以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题，通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器，归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后，基于其逆模型搭建了前馈补偿器，并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明，对于等幅正弦波信号，经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1, 18%，最大轨迹跟踪偏差为2, 61%，证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动, 该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计, 结合柔顺放大机构和位移解耦机构, 末端执行机构实现较大的输出位移, 同时减小耦合位移。基于伪刚体模型, 建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型, 得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后, 采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机, 并搭建了实验测试系统。实验结果表明, 快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57; 输出耦合误差分别为1.26%和1.00%, 装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz, 系统动态性能良好。

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力, 设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力, 其呈对称布置, 用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制, 建立了PI迟滞模型和其逆模型, 并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示: 新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz, 响应时间为0.000 45 s; 三角波信号的最大定位误差为3.366 1 μm, 误差百分数为7.63%, 平均绝对误差为0.698 0 μm, 误差百分数为1.58%; 正弦波信号的最大定位误差为3.244 4 μm, 误差百分数为7.67%, 平均绝对误差为0.930 9 μm, 误差百分数为2.20%。

设计了一种基于双柔性支承板的快速伺服刀架用于金刚石车削加工非回转对称微结构表面, 并对其性能进行了测试。根据约束条件推导了刀架柔性支承板的刚度解析表达式, 同时给出了柔性板上最大Von Mises应力的计算公式。根据快速伺服刀架设计指标, 优化了柔性支承板的结构参数, 并根据上述结构参数, 加工得到了快速伺服刀架。最后, 搭建了快速伺服刀架控制系统, 测试了它的静态及动态特性。测试结果表明, 设计的快速伺服刀架的刚度为53 N/μm, 最小运动分辨率为3 nm, 工作行程可达20 μm。另外, 它的稳态跟踪误差小于4 nm, 开环带宽为2 kHz, 一阶固有频率可达3 kHz。测试结果不仅验证了所述设计方法的正确性, 也表明采用双柔性支承板结构是设计高刚度、高精度微位移机构的一种有效方法。

使用压电陶瓷作驱动元部件的快速伺服刀架是一种新的加工手段。本文介绍了基于Preisach模型的快速伺服刀架迟滞特性建模方法。作为快速伺服刀架的驱动元部件,压电陶瓷微位移器自身的迟滞、蠕变等非线性特性严重影响了快速伺服刀架的动态性能。为了精确建立快速伺服刀架的迟滞模型,给出了Preisach模型的数字表达方式,通过一系列实验测得的数据证明快速伺服刀架系统具有一致特性与擦除特性,满足Preisach模型的两个必要条件,最后在实验数据的基础上建立了基于Preisach模型的迟滞特性模型。实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,其预测误差不超过0.65μm。