專利名稱：兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)、精密光學元件加工、超精密機械加工設(shè)備、汽車制造業(yè)、航空 航天等領(lǐng)域，特別是涉及超精密金屬切削加工機床中的車削刀具的精密定位技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景近年來，隨著微電子學、生物醫(yī)學、半導體、光學、數(shù)據(jù)存儲、超精密機械及其制造等 學科的迅猛發(fā)展，人們對微納米級精度的超精密切削加工技術(shù)和復雜曲面超精密切削加工技 術(shù)及裝備有著越來越多的需求。因此各種具有精密定位或有精密驅(qū)動功能的機床輔件被開發(fā) 研制出來。傳統(tǒng)的刀架一般采用步進電機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)精密定位或精密驅(qū)動，或者采用 手動細牙螺紋視線定位或驅(qū)動。近年來，隨著智能材料技術(shù)的發(fā)展，以壓電陶瓷為核心元件 的另一種精密定位或精密驅(qū)動的刀架系統(tǒng)脫穎而出。傳統(tǒng)的刀架受限于其自身的結(jié)構(gòu)原理，往往存在結(jié)構(gòu)尺寸大、定位精度低、而且往返重 復定位精度低等缺點，這嚴重制約了機械零部件的加工精度，進而阻礙了制造業(yè)的發(fā)展水平； 同時，傳統(tǒng)的車削加工中刀具系統(tǒng)只能實現(xiàn)單自由度運動輸出，無法實現(xiàn)刀具實時的精密擺 動(回轉(zhuǎn))運動，進而無法加工復雜形狀表面。因此有必要設(shè)計一種定位精度較高，同時可 輸出精密直線運動和精密回轉(zhuǎn)運動的伺服刀具驅(qū)動裝置，以滿足現(xiàn)代制造對復雜表面超精密 加工的要求。 發(fā)明內(nèi)容為了解決上述問題和不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū) 動裝置，使之具有定位精度高、響應(yīng)迅速、可實現(xiàn)精密直線與旋轉(zhuǎn)兩自由度的運動輸出，并 能實現(xiàn)微納米級精密定位的功能。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合


如下該裝置由基座(1)、刀架(2)和驅(qū)動元件組成，所說的刀架(2)由多個薄壁柔性鉸鏈 連接到剛性基座(1)上，所說的基座(1)由三層結(jié)構(gòu)(15、 16、 17)組成，每層之間通過 柔性鉸鏈(11、 12)連接；所說的驅(qū)動元件由壓電疊堆(3、 7、 8)組成，其中的壓電疊堆(3)整體安裝于基座(1)第一層結(jié)構(gòu)(15)的U型槽中，通過預緊機構(gòu)預緊，支架(6) 整體置于基座(1)尾端的矩形槽內(nèi)，并與基座(1)的第二層結(jié)構(gòu)(16)過盈配合，壓電疊 堆(7)安裝于支架(6)與基座的第一層結(jié)構(gòu)(15)之間，壓電疊堆(8)安裝于支架(6) 和基座的第三層結(jié)構(gòu)(17)之間，基座(1)尾端為連接裝置(9)，它與基座第三層結(jié)構(gòu)(17) 是同一整體。所說的預緊機構(gòu)采用自鎖式楔形塊(4)，其預緊力由螺栓(5)提供，并可沿y方向移 動對壓電疊堆(3)正向預緊反向自鎖。所說的薄壁柔性鉸鏈采用三組薄壁柔性鉸鏈(10、 13、 14)，薄壁柔性鉸鏈與所連接 的基座(1)和刀架(2)是同一整體，薄壁柔性鉸鏈通過電火花線切割方式加工而成，在壓 電疊堆(3)的推動作用下，可發(fā)生微小彎曲變形，驅(qū)動力撤銷，回到初始位置，進而使刀 架(2)產(chǎn)生沿x向的精密直線運動。由于基座(1)和刀架(2)是一整體，故無需裝配， 且刀架(2)受到壓電疊堆(3)的推動而與基座(1)發(fā)生相對運動時不產(chǎn)生摩擦和磨損， 可大大提高定位精度和使用壽命。所說的柔性鉸鏈(11、 12)為兩組結(jié)構(gòu)相同的薄壁柔性鉸鏈，柔性鉸鏈(11、 12)與基 座(1)的各層結(jié)構(gòu)為同一整體，各層結(jié)構(gòu)受壓電疊堆(7)或(8)驅(qū)動力分別作用或受壓 電疊堆(7)和(8)驅(qū)動力同時作用而發(fā)生相對運動時，柔性鉸鏈(11、 12)發(fā)生相應(yīng)的扭 轉(zhuǎn)變形，撤銷壓電疊堆驅(qū)動力作用，柔性鉸鏈回到初始位置。所說的壓電疊堆(3、 7、 8)為可控面型的精密致動元件，通過對壓電疊堆(3)施加電 壓時，刀架(2)沿x方向的精密直線運動；分別對壓電疊堆(7、 8)施加電壓時，刀架(2) 繞z軸的順時針轉(zhuǎn)動或逆時針轉(zhuǎn)動。通過對所說的壓電疊堆(7)施加電壓可以使基座(1)的第一層結(jié)構(gòu)帶動刀具相對于靜止 的第二、三層發(fā)生順時針微小角度的轉(zhuǎn)動；對壓電疊堆(8)施加電壓可以使基座(1)的第一、 二兩層相對于靜止的第三層發(fā)生逆時針微小角度的轉(zhuǎn)動。對所說的精密直線運動和精密回轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)完全依賴相應(yīng)壓電疊堆(3、 7、 8)的推 力作用。對所說的支座(1)與運動輸出單元刀架(2)之間的直線傳動元件一薄壁柔性鉸鏈(10、 13、 14)和回轉(zhuǎn)傳動元件一扭轉(zhuǎn)薄壁柔性鉸鏈(11、 12)是渾然一體的機械結(jié)構(gòu)。對所說的驅(qū)動元件為在電壓作用下將輸出精確變形的壓電疊堆元件或其它智能元件。 該兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置采用薄壁柔性鉸鏈與基座連接，以提高刀具直線 方向定位精度和重復定位精度；為了提高轉(zhuǎn)動精度，本裝置采用驅(qū)動疊堆與基座直接過盈配 合，從而避免傳動機構(gòu)誤差，保證轉(zhuǎn)動角度的準確性?；娜龑咏Y(jié)構(gòu)之間用兩組柔性鉸鏈 連接，使結(jié)構(gòu)緊湊并且響應(yīng)迅速。支架(6)形似十字架，以過盈配合方式固定在基座的中 間層，兩個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動用壓電疊堆安裝于支架與基座的第一、三層之間，在相應(yīng)壓電疊堆推力 作用下，推動刀架可實現(xiàn)順時針和逆時針的精密轉(zhuǎn)動，通過電壓調(diào)整壓電疊堆的伸長量進而 可以精確控制刀架的旋轉(zhuǎn)角度。為了達到加工復雜曲面的目的，可以隨時調(diào)節(jié)刀具直線運動
位移和旋轉(zhuǎn)角度，以達到復雜表面超精密加工的要求。本發(fā)明的積極效果是可大大提高刀具系統(tǒng)的定位精度，配合直線運動和回轉(zhuǎn)運動能實 現(xiàn)復雜合成運動的精密輸出，從而完成復雜曲面的超精密加工，同時具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，動 態(tài)特性優(yōu)良，成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點。

下面結(jié)合優(yōu)選實施例詳細說明本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點，在附圖中-圖l是兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是圖2的A-A剖視圖；圖4是圖1的左視圖；圖5是柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)原理圖；圖6是用于裝配扭轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆的支架圖。 圖中l(wèi).基座2.刀架3.直線驅(qū)動壓電疊堆4.楔形塊5.螺栓6.用于裝配旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓 電疊堆的支架7、 8.壓電疊堆9.連接裝置10、 11 、 12、 13、 14柔性鉸鏈 15、 16、 17.基座的三層結(jié)構(gòu)圖5中的3=/^:，《為柔性鉸鏈的彎曲剛度，3為柔性鉸鏈微變形，F(xiàn)為是加載柔性鉸鏈 自由端的外力。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖所示實施實例記憶不說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。參見圖1、 2、 3，基座1與刀架2通過柔性鉸鏈10、 13、 14連成一體，有利于提高系 統(tǒng)剛性，避免傳動摩擦和磨損，從而增加系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。壓電疊堆(3)整體安裝于基 座(1)第一層結(jié)構(gòu)(15)的U型槽中，通過預緊機構(gòu)的楔形塊(4)，利用螺釘(5)實現(xiàn)對 壓電疊堆(3)預緊。壓電疊堆(7、 8)安裝于支架(6)上，支架(6)整體置于基座(1) 尾端的矩形槽內(nèi)，并與基座(1)的第二層結(jié)構(gòu)(16)過盈配合。刀架(2)在壓電疊堆(3) 推力作用下，可以實現(xiàn)沿x方向精密直線運動；刀架(2)在壓電疊堆(7、 8)作用下，可 以實現(xiàn)繞z軸的正、反向精密旋轉(zhuǎn)運動。具體工作過程如下初始狀態(tài)壓電疊堆3、 7、 8均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，基座l第三層的后端連接 裝置9被固定于機床工作臺或轉(zhuǎn)塔刀架上。此時通過旋轉(zhuǎn)螺栓5對壓電疊堆3進行預緊調(diào)節(jié); 當壓電疊堆3通電伸長時，柔性鉸鏈IO、 13、 14在其作用下發(fā)生彈性變形而推動刀架2沿 x方向輸出精密直線運動(刀架是否通過柔性鉸鏈IO、 13、 14裝在第1層基架上？)，當壓 電疊堆3斷電回縮時，柔性鉸鏈IO、 13、 14在其自身反向回復力作用下帶動刀架2回到原 來位置。當壓電疊堆7帶電伸長時，在其作用下，基座1的第一層結(jié)構(gòu)受到驅(qū)動力作用(該 力為系統(tǒng)內(nèi)力)，與此同時基座l第一二兩層之間的柔性鉸鏈ll發(fā)生變形，從而使該兩層結(jié) 構(gòu)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。但基座l的第二、三兩層之間無相互作用力，故保持相對靜止?？梢?，當 壓電疊堆7帶電伸長時，基座第一層結(jié)構(gòu)將帶動刀架相對于第二層，以及尾端的連接裝置9 沿順時針方向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的微小角度；如需要刀具做逆時針方向轉(zhuǎn)動，可使壓電疊堆7縮短至 原來位置，使壓電疊堆8帶電伸長，此時柔性鉸鏈12發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，即可帶動基座一、二 兩層結(jié)構(gòu)相對第三層結(jié)構(gòu)、亦即固定端連接裝置9逆時針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的微小角度(此時基座l 的第一、二兩層相對靜止)。當加工自由曲面時，需要刀架按相應(yīng)規(guī)律做直線進給與旋轉(zhuǎn)運 動相結(jié)合的較復雜的合成運動，此時需按照一定邏輯順序控制壓電疊堆3、 7、 8的伸長、縮 短量來調(diào)節(jié)整個運動。整個伺服刀具驅(qū)動裝置的工作過程具有嚴格的時序邏輯，其精密直線運動和精密回轉(zhuǎn)運 動的實現(xiàn)完全依賴相應(yīng)壓電疊堆的推力作用。
權(quán)利要求
1、一種兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，由基座(1)、刀架(2)和驅(qū)動元件組成，其特征在于所說的刀架(2)由多個薄壁柔性鉸鏈連接到剛性基座(1)上，所說的基座(1)由三層結(jié)構(gòu)(15、16、17)組成，每層之間通過柔性鉸鏈(11、12)連接；所說的驅(qū)動元件由壓電疊堆(3、7、8)組成，其中的壓電疊堆(3)整體安裝于基座(1)第一層結(jié)構(gòu)(15)的U型槽中，通過預緊機構(gòu)預緊，支架(6)整體置于基座(1)尾端的矩形槽內(nèi)，并與基座(1)的第二層結(jié)構(gòu)(16)過盈配合，壓電疊堆(7)安裝于支架(6)與基座的第一層結(jié)構(gòu)(15)之間，壓電疊堆(8)安裝于支架(6)和基座的第三層結(jié)構(gòu)(17)之間，基座(1)尾端為連接裝置(9)，它與基座第三層結(jié)構(gòu)(17)是同一整體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，其特征在于所說的預 緊機構(gòu)采用自鎖式楔形塊(4)，其預緊力由螺栓(5)提供，并可沿y方向移動對壓電疊堆(3)正向預緊反向自鎖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，其特征在于所說的薄 壁柔性鉸鏈采用三組薄壁柔性鉸鏈(10、 13、 14)，薄壁柔性鉸鏈與所連接的基座(1)和 刀架(2)是同一整體，薄壁柔性鉸鏈通過電火花線切割方式加工而成，在壓電疊堆(3)的 推動作用下，可發(fā)生微小彎曲變形，驅(qū)動力撤銷，回到初始位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，其特征在于所說的柔 性鉸鏈(11、 12)為兩組結(jié)構(gòu)相同的薄壁柔性鉸鏈，柔性鉸鏈(11、 12)與基座(1)的各 層結(jié)構(gòu)為同一整體，各層結(jié)構(gòu)受壓電疊堆(7)或(8)驅(qū)動力分別作用或受壓電疊堆(7) 和(8)驅(qū)動力同時作用而發(fā)生相對運動時，柔性鉸鏈(11、 12)發(fā)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，撤 銷壓電疊堆驅(qū)動力作用，柔性鉸鏈回到初始位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，其特征在于所說的壓 電疊堆(3、 7、 8)為可控面型的精密致動元件，通過對壓電疊堆(3)施加電壓時，刀架(2) 沿x方向的精密直線運動；分別對壓電疊堆(7、 8)施加電壓時，刀架(2)繞z軸的順時 針轉(zhuǎn)動或逆時針轉(zhuǎn)動。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l或4所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置，其特征在于通過 對所說的壓電疊堆(7)施加電壓可以使基座(1)的第一層結(jié)構(gòu)帶動刀具相對于靜止的第二、 三層發(fā)生順時針微小角度的轉(zhuǎn)動；對壓電疊堆(8)施加電壓可以使基座(1)的第一、二兩層 相對于靜止的第三層發(fā)生逆時針微小角度的轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超精密金屬切削加工機床中的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動裝置。該裝置由基座(1)、刀架(2)和驅(qū)動元件組成，所說的刀架(2)由多個薄壁柔性鉸鏈連接到剛性基座(1)上，所說的基座(1)由三層結(jié)構(gòu)(15、16、17)組成，每層之間通過柔性鉸鏈(11、12)連接；所說的驅(qū)動元件由壓電疊堆(3、7、8)組成，其中的壓電疊堆(3)整體安裝于基座(1)第一層結(jié)構(gòu)(15)的U型槽中，通過預緊機構(gòu)預緊，支架(6)整體置于基座(1)尾端的矩形槽內(nèi)，并與基座(1)的第二層結(jié)構(gòu)(16)過盈配合，壓電疊堆(7、8)安裝于支架(6)上。本發(fā)明可實現(xiàn)加工刀具的直線、回轉(zhuǎn)混合的多自由度精確定位。
文檔編號B23Q5/02GK101157183SQ20071005631
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者周曉勤, 彭振興, 趙宏偉 申請人:趙宏偉