專利名稱：兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微機(jī)電系統(tǒng)、精密光學(xué)元件加工、超精密機(jī)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(jī)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(xué)、生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、超精密機(jī)械及其制造等 學(xué)科的迅猛發(fā)展，人們對(duì)微納米級(jí)精度的超精密切削加工技術(shù)和復(fù)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(dòng)功能的機(jī)床輔件被開發(fā) 研制出來。傳統(tǒng)的刀架一般采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)精密定位或精密驅(qū)動(dòng)，或者采用 手動(dòng)細(xì)牙螺紋視線定位或驅(qū)動(dòng)。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(dòng)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(fù)定位精度低等缺點(diǎn)，這嚴(yán)重制約了機(jī)械零部件的加工精度，進(jìn)而阻礙了制造業(yè)的發(fā)展水平； 同時(shí)，傳統(tǒng)的車削加工中刀具系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單自由度運(yùn)動(dòng)輸出，無法實(shí)現(xiàn)刀具實(shí)時(shí)的精密擺 動(dòng)(回轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而無法加工復(fù)雜形狀表面。因此有必要設(shè)計(jì)一種定位精度較高，同時(shí)可 輸出精密直線運(yùn)動(dòng)和精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服刀具驅(qū)動(dòng)裝置，以滿足現(xiàn)代制造對(duì)復(fù)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，本實(shí)用新型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(dòng)裝置，使之具有定位精度高、響應(yīng)迅速、可實(shí)現(xiàn)精密直線與旋轉(zhuǎn)兩自由度的運(yùn)動(dòng)輸出， 并能實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)精密定位的功能。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下該裝置由基座l、刀架2和驅(qū)動(dòng)元件組成，所說的刀架2由多個(gè)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(dòng)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(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)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(yù)緊機(jī)構(gòu)采用自鎖式楔形塊4，其預(yù)緊力由螺栓5提供，并可沿y方向移動(dòng)對(duì)壓 電疊堆3正向預(yù)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(dòng)作用下，可發(fā)生微小彎曲變形，驅(qū)動(dòng)力撤銷，回到初始位置，進(jìn)而使刀架2產(chǎn)生沿x 向的精密直線運(yùn)動(dòng)。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(dòng)而與基座1發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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ll、 12為兩組結(jié)構(gòu)相同的薄壁柔性鉸鏈，柔性鉸鏈ll、 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(dòng)力分別作用或受壓電疊堆7和8驅(qū)動(dòng) 力同時(shí)作用而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性鉸鏈ll、 12發(fā)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，撤銷壓電疊堆驅(qū)動(dòng) 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(dòng)元件，通過對(duì)壓電疊堆3施加電壓時(shí)， 刀架2沿x方向的精密直線運(yùn)動(dòng)；分別對(duì)壓電疊堆7、 8施加電壓時(shí)，刀架2繞z軸的順時(shí) 針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通過對(duì)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(dòng)刀具相對(duì)于靜止的第 二、三層發(fā)生順時(shí)針微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)壓電疊堆8施加電壓可以使基座1的第一、二兩層 相對(duì)于靜止的第三層發(fā)生逆時(shí)針微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)所說的精密直線運(yùn)動(dòng)和精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)完全依賴相應(yīng)壓電疊堆3、 7、 8的推力作用。對(duì)所說的支座1與運(yùn)動(dòng)輸出單元刀架2之間的直線傳動(dòng)元件一薄壁柔性鉸鏈10、 13、 14 和回轉(zhuǎn)傳動(dòng)元件一扭轉(zhuǎn)薄壁柔性鉸鏈11、 12是渾然一體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。對(duì)所說的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(fù)定位精度；為了提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度，本裝置采用驅(qū)動(dòng)疊堆與基座直接過盈配 合，從而避免傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差，保證轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)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(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)刀架可實(shí)現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針的精密轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電壓調(diào)整壓電疊堆的伸長(zhǎng)量進(jìn)而可以精確 控制刀架的旋轉(zhuǎn)角度。為了達(dá)到加工復(fù)雜曲面的目的，可以隨時(shí)調(diào)節(jié)刀具直線運(yùn)動(dòng)位移和旋 轉(zhuǎn)角度，以達(dá)到復(fù)雜表面超精密加工的要求。本實(shí)用新型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(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜合成運(yùn)動(dòng)的精密輸出，從而完成復(fù)雜曲面的超精密加工，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良，成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明本實(shí)用新型的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中 圖l是兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)壓電疊堆的支架圖。 圖中l(wèi).基座2.刀架3.直線驅(qū)動(dòng)壓電疊堆4.楔形塊5.螺栓6.用于裝配旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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^i^:，《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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示實(shí)施實(shí)例記憶不說明本實(shí)用新型的具體內(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(dòng)摩擦和磨損，從而增加系統(tǒng)運(yùn)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(yù)緊機(jī)構(gòu)的楔形塊4，利用螺釘5實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆3預(yù)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l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(shí)現(xiàn)沿x方向精密直線運(yùn)動(dòng)； 刀架2在壓電疊堆7、 8作用下，可以實(shí)現(xiàn)繞z軸的正、反向精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(jī)床工作臺(tái)或轉(zhuǎn)塔刀架上。此時(shí)通過旋轉(zhuǎn)螺栓5對(duì)壓電疊堆3進(jìn)行預(yù)緊調(diào)節(jié)； 當(dāng)壓電疊堆3通電伸長(zhǎng)時(shí)，柔性鉸鏈IO、 13、 14在其作用下發(fā)生彈性變形而推動(dòng)刀架2沿 x方向輸出精密直線運(yùn)動(dòng)刀架是否通過柔性鉸鏈10、 13、 14裝在第1層基架上？)，當(dāng)壓電 疊堆3斷電回縮時(shí)，柔性鉸鏈10、 13、 14在其自身反向回復(fù)力作用下帶動(dòng)刀架2回到原來 位置。當(dāng)壓電疊堆7帶電伸長(zhǎng)時(shí)，在其作用下，基座1的第一層結(jié)構(gòu)受到驅(qū)動(dòng)力作用該力為 系統(tǒng)內(nèi)力)，與此同時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。但基座l的第二、三兩層之間無相互作用力，故保持相對(duì)靜止?？梢?，當(dāng)壓電疊堆7帶電伸長(zhǎng)時(shí)，基座第一層結(jié)構(gòu)將帶動(dòng)刀架相對(duì)于第二層，以及尾端的連接裝置9沿順 時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的微小角度；如需要刀具做逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，可使壓電疊堆7縮短至原來 位置，使壓電疊堆8帶電伸長(zhǎng)，此時(shí)柔性鉸鏈12發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，即可帶動(dòng)基座一、二兩層 結(jié)構(gòu)相對(duì)第三層結(jié)構(gòu)、亦即固定端連接裝置9逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的微小角度此時(shí)基座1的第一、 二兩層相對(duì)靜止)。當(dāng)加工自由曲面時(shí)，需要刀架按相應(yīng)規(guī)律做直線進(jìn)給與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合 的較復(fù)雜的合成運(yùn)動(dòng)，此時(shí)需按照一定邏輯順序控制壓電疊堆3、 7、 8的伸長(zhǎng)、縮短量來調(diào) 節(jié)整個(gè)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)伺服刀具驅(qū)動(dòng)裝置的工作過程具有嚴(yán)格的時(shí)序邏輯，其精密直線運(yùn)動(dòng)和精密回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的實(shí)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(dòng)裝置，由基座(1)、刀架(2)和驅(qū)動(dòng)元件組成，其特征在于所說的刀架(2)由多個(gè)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(dòng)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(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)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(dòng)裝置，其特征在于所說的預(yù) 緊機(jī)構(gòu)采用自鎖式楔形塊(4)，其預(yù)緊力由螺栓(5)提供，并可沿y方向移動(dòng)對(duì)壓電疊堆(3)正向預(yù)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(dòng)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(dòng)作用下，可發(fā)生微小彎曲變形，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力分別作用或受壓電疊堆(7) 和(8)驅(qū)動(dòng)力同時(shí)作用而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)元件，通過對(duì)壓電疊堆(3)施加電壓時(shí)，刀架(2) 沿x方向的精密直線運(yùn)動(dòng)；分別對(duì)壓電疊堆(7、 8)施加電壓時(shí)，刀架(2)繞z軸的順時(shí) 針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于通過 對(duì)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(dòng)刀具相對(duì)于靜止的第二、 三層發(fā)生順時(shí)針微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)壓電疊堆(8)施加電壓可以使基座(1)的第一、二兩層 相對(duì)于靜止的第三層發(fā)生逆時(shí)針微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種超精密金屬切削加工機(jī)床中的兩自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置由基座(1)、刀架(2)和驅(qū)動(dòng)元件組成，所說的刀架(2)由多個(gè)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(dòng)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(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)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。本實(shí)用新型可實(shí)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(hào)B23Q5/00GK201128078SQ20072009460
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:趙宏偉