部位，所以形成的已加工表面平整光滑。在0°＜θ≤90°情況下，纖維在刀刃切斷作用下斷開，由于下側(cè)纖維的支持作用，切斷斷面的深度會(huì)很淺，所以形成的已加工表面質(zhì)量也較好。在90°＜θ＜180°情況下，切削變形的彎曲斷裂點(diǎn)發(fā)生在刀刃下方，所以形成的已加工表面最粗糙。也就是說，在以上3種切削形式中，以最后一種形式形成的已加工表面的粗糙度值最大。

圖4a是單鉆CFRP孔(第1孔)內(nèi)表面的SEM圖，圖中箭頭所指部分為135°鋪層方向的纖維表面明顯比其他3個(gè)方向粗糙，出現(xiàn)了纖維拔出現(xiàn)象。圖2～4是鉆削CFRP-Ti層板的CFRP孔(第2孔)內(nèi)表面的SEM圖，可以看出CFRP孔內(nèi)表面的纖維拔出現(xiàn)象加重，而且圖中的箭頭所指部位出現(xiàn)明顯刮傷，刮傷區(qū)的寬度與Ti切屑厚度相近。圓圈部分還顯示90°和135°方向的纖維都發(fā)生了纖維拔出現(xiàn)象。并聯(lián)式機(jī)構(gòu)，都具有各自的優(yōu)劣。

串聯(lián)式機(jī)構(gòu)如圖3所示，是傳統(tǒng)典型的機(jī)構(gòu)形式，但剛度不足且承載能力較差，其一般采用滾珠絲杠易產(chǎn)生變形，在振動(dòng)方面，容易產(chǎn)生機(jī)械諧振。西安交通大學(xué)劉紅忠等人的宏微定位平臺(tái)研究中，宏動(dòng)部分由2根循環(huán)滾珠絲杠構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但在到位切換環(huán)節(jié)振動(dòng)穩(wěn)定性效果不夠理想［9］。串聯(lián)結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)切換環(huán)節(jié)的振動(dòng)方面穩(wěn)定性方面能力較低。

為了滿足技術(shù)的不斷發(fā)展，解決串聯(lián)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)因具備較大的剛度和較高的承載能力在定位平臺(tái)中取得了快速發(fā)展。在振動(dòng)問題上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)也具備了穩(wěn)定性更高與抗外界干擾能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)閉鏈機(jī)構(gòu)形式如圖4所示。日本三菱公司研制的定位平臺(tái)采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具備剛度高、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較高的定位精度(±5μm)，振動(dòng)穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)性能良好。Schumacher研制的兩自由度定位平臺(tái)，具備了較高的加速度的同時(shí)通過動(dòng)力學(xué)對(duì)平臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能較為可靠［10］。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在振動(dòng)問題方面具有較優(yōu)的特點(diǎn)，但并聯(lián)機(jī)構(gòu)也存在一些問題，如高速運(yùn)動(dòng)時(shí)定位精度較低、工作空間還需優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)解耦等，開發(fā)新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以提高定位精度，減少運(yùn)動(dòng)耦合。

2.5 驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的影響

影響運(yùn)動(dòng)切換過程振動(dòng)問題的另一重要因素為驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)裝置和系統(tǒng)的振動(dòng)問題息息相關(guān)，由驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的高加速度在啟停時(shí)會(huì)給系統(tǒng)帶來較大的沖擊力，穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)方式是運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)問題產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。

2.5.1 宏運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分

傳統(tǒng)高速高精密定位平臺(tái)和宏微定位平臺(tái)的宏動(dòng)部分采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)動(dòng)力要求比較低，但電動(dòng)機(jī)中的摩擦環(huán)節(jié)較多，機(jī)械彈性變形較大，絲杠與減速器部分的彈性變形易降低機(jī)構(gòu)的剛度，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性造成影響，會(huì)使定位平臺(tái)在到位過程中產(chǎn)生較大的振蕩現(xiàn)象。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，采用直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式突顯出更多的優(yōu)點(diǎn)，它直接驅(qū)動(dòng)移動(dòng)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)可以避免旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)環(huán)節(jié)帶來的彈性變形、摩擦和間隙等問題，振動(dòng)穩(wěn)定性更優(yōu)［11］。浙江大學(xué)研制的宏微定位平臺(tái)在宏動(dòng)驅(qū)動(dòng)采用Sawyer直線電動(dòng)機(jī)，精度較高、穩(wěn)定性良好，通過對(duì)直線電機(jī)的進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)獲得了較好的穩(wěn)定性能［12］。加拿大McMaster University設(shè)計(jì)的一維宏微運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用直線電動(dòng)機(jī)，并對(duì)直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行反饋控制，克服了擾動(dòng)與低頻振動(dòng)，在宏運(yùn)動(dòng)部分減小了振動(dòng)的影響［11］，如圖5所示。

目前應(yīng)用的一種新型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為音圈電動(dòng)機(jī)，如圖6所示，除具備直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)以外還具有響應(yīng)速度快、推動(dòng)力大和效率比較高的良好性能。此外音圈電動(dòng)機(jī)容易實(shí)現(xiàn)較方便的控制功能，適用于高頻起停的工作要求，并且可達(dá)到100 m/s2的加速度，它自身所具備的優(yōu)良特性讓其更適合裝備于宏微定位平臺(tái)之中?？梢?，在起停切換振動(dòng)方面，通過音圈電動(dòng)機(jī)可以獲得更加良好的穩(wěn)定效果。如天津大學(xué)馬志鵬所研究的定位平臺(tái)中在宏動(dòng)部分采用了音圈電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以獲得穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)控制［13］。瑞士聯(lián)邦科學(xué)院定位平臺(tái)、新加坡電子硅片制造平臺(tái)都采用了音圈電動(dòng)機(jī)作為運(yùn)動(dòng)過程中的驅(qū)動(dòng)裝置以獲得穩(wěn)定的輸出控制［14-15］。

2.5.2 微運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分

宏微雙重運(yùn)動(dòng)模式發(fā)展至今，微運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)用較為廣泛的驅(qū)動(dòng)方式為壓電陶瓷，其他常用的微驅(qū)動(dòng)方式為微電動(dòng)機(jī)和形狀記憶合金。壓電陶瓷是目前應(yīng)用較為廣泛的微驅(qū)動(dòng)元件，原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過施加控制電壓得到輸出微位移。其原理為

式中:d為輸出位移;f為作用力;kp為壓電陶瓷等效剛度系數(shù)，a為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電壓系數(shù);up為壓電陶瓷電壓。

此外壓電陶瓷響應(yīng)迅速，具有較高的響應(yīng)頻率和良好的分辨率，以及較大的推力/拉力［16］。但使用壓電陶瓷對(duì)控制電壓的要求較高，一般為幾十到幾百伏。日本的SCARA宏微運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、韓國漢城大學(xué)基于壓電陶瓷的宏微定位平臺(tái)和國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宏微納米級(jí)定位平臺(tái)［17］，都采用了壓電陶瓷為微驅(qū)動(dòng)。此外，壓電陶瓷的振動(dòng)穩(wěn)定性較為良好，如蘇州大學(xué)研究的宏微定位平臺(tái)采用壓電陶瓷和柔性鉸鏈用于微運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)獲得了較為理想的振動(dòng)共振頻率效果［18］。但壓電陶瓷也存在參數(shù)易變的問題，能否在壓電陶瓷環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)有針對(duì)性的參數(shù)補(bǔ)償方法也是目前和今后定位平臺(tái)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢［19-20］。

微電動(dòng)機(jī)作為微驅(qū)動(dòng)方面的技術(shù)發(fā)展比較完善成熟，被應(yīng)用于宏微定位平臺(tái)中也較為廣泛，在涉及到運(yùn)動(dòng)切換的振動(dòng)問題方面還存在一定不足，例如微電動(dòng)機(jī)對(duì)電磁干擾的敏感程度較大［21］。

形狀記憶合金是一種新型的驅(qū)動(dòng)材料，它利用合金的相變來轉(zhuǎn)換能量，可以記憶形變軌跡與位置，通過溫度的控制可以伸出預(yù)定的行程，是應(yīng)用于宏微定位平臺(tái)微運(yùn)動(dòng)中的新型功能材料，結(jié)構(gòu)形式簡單，但它需要通過溫度來實(shí)施工作，存在反應(yīng)速度較慢，對(duì)溫度控制偏差較大的問題，宏微定位平臺(tái)中對(duì)環(huán)境的溫度要求比較高，在這方面存在一定的劣勢。

此外，磁致伸縮材料也是應(yīng)用于微驅(qū)動(dòng)的一種新型驅(qū)動(dòng)材料，它的原理是通過磁致伸縮將機(jī)械能與磁電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制磁電獲得位移的輸出。磁致伸縮材料具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)形式簡單、可靠性能好的優(yōu)點(diǎn)，在振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中具有突出的良好特性，相比壓電陶瓷具有更多優(yōu)勢。但也存在遲滯、精度差、受熱改變伸長的缺點(diǎn)［22］。

2.6 導(dǎo)軌所產(chǎn)生的影響

導(dǎo)軌的摩擦問題與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)問題存在著緊密的聯(lián)系。定位過程中微小的阻隔與摩擦都會(huì)影響到精密平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確定位，是考慮運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)問題不可或缺的因素。導(dǎo)軌的摩擦問題受多種因素制約、影響，包括材料、安裝、潤滑等，以及驅(qū)動(dòng)力與平臺(tái)質(zhì)心不共線和高加速度的沖擊力撕破導(dǎo)軌潤滑油膜等問題，其復(fù)雜性與不確定性一直是定位平臺(tái)控制方面的主要難題，是考慮平臺(tái)振動(dòng)情況的必要環(huán)節(jié)。

導(dǎo)軌的類型主要有滾珠導(dǎo)軌、磁懸浮導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌等。其中微電子裝備制造業(yè)中主要采取滾珠導(dǎo)軌作運(yùn)動(dòng)支撐，其構(gòu)造如圖7所示。滾珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單緊湊，生產(chǎn)制造安裝方便，應(yīng)用較為廣泛，但存在平行度難校準(zhǔn)、滾珠易磨損以及非線性摩擦的問題，這些問題都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)尤其是運(yùn)動(dòng)到位定位環(huán)節(jié)的振動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵影響。針對(duì)滾珠導(dǎo)軌摩擦振動(dòng)問題，調(diào)研國內(nèi)外研究成果，可以建立靜態(tài)摩擦模型和動(dòng)態(tài)摩擦模型加以解決。例如Brandenburg通過里奧普諾夫函數(shù)建立了摩擦模型補(bǔ)償器，對(duì)導(dǎo)軌所影響的運(yùn)動(dòng)振動(dòng)情況有所改善［23］。

磁懸浮導(dǎo)軌與氣浮導(dǎo)軌則避免了接觸摩擦部分。但磁懸浮導(dǎo)軌技術(shù)還處于開始階段，并且磁制設(shè)備容易產(chǎn)生磁場不穩(wěn)定問題，故磁懸浮導(dǎo)軌在精密定位平臺(tái)中應(yīng)用還比較少［24］。氣浮導(dǎo)軌避免了磁懸浮導(dǎo)軌的主要缺點(diǎn)，并且還具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、設(shè)計(jì)方便靈活的優(yōu)點(diǎn)，是近年來宏微定位平臺(tái)領(lǐng)域的一項(xiàng)主要研究方向，其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。Hammer所設(shè)計(jì)的精密平臺(tái)使用了氣浮導(dǎo)軌，減少了平臺(tái)過多摩擦環(huán)節(jié)造成的復(fù)雜振動(dòng)的同時(shí)使平臺(tái)獲得較高的速度與加速度，加速度達(dá)到了120 m/s2［17］。中南大學(xué)所研究的宏微定位平臺(tái)，宏動(dòng)平臺(tái)與微動(dòng)平臺(tái)都由氣浮導(dǎo)軌完成導(dǎo)向，克服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)框架的沖擊，在電動(dòng)機(jī)到位運(yùn)動(dòng)切換部分獲得了較好的穩(wěn)定性［25］。氣浮導(dǎo)軌是精密定位平臺(tái)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向，但其受微浮動(dòng)的影響使導(dǎo)軌對(duì)外界的干擾較敏感。針對(duì)該問題，上海交通大學(xué)所設(shè)計(jì)的氣浮定位平臺(tái)對(duì)此有較深入的研究，其通過二自由度控制器與Laplace變換整形技術(shù)將氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)與干擾情況進(jìn)行了控制，取得了良好的減振效果［26］。

2.7 其他影響因素

除了機(jī)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式及導(dǎo)軌對(duì)定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)的影響較大以外，工作環(huán)境、整體的裝配與安裝以及其他不確定因素也是運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)問題需要考慮的重要方面。

工作環(huán)境方面，例如超靜音、恒溫、高清潔度的工作空間有利于平臺(tái)獲得更高的穩(wěn)定性，另外隔振底座與隔振工作臺(tái)的應(yīng)用可以更好地改善平臺(tái)的振動(dòng)環(huán)境。各部件裝配方面，例如導(dǎo)軌安裝的水平度與平行度，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)軸與導(dǎo)軌的平行度，各部件組裝的定位精度等都會(huì)對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)產(chǎn)生密切的影響，確保各部分的準(zhǔn)確安裝可使平臺(tái)獲得更加良好的穩(wěn)定性，避免不必要的阻隔影響到運(yùn)動(dòng)過程之中而產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)問題。

3 宏微定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)切換減振方法

3.1 減振方法的研究現(xiàn)狀

目前定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)切換環(huán)節(jié)的減振方法主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制器算法設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)方面的減振主要是使所設(shè)計(jì)的平臺(tái)構(gòu)型具有良好的動(dòng)力學(xué)特性。目前良好的減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是通過模態(tài)分析的方法實(shí)現(xiàn)。由于宏微定位平臺(tái)的振動(dòng)情況敏感且復(fù)雜，利用模態(tài)分析所得到的機(jī)構(gòu)特性階數(shù)較高，不能直接應(yīng)用，在宏微定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)各階振型的情況對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行模態(tài)縮減［27］。據(jù)此方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足了基本的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但還需要結(jié)合其他減振方法進(jìn)一步減小平臺(tái)振動(dòng)。在新結(jié)構(gòu)形式方面，柔性鉸鏈應(yīng)用較為廣泛，其具有靈活設(shè)計(jì)與性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。國內(nèi)外眾多學(xué)者據(jù)此設(shè)計(jì)了許多減振性能良好的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，如澳門大學(xué)設(shè)計(jì)并改進(jìn)的大行程高精度一體化的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，形式簡單，運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定，將定位振幅穩(wěn)定在了100μm范圍內(nèi)［28］。

控制器減振方法主要用于解決定位平臺(tái)高速到位停止所帶來的低頻微振動(dòng)，目的是在短時(shí)間內(nèi)對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)進(jìn)行快速有效的抑制。目前這方面的研究主要集中于通過各種控制算法的設(shè)計(jì)與結(jié)合加以實(shí)現(xiàn)。例如香港中文大學(xué)的王煜教授在平臺(tái)定位振動(dòng)整形方面將自適應(yīng)控制器與魯棒控制器兩者結(jié)合，通過即時(shí)控制信號(hào)的施加將振動(dòng)波形進(jìn)行優(yōu)化，整形振動(dòng)曲線，有效地解決了平臺(tái)到位停止時(shí)刻振動(dòng)波形的高度不規(guī)則性［29］。Braembussche的精密定位系統(tǒng)通過魯棒控制器對(duì)振動(dòng)情況進(jìn)行控制，得到了更小的振動(dòng)與更快速的定位過程［30］。西安電子科技大學(xué)研究的宏微并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)PID監(jiān)督控制器用于規(guī)劃系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，其控制方法得到了更有效的抑振效果和精度定位［31］。上海交通大學(xué)所研制的氣浮定位平臺(tái)通過輸入整形技術(shù)，設(shè)計(jì)了主動(dòng)減振控制算法抑制到位殘余振動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)中獲得了良好的效果，縮減了穩(wěn)定時(shí)間，并且輸入整形技術(shù)可以與其他控制算法獲得較好的兼容性，是一種較為靈活有效的減振方法［26］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉川博士在定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)抑制方面應(yīng)用了復(fù)合非線性反饋(CNF)［32］控制技術(shù)，通過在運(yùn)動(dòng)到位前不斷增加阻尼的方法使平臺(tái)穩(wěn)定到達(dá)定位位置，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對(duì)振動(dòng)響應(yīng)、穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等問題都有明顯的改善［25］。但CNF技術(shù)對(duì)干擾的抑制沒有明顯的效果，需要與干擾控制器相結(jié)合以達(dá)到良好的抑振效果。

3.2 新型減振方法

宏微定位平臺(tái)要求在極短的時(shí)間內(nèi)迅速穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制器算法的減振方法雖然可以有效地抑制干擾，減小振動(dòng)，但仍然存在振動(dòng)延時(shí)長，控制器輸入?yún)?shù)不斷改變引發(fā)新振動(dòng)的問題。隨著定位平臺(tái)的發(fā)展，新的減振思路不斷出現(xiàn)，振動(dòng)控制的方式也越來越智能化［25］，新型減振方法有濾波技術(shù)、磁場減振和智能材料減振等。

濾波技術(shù)可以在運(yùn)動(dòng)控制中進(jìn)行應(yīng)用，其基本思路是分時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)突變的運(yùn)動(dòng)信號(hào)做整形優(yōu)化處理，由于定位平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性具有時(shí)變和不確定的特點(diǎn)，將此技術(shù)加入具有魯棒性與自適應(yīng)性的控制器設(shè)計(jì)中是一個(gè)有效的發(fā)展的方向［2］。

磁場技術(shù)可以應(yīng)用于精密定位平臺(tái)的減振環(huán)節(jié)。其減振思路是在平臺(tái)到達(dá)定位位置前施加逆向磁場作用使系統(tǒng)迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于其通過磁場作用不接觸作用對(duì)象，可以較好地避免系統(tǒng)增加外部減振質(zhì)量和引起新振動(dòng)的問題。但磁場減振作用主要還是應(yīng)用于減小機(jī)械加工刀具的磨損，應(yīng)用于宏微定位平臺(tái)也是未來一個(gè)可行的研究方向［33-34］。

智能材料用于定位平臺(tái)的主要有壓電陶瓷和超磁致伸縮材料。新型減振方法可以通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)。目前壓電陶瓷用于減振的研究主要還是集中在隔振平臺(tái)方面［35-38］。雖然其已普遍成為宏微定位平臺(tái)微位移驅(qū)動(dòng)元件，但利用壓電陶瓷特性進(jìn)行定位減振的研究相對(duì)甚少。本研究團(tuán)隊(duì)提出了通過壓電陶瓷對(duì)運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)情況適時(shí)施加減振作用力的新方法［39］，其具體的減振原理 如圖9所示。壓電陶瓷一方面用于微驅(qū)動(dòng)，另一方面用于減振，解決了一般主動(dòng)減振方法改變系統(tǒng)物理模型的問題。

壓電陶瓷輸出減振力的原理為［40］

式中:f為壓電陶瓷輸出力;a為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電壓系數(shù);UP為壓電陶瓷電壓;kP為壓電陶瓷等效剛度系數(shù);d為輸出位移。

可以看出，壓電陶瓷的等效剛度與控制電壓是控制壓電陶瓷輸出力的關(guān)鍵因素，等效剛度由壓電陶瓷的材料結(jié)構(gòu)所決定，一般可以達(dá)到6～1 500 N/μm不等。需要指出的是，用于減振方面的壓電陶瓷需要足夠的輸出推力，選用合適剛度系數(shù)型號(hào)的壓電陶瓷是實(shí)施減振作用力的關(guān)鍵［41］。輸出作用力(也即減振作用位移)和控制電壓的關(guān)系如式(3)所示，壓電陶瓷等效電路圖如圖10所示。

式中:x為輸出減振作用位移;k為電壓位移轉(zhuǎn)換系數(shù);Up為壓電陶瓷作用電壓。

而驅(qū)動(dòng)電壓Ui與作用電壓Up之間的關(guān)系為

據(jù)以上公式可知，準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電壓是實(shí)施壓電陶瓷完成減振方法的重要前提，而進(jìn)行準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電壓控制需要精確的振動(dòng)信號(hào)反饋，搭建完善的閉環(huán)控制是準(zhǔn)確實(shí)施該方法關(guān)鍵點(diǎn)。此外，由于壓電陶瓷存在遲滯、蠕變的問題，參數(shù)的變化較大，精密準(zhǔn)確的控制算法也是實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)減振方法的要點(diǎn)之處［42］。

除壓電材料之外超磁致伸縮材料具有相對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)更優(yōu)的特性，其可用于減振的特性也較為突出，是未來宏微定位平臺(tái)發(fā)展的一個(gè)可行方向［43］。

4 結(jié)語

(1)本文綜合各方面研究成果，介紹了高速高精密定位平臺(tái)當(dāng)前的應(yīng)用情況，詳細(xì)介紹了宏微定位平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。我國宏微定位平臺(tái)方面的發(fā)展相對(duì)落后，急需進(jìn)一步深化研究。

(2)重點(diǎn)介紹了運(yùn)動(dòng)切換環(huán)節(jié)的振動(dòng)問題，并從平臺(tái)各個(gè)組成部分包括驅(qū)動(dòng)方面、機(jī)構(gòu)形式、導(dǎo)軌和其他影響振動(dòng)的方面進(jìn)行了詳盡的分析?？偨Y(jié)了不足，比較了優(yōu)劣，對(duì)運(yùn)動(dòng)切換環(huán)節(jié)振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入論述和挖掘。

(3)闡明了運(yùn)動(dòng)切換時(shí)振動(dòng)控制方法的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了新型減振控制方法。詳細(xì)介紹了新型壓電陶瓷減振方法及其原理，總結(jié)出通過新材料、新機(jī)構(gòu)、新方法進(jìn)行減振的研究是未來更有效地解決運(yùn)動(dòng)切換振動(dòng)問題的方向。以期為進(jìn)一步開展宏微定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)切換的振動(dòng)抑制研究起到參考作用。

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