高晨光 汪旭東 宋新河

高精度壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配間隙測(cè)量和反饋控制

高晨光 汪旭東 宋新河

（北京控制工程研究所，北京 100190）

針對(duì)高精度微推力器用壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度裝配需求，提出了基于間隙測(cè)量和反饋調(diào)節(jié)的壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配方法。采用統(tǒng)計(jì)平方公差法分析零件公差控制要求；在溫度控制下測(cè)試壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙和位移；采用反饋調(diào)節(jié)裝配策略，保證裝配精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該裝配方法能夠?qū)崿F(xiàn)很高裝配精度，為精密機(jī)構(gòu)裝配提供了一種解決思路。

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；公差分析；間隙測(cè)量；反饋控制

1 引言

高精度微推力器采用壓電驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)μN(yùn)級(jí)別的推力控制精度和很高的推力穩(wěn)定性，滿足航天器無(wú)拖曳控制的需求。其內(nèi)部包含壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、閥芯組件等緊湊結(jié)構(gòu)。整個(gè)工作區(qū)間，壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作位移只有10～20μm，其位置精度需要達(dá)到μm級(jí)，位移分辨率需要達(dá)到10nm級(jí)，才能滿足推力器的推力精度并保證推力器可靠密封和開(kāi)啟。因此，壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置控制精度是實(shí)現(xiàn)高精度微推力的關(guān)鍵因素。

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件的尺寸在毫米到幾十毫米量級(jí)，其加工誤差通?？刂品秶?0～100μm之間，累計(jì)誤差遠(yuǎn)超出裝配精度控制要求。如進(jìn)一步提高零件加工精度，必然帶來(lái)成本、加工周期等因素的大幅度提高。并且，精度達(dá)到μm量級(jí)，零件的應(yīng)力、溫度變形都將是不可忽略的因素。因此，依靠提高零件的加工精度遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)品需求。

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度與裝配誤差密切相關(guān)，其裝配難度體現(xiàn)在：位置參數(shù)測(cè)量困難，壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)量精度要求高，且位于產(chǎn)品內(nèi)部，需要適當(dāng)?shù)臏y(cè)量手段測(cè)得實(shí)際的位置和位移量；補(bǔ)償參數(shù)難以控制，補(bǔ)償量通常在μm精度，且需要反復(fù)拆裝，拆裝過(guò)程的應(yīng)力和微小狀態(tài)變化都會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償結(jié)果的離散；溫度影響不能忽略，溫度變化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變形與位置控制精度相當(dāng)，也會(huì)帶來(lái)顯著的影響。

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最終裝配精度與零件加工、裝配過(guò)程等都有密切關(guān)系，是多種因素共同作用的結(jié)果，需要研究新的裝配精度控制方法，以滿足產(chǎn)品的性能要求。本文所述裝配方法，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)施高精度溫度控制；采用高精度位移傳感器、流量傳感器等組合測(cè)量手段測(cè)量位置和間隙尺寸；采用反饋調(diào)節(jié)裝配策略，實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)整壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置和間隙，保證裝配精度滿足產(chǎn)品要求。

2 尺寸鏈和裝配精度分析

零件設(shè)計(jì)階段，有必要針對(duì)零件的關(guān)鍵尺寸要求，開(kāi)展尺寸鏈分析，明確零件加工精度對(duì)產(chǎn)品裝配精度的影響。目前，零件公差要求通常根據(jù)尺寸極值估算，得到的公差范圍較保守，在精度要求較高的前提下造成加工困難。本文采用了統(tǒng)計(jì)平方公差法分析零件公差需求，統(tǒng)計(jì)平方公差法假設(shè)零件在加工過(guò)程中的實(shí)際公差呈正態(tài)概率分布，裝配公差與零件公差線性相關(guān)，則裝配公差分布也近似于正態(tài)分布。在此基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)誤差，可以適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展零部件的允許公差范圍，得到更合理的公差要求[1～3]。

本文研究的壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型如圖1所示，主要包括驅(qū)動(dòng)器壓蓋、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器外殼、頂桿和底座，壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)頂桿向底座密封面運(yùn)動(dòng)。裝配過(guò)程以頂桿和底座密封面的間隙為控制目標(biāo)，要求滿足(0.06±0.01)mm。頂桿長(zhǎng)度dim2、驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度dim3、壓蓋凸臺(tái)高度dim4、驅(qū)動(dòng)器殼體長(zhǎng)度dim5、底座長(zhǎng)度dim6組成封閉尺寸鏈，其設(shè)計(jì)尺寸精度如表1所示。

計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)公差得到的目標(biāo)間隙值尺寸范圍見(jiàn)表1，按尺寸極值得到的目標(biāo)間隙值范圍為(0.06±0.32)mm，統(tǒng)計(jì)平方公差法得到3σ下目標(biāo)間隙值范圍為(0.06±0.159)mm。其目標(biāo)間隙值尺寸范圍遠(yuǎn)超出間隙值要求范圍。依靠零件加工公差使目標(biāo)間隙值滿足要求的概率僅為14.929%。逐步提高零件加工精度要求，直至將所有零件工廠范圍調(diào)整為±0.005mm，才能保證由尺寸鏈公差累計(jì)造成的裝配誤差不超出要求范圍。此時(shí)零件的加工成本、周期極大提高，不具備實(shí)際意義。

由分析結(jié)果可見(jiàn)，僅依靠零件加工精度，難以滿足目標(biāo)間隙的裝配要求。

表1 設(shè)計(jì)公差要求和計(jì)算結(jié)果

3 溫度場(chǎng)測(cè)量

高精度微推力器需達(dá)到0.1μN(yùn)的推力分辨率，技術(shù)指標(biāo)要求極高，需要推力器具有很高的推力穩(wěn)定性和極低的推力噪聲。溫度分布對(duì)結(jié)構(gòu)變形和流體特性有顯著影響，需要在地面裝配過(guò)程中實(shí)施精確測(cè)溫和控溫，充分驗(yàn)證溫度對(duì)裝配精度和推力器性能的影響。在測(cè)試和裝配過(guò)程中，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了主動(dòng)溫度控制，溫度測(cè)量精度±0.1℃，溫度穩(wěn)定度±0.1℃。

3.1 溫控系統(tǒng)方案

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，為了測(cè)量結(jié)構(gòu)整體溫度場(chǎng)并且獲得足夠的控溫精度和穩(wěn)定度，本文采用加熱片、分布式測(cè)溫光纖對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行高精度溫度場(chǎng)測(cè)量和控制。光纖測(cè)溫利用摻雜光纖形成光柵，在溫度變化時(shí)，光纖等效折射率和折射率變化周期都會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，引起反射波長(zhǎng)的變化，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化可以得到溫度值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。相比傳統(tǒng)測(cè)溫方式，光纖測(cè)溫不受電磁干擾，能實(shí)施無(wú)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，體積小、重量輕、可繞曲、靈敏度高，能實(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制[4,5]。

3.2 溫控測(cè)試過(guò)程

溫控測(cè)試過(guò)程包括制作加熱片回路、粘貼光纖測(cè)溫點(diǎn)、熱控包覆、光纖標(biāo)定等環(huán)節(jié)。對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，從25℃開(kāi)始，每升高0.2℃，測(cè)試一組間隙數(shù)據(jù)；溫度在30℃穩(wěn)定后關(guān)閉控溫儀，溫度開(kāi)始下降，下降過(guò)程再次每隔0.2℃記錄一次間隙數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中，整個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的溫度變化和保持，為目標(biāo)間隙值的裝配控制提供了穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

4 間隙測(cè)量

4.1 直接測(cè)量方法

裝配過(guò)程中，需要對(duì)位置和間隙尺寸進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償，常用的位移測(cè)量方式，如光學(xué)投影，高度表等都不能滿足壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的需求，不能對(duì)其核心物理量—間隙進(jìn)行有效的評(píng)估。其不足主要體現(xiàn)在精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性兩方面，在靜態(tài)測(cè)量精度方面，原有測(cè)試方法測(cè)量精度只能達(dá)到2～3μm量級(jí)，不能滿足高精度壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)10nm～1μm量級(jí)的測(cè)試要求；其次，當(dāng)位移從10nm到1μm量級(jí)時(shí)，遲滯、蠕變等動(dòng)態(tài)非線性特性已經(jīng)不能忽略，不能對(duì)在不同激勵(lì)下的激勵(lì)-位移特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。因此，需要引入新的測(cè)量手段，對(duì)高精度壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移標(biāo)定和間隙測(cè)量，滿足產(chǎn)品需求。

本文引入了高精度電容位移傳感器，具有很高的測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。首先采用激光干涉測(cè)量?jī)x對(duì)高精度電容位移傳感器標(biāo)定，然后將電容位移傳感器裝至壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，使其可以與頂桿接觸，達(dá)到位移、間隙測(cè)量的目的，在整個(gè)壽命周期內(nèi)，間隙值均動(dòng)態(tài)可測(cè)，為產(chǎn)品裝配提供過(guò)程數(shù)據(jù)。

4.2 間接測(cè)量方法

壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用作氣體流量控制，根據(jù)流量計(jì)算公式，在一定的壓力、溫度下，通過(guò)出口的質(zhì)量流量與目標(biāo)間隙的節(jié)流面積成正比。對(duì)于平面密封形式，節(jié)流面積正比于頂桿和底座密封面的間隙值。因此，可以通過(guò)測(cè)量一定溫度、壓力下通過(guò)出口的質(zhì)量流量間接測(cè)得目標(biāo)間隙值(式（1）)[6]，通過(guò)流量間接測(cè)量間隙值可以規(guī)避各類變形和不可測(cè)因素的影響，測(cè)量精度僅取決于流量測(cè)量的精度，能更直接地反映產(chǎn)品性能。

搭建如圖2所示的流量測(cè)試系統(tǒng)，控制入口和出口氣體壓力，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)施高精度溫度控制，通過(guò)下游的高精度流量傳感器即可以測(cè)得通過(guò)目標(biāo)間隙的質(zhì)量流量。

式中：G——質(zhì)量流量，kg/s；Cd——流量系數(shù)；d0——節(jié)流孔直徑，m；δ——間隙值，m；Pi——入口壓力，Pa；Pe——出口壓力，Pa；T——絕對(duì)溫度，K；R——?dú)怏w常數(shù)；k——絕熱指數(shù)。

5 反饋調(diào)節(jié)方法

裝配誤差通?？梢圆捎帽粍?dòng)補(bǔ)償方法，即測(cè)量需要控制的位置參數(shù)，通過(guò)添加補(bǔ)償墊片或打磨修配，使裝配精度達(dá)到指標(biāo)要求。但對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)微小間隙的裝配，補(bǔ)償量通常在μm精度，且需要反復(fù)拆裝，拆裝過(guò)程的應(yīng)力和微小狀態(tài)變化都會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償結(jié)果的離散。本文對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙尺寸實(shí)時(shí)測(cè)量，采用反饋調(diào)節(jié)裝配策略，實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)整壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置和間隙，保證裝配精度滿足產(chǎn)品要求。其步驟如圖3所示。

基于間隙測(cè)量和反饋調(diào)節(jié)的壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配方法，通過(guò)測(cè)量壓電驅(qū)動(dòng)器電壓-位移特性；組裝壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，粗調(diào)間隙；測(cè)量開(kāi)啟行程，按照行程測(cè)試結(jié)果精調(diào)間隙；對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，標(biāo)定工作溫度范圍內(nèi)間隙的準(zhǔn)確值，實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)μm級(jí)裝配精度，滿足推力控制要求并保證推力器可靠密封和開(kāi)啟。

圖3 反饋調(diào)節(jié)流程

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了高精度微推力器裝配過(guò)程中，壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)微小間隙的裝配控制方法：在高精度溫控下，通過(guò)電容位移傳感器測(cè)量間隙變化，通過(guò)質(zhì)量流量間接測(cè)量間隙值；根據(jù)變化趨勢(shì)在裝配中采用反饋調(diào)節(jié)裝配策略，使整個(gè)壽命周期內(nèi)位置和間隙尺寸可測(cè)，為產(chǎn)品成功裝配提供過(guò)程數(shù)據(jù)。滿足了高精度微推力器裝配過(guò)程中μm級(jí)位置和間隙尺寸測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品精度指標(biāo)的全壽命周期可調(diào)、可測(cè)，順利完成了μN(yùn)級(jí)高精度微推力器的研制交付，在引力波探測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星上得到應(yīng)用。

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Assembly Gap Measurement and Feedback Control of High Precision Piezoelectric Drive Mechanism

Gao Chenguang Wang Xudong Song Xinhe

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In view of the high-precision assembly requirements of piezoelectric drive mechanism for high-precision microthruster, an assembly method of piezoelectric drive mechanism based on gap measurement and feedback regulation is proposed. Analyze the tolerance control requirements of parts by statistical squared tolerance method. Test the gap and displacement of the piezoelectric drive mechanism under temperature control. The feedback adjustment assembly strategy is adopted to ensure that the assembly accuracy meets the design requirements. This assembly method can achieve high assembly accuracy and provide a solution for precision mechanism assembly.

piezoelectric drive mechanism；tolerance analysis；gap measurement；feedback control

TH13

B

高晨光（1979），高級(jí)工程師，飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：空間推進(jìn)系統(tǒng)流體控制技術(shù)。

2022-09-21