專利名稱：帶有疊層致動(dòng)器的振動(dòng)輔助機(jī)械加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有疊層致動(dòng)器的振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)系統(tǒng)。這些 VAM系統(tǒng)可以允許制造具有改進(jìn)的表面光潔度質(zhì)量、減小的特征尺寸和增 加的空間復(fù)雜度的裝置。它們還可以允許裝置的更快速的制造。
背景技術(shù)：
振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)是在各種應(yīng)用中利用的一種先進(jìn)的制造技 術(shù)，所述各種應(yīng)用例如為制造用于光柵和衍射光學(xué)器件的主模、和制造用 于沖壓成形的母模(diemasters)。與單點(diǎn)車削加工比較，VAM技術(shù)可以提 供優(yōu)點(diǎn)，包括減少刀具磨損；擴(kuò)展材料機(jī)械加工性能；和增加納米級(jí)特 征的能力。
VAM還能機(jī)械加工例如為碳化硅的材料，所述材料由于金剛石尖端的 過(guò)熱所以極其難以使用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)加工。VAM系統(tǒng)在復(fù)雜度和用 途方面變化。VAM系統(tǒng)、例如為北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)的Ultramm系統(tǒng) 使用并排安裝的兩個(gè)壓電(PZT)致動(dòng)器來(lái)以橢圓形軌跡驅(qū)動(dòng)金剛石刀具。 橢圓形軌跡的短軸和長(zhǎng)軸通過(guò)用于使PZT致動(dòng)器與切削刀具接合的T形聯(lián) 接件以及用于驅(qū)動(dòng)PZT致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振幅和相位而確定。然而，當(dāng) 在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行時(shí)，所述聯(lián)接件幾何形狀和驅(qū)動(dòng)方法不允許在刀具進(jìn)入 或退出工件時(shí)減小刀具導(dǎo)入和導(dǎo)出區(qū)域(即過(guò)渡區(qū)域)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于機(jī)械加工硬質(zhì)材料的改進(jìn)的振動(dòng)銑削加工裝置和方 法，以產(chǎn)生高質(zhì)量表面光潔度并可以提供減小的刀具導(dǎo)入和導(dǎo)出區(qū)域，同 時(shí)保持與VAM工藝相關(guān)的其他所需特征。
本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式是一種振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)系統(tǒng)， 包括框架；與所述框架機(jī)械接合的振動(dòng)元件；與所述振動(dòng)元件相連接的
10切削/切割刀具保持架；和與所述框架接合的工件保持架。振動(dòng)元件包括適 于在VAM系統(tǒng)的振動(dòng)平面內(nèi)產(chǎn)生大致橢圓形刀具軌跡的第一致動(dòng)器和第 二致動(dòng)器。VAM系統(tǒng)還包括在所述框架與所述振動(dòng)元件或所述工件保持架 之間接合的第三致動(dòng)器。所述第三致動(dòng)器與所述框架接合，以使其位移軸 大致位于振動(dòng)平面內(nèi)且大致垂直于VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向。
本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方式是一種VAM系統(tǒng)，包括框架；切削 刀具保持架；與所述框架接合的工件保持架；和三個(gè)致動(dòng)器。第一致動(dòng)器 在所述框架與所述切削刀具保持架或所述工件保持架之間接合。第二致動(dòng) 器也在所述框架與所述切削刀具保持架或所述工件保持架之間接合。第三 致動(dòng)器在所述框架和前兩個(gè)所述致動(dòng)器的一個(gè)之間、在所述框架和所述切 削刀具保持架之間、或在所述框架和所述工件保持架之間接合。第一和第 二致動(dòng)器適于以VAM系統(tǒng)的振動(dòng)平面內(nèi)大致橢圓形的刀具軌跡驅(qū)動(dòng)安裝 在所述切削刀具保持架中的切削刀具。第一和第三致動(dòng)器與所述框架接合， 以使得它們的位移軸大致位于振動(dòng)平面內(nèi)且大致垂直于VAM系統(tǒng)的進(jìn)給 方向。第二致動(dòng)器與所述框架接合，以使其位移軸位于振動(dòng)平面內(nèi)且大致 平行于VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，由下面詳細(xì)說(shuō)明可以最好地理解本發(fā)明。需強(qiáng)調(diào) 的是，根據(jù)一般慣例，附圖的各個(gè)特征不按比例繪制。相反，為了清楚， 所述各個(gè)特征的尺寸被任意擴(kuò)大或減小。說(shuō)明書(shū)附圖中包括以下附圖
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)系統(tǒng)的側(cè) 向平面視圖。
圖2是示出可以在根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)中使用的示例性疊層
致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的剖開(kāi)透視圖。
圖3A和4A是示出可以用于驅(qū)動(dòng)根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)的壓 電致動(dòng)器的示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)的曲線圖。
圖3B是示出由圖3A的示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的根據(jù)本發(fā)明的示例性 VAM系統(tǒng)中的切削刀具的尖端的運(yùn)動(dòng)的曲線圖。
圖4B是示出由圖4A的示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)中的切削刀具的尖端的運(yùn)動(dòng)的曲線圖。
圖5A是示出使用現(xiàn)有技術(shù)的VAM系統(tǒng)獲得的示例性表面光潔度和進(jìn) 給速率的側(cè)向平面視圖。
圖5B和5C是示出使用根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)獲得的示例性 表面光潔度和進(jìn)給速率的側(cè)向平面視圖。
圖6A是示出可以在根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)中使用的振動(dòng)元件 的側(cè)向平面視圖。
圖6B是示出圖6A的振動(dòng)元件的交叉中空彎曲部(cross-void flexure) 運(yùn)行原理的側(cè)向平面視圖。
圖7A是示出可以在根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)中使用的另一種振 動(dòng)元件的透視圖。
圖7B是示出圖7A的振動(dòng)元件的運(yùn)行原理的曲線圖。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性VAM系統(tǒng)的側(cè)向平面視圖。
具體實(shí)施例方式
一種當(dāng)前的VAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用以并排結(jié)構(gòu)(類似于圖2中PZT 200 和202的結(jié)構(gòu))布置的兩個(gè)壓電(PZT)疊層件/致動(dòng)器。在本發(fā)明的以下 詳細(xì)描述中，許多實(shí)例特別地示出包括以并排結(jié)構(gòu)布置的兩個(gè)PZT致動(dòng)器 的振動(dòng)元件。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，所述特定振動(dòng)元件的使用僅 僅是示例性的而不是意在作出限制?？梢栽O(shè)想的是，本領(lǐng)域已知的其他類 型的兩個(gè)PZT致動(dòng)器振動(dòng)元件(例如在圖6A、 6B、 7A、 7B和8中示出的 那些振動(dòng)元件)可以使用在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中。
雖然以下描述的示例性VAM系統(tǒng)中使用的致動(dòng)器被描述為PZT致動(dòng) 器，但是這并不意在作出限制。還可以設(shè)想的是，例如為磁致伸縮致動(dòng)器 的其他致動(dòng)器可以用于代替本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)PZT 致動(dòng)器。
在使用帶有并排結(jié)構(gòu)的振動(dòng)元件的VAM系統(tǒng)中，通過(guò)將正弦電壓信號(hào) 應(yīng)用到具有約1-4 kHz的頻率并且彼此呈60-170°相異相位的兩個(gè)PZT上， 振動(dòng)元件被驅(qū)動(dòng)；然而，通常使用在信號(hào)之間呈90。的相位差。兩個(gè)致動(dòng) 器的振蕩在通過(guò)"T"聯(lián)接件而接合時(shí)產(chǎn)生橢圓形切削刀具運(yùn)動(dòng)。所述運(yùn)動(dòng)
12將進(jìn)入/過(guò)渡區(qū)域限制到橢圓的一半長(zhǎng)度，并且還限制可用于實(shí)現(xiàn)所需的表 面光潔度的切削過(guò)程中的最大進(jìn)給速率。由于橢圓的曲線形輪廓，進(jìn)給速 率通過(guò)所述表面光潔度所需的最高點(diǎn)至最低點(diǎn)的值控制。應(yīng)該注意的是， 所獲得的的表面在高放大倍數(shù)下具有大致圓齒形的外觀。所述圓齒形圖案
的長(zhǎng)度和高度比例與每個(gè)橢圓循環(huán)的上進(jìn)給速率(upfeedmte)和橢圓形的 等效半徑估計(jì)值大致相關(guān)。
本發(fā)明的示例性實(shí)施方式將第三短行程PZT致動(dòng)器添加到并排PZT致 動(dòng)器上。第三PZT致動(dòng)器也可以用正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)。參考預(yù)期的切削表 面，可以變化所述第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位、頻率和/或振幅，以使得切削刀具 的尖端的所獲得的橢圓形運(yùn)動(dòng)改變?yōu)椴煌男螤?。通過(guò)工件"所見(jiàn)"的刀 具運(yùn)動(dòng)將指示性能特征。這些改變的刀具軌跡形狀中的一些可以允許更快 的進(jìn)給速率，而其他刀具軌跡形狀可以允許在單次走刀(pass)中實(shí)現(xiàn)更深 的切削。
圖1示出本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式。所述示例性實(shí)施方式是VAM 系統(tǒng)，包括框架100;包括以并排結(jié)構(gòu)安裝的兩個(gè)PZT致動(dòng)器的振動(dòng)元
件114;切削刀具保持架112;工件保持架106;和第三擾動(dòng)PZT致動(dòng)器。
擾動(dòng)PZT致動(dòng)器可以接合在框架100與振動(dòng)元件114 (PZT致動(dòng)器116)和 工件保持架106 (PZT致動(dòng)器104)中的任一個(gè)之間或接合在框架100與所 述振動(dòng)元件114和工件保持架106兩者之間。圖1還示出了安裝在工件保 持架106上的工件108，以及可以包括在根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)中 的其它元件，例如切削刀具110;運(yùn)動(dòng)平臺(tái)102，以在工件108的機(jī)械加 工過(guò)程中工件108和/或切削刀具110相對(duì)彼此移動(dòng)；振動(dòng)控制電路118， 以提供用于振動(dòng)元件114、擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和/或擾動(dòng)PZT致動(dòng)器116 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
框架100、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)102、工件保持架106、振動(dòng)元件114、切削刀具 保持架112和切削刀具IIO可以全部都與現(xiàn)有技術(shù)的VAM系統(tǒng)、例如北卡 羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)的Ultramill系統(tǒng)的相應(yīng)元件類似。切削刀具110可以 典型地包括金剛石尖端；然而，例如為硬質(zhì)合金或藍(lán)寶石的其他切削刀具 尖端也可以依據(jù)待機(jī)械加工的材料理想地使用。
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)102可以每一個(gè)都包括進(jìn)給平臺(tái)和/或步進(jìn)平臺(tái)以移動(dòng)工件108和/或切削刀具110。這些進(jìn)給和步進(jìn)平臺(tái)理想地提供沿正交方向的運(yùn) 動(dòng)，以便提供光柵掃描機(jī)械加工圖案，所述正交方向大致平行于工件108 的表面(并且還大致正交于擾動(dòng)PZT致動(dòng)器的偏振軸)。注意到運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 102還可以包括一個(gè)Z平移平臺(tái)以控制切削深度(在機(jī)械加工工件108表 面的過(guò)程中)和工件108與切削刀具110尖端之間的間距(當(dāng)工件108表 面不被加工時(shí))。其他運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜平臺(tái)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜平臺(tái) 平臺(tái)也可以包括在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)102中，以允許獲得附加的自由度和/或備選的 機(jī)械加工圖案。
圖2是示出振動(dòng)元件114、切削刀具保持架112和擾動(dòng)PZT致動(dòng)器116 的示例性結(jié)構(gòu)的放大的剖開(kāi)透視圖。所述圖示出PZT致動(dòng)器200和202的 并排結(jié)構(gòu)，即這兩個(gè)PZT致動(dòng)器的偏振(位移)軸大致平行(圖2頁(yè)面中 的上下方向，圖l頁(yè)面中的左右方向)。這兩個(gè)PZT致動(dòng)器通過(guò)T聯(lián)接件 (T形聯(lián)接件)204接合在一起以形成振動(dòng)元件，所述振動(dòng)元件可以用作圖 1的示例性VAM系統(tǒng)中的振動(dòng)元件114。如以上所討論的那樣，用正弦信 號(hào)驅(qū)動(dòng)PZT致動(dòng)器200和202引起安裝在切削刀具保持架112中的切削刀 具的尖端沿大致橢圓形刀具軌跡(如圖5A所示)運(yùn)動(dòng)，所述橢圓形刀具軌 跡位于大致平行于VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向的平面內(nèi)。(所述平面通常大致垂 直于被機(jī)械加工的工件108的表面。)通過(guò)改變這些正弦信號(hào)的振幅和/或 它們的相位差，可以改變所述橢圓形刀具軌跡的方位和橢圓率，包括變?yōu)?正圓形；然而，只要PZT致動(dòng)器200和202用正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則刀具尖端 的刀具軌跡就仍然保持大致橢圓形。
圖6A示出備選的振動(dòng)元件114'。所述示例性振動(dòng)元件使用正交安裝的 PZT致動(dòng)器600和602以使交叉中空彎曲部604變形。這些變形引起切削 刀具110沿曲線形軌跡行進(jìn)，如圖6B所示。通過(guò)用具有相同頻率和不同相 位的正弦變化的信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)致動(dòng)器600和602，所述曲線形軌跡變?yōu)榉忾] 橢圓形。如在圖2的示例性振動(dòng)元件中，通過(guò)改變這些正弦信號(hào)的振幅和/ 或它們的相位差，可以改變所述橢圓形刀具軌跡的方位和橢圓率，包括變 為正圓形；然而，只要PZT致動(dòng)器200和202用正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則刀 具尖端的刀具軌跡就仍然保持大致橢圓形。
圖7A示出另一個(gè)備選的振動(dòng)元件114"。所述示例性振動(dòng)元件使用正交安裝的PZT致動(dòng)器702以在二維振動(dòng)梁700上建立振蕩。二維振動(dòng)梁700 在接合點(diǎn)704處剛性接合。因此，如圖7B所示，帶有對(duì)應(yīng)于接合點(diǎn)704 的節(jié)點(diǎn)的橫向駐波706可以由PZT致動(dòng)器702驅(qū)動(dòng)，所述PZT致動(dòng)器702 在兩個(gè)接合點(diǎn)704的中點(diǎn)與二維振動(dòng)梁700接合。適于起到切削刀具保持 架112的作用的二維振動(dòng)梁700的端部由這些駐波振動(dòng)。這些振動(dòng)可以使 得切削刀具110的尖端沿橢圓形刀具軌跡運(yùn)動(dòng)。所述橢圓形刀具軌跡的橢 圓率和方位可以通過(guò)改變橫向駐波706的正交分量的相對(duì)振幅和相位而控 制。
如圖l和2所示，將例如為擾動(dòng)致動(dòng)器116的第三PZT致動(dòng)器添加到 這些示例性VAM系統(tǒng)的一個(gè)中允許刀具軌跡改變?yōu)楦鼜V泛類型的形狀。理 想的是，擾動(dòng)PZT致動(dòng)器116的偏振(位移)軸對(duì)準(zhǔn)圖2頁(yè)面中的上下方 向，即大致平行于PZT致動(dòng)器200和202的偏振軸。圖3B和4B示出了示 例性刀具軌跡，所述刀具軌跡可以用如圖2中所示的三個(gè)致動(dòng)器VAM系統(tǒng) 獲得，其中全部三個(gè)PZT致動(dòng)器都通過(guò)正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)。第三PZT致動(dòng) 器在工件位置的添加、致動(dòng)工件使其進(jìn)出刀具平面將具有相同的預(yù)期效果。
如上所示，當(dāng)穩(wěn)態(tài)控制時(shí)，使用如圖2所示的PZT致動(dòng)器200和202 的兩個(gè)致動(dòng)器VAM系統(tǒng)的橢圓形刀具運(yùn)動(dòng)將進(jìn)入/過(guò)渡區(qū)域限制到橢圓的 一半長(zhǎng)度。通過(guò)使用第三擾動(dòng)PZT致動(dòng)器116 (或PZT致動(dòng)器104)，可以 產(chǎn)生備選的刀具軌跡以滿足希望的要求。圖3A示出示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)300、 302和304的電壓相對(duì)時(shí)間的圖線，所述示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)300、 302和304 可以通過(guò)振動(dòng)控制電路118中的驅(qū)動(dòng)電路提供以在使用圖1和2的結(jié)構(gòu)的 示例性VAM系統(tǒng)中分別驅(qū)動(dòng)PZT致動(dòng)器200、 202和116 (或104)。這三 個(gè)示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖線通過(guò)等式1定義。電壓和時(shí)間都表示為任意單位。 K300 = 0,003sin(w/)
K302 = 0.003sin(。f—卯。) (1)
K304 = 0.00055sin(2— 在該實(shí)例中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)300和302在相同的基頻下振蕩，并具有相同 的行程振幅，但是這兩個(gè)信號(hào)彼此呈90。相異相位。在該實(shí)施方式中，供 應(yīng)到PZT致動(dòng)器116 (或104)的第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)304具有更低的振幅和兩倍 的頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，理想的是，驅(qū)動(dòng)信號(hào)304具有近似等于
15，所述基頻用于驅(qū)動(dòng)包括在振動(dòng)元件114中的兩個(gè)并 排PZT致動(dòng)器200和202。這允許切削刀具110的尖端每個(gè)循環(huán)橫向移動(dòng) 近似相同的刀具軌跡。在該實(shí)施方式中，擾動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)304的振幅典型地 小于用于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)元件114的驅(qū)動(dòng)信號(hào)300和302的振幅；然而，這些振 幅的比率可以受PZT致動(dòng)器116 (或104)相比于PZT致動(dòng)器200和202 的壓電增益(mm/V)的差異以及完成指定的條件和目標(biāo)所需的刀具軌跡效 果的影響。
圖3B示出刀具軌跡306，當(dāng)示例性系統(tǒng)由示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)300、 302 和304驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖1的示例性VAM系統(tǒng)中切削刀具110尖端可以沿所述刀 具軌跡306運(yùn)動(dòng)。沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)304，刀具軌跡將為大致橢圓形；然而，通 過(guò)添加驅(qū)動(dòng)信號(hào)304，刀具軌跡306的頂側(cè)(即，當(dāng)切削刀具正在機(jī)械加工 表面時(shí)循環(huán)的實(shí)際部份)變平。這在切削刀具尖端處于所需的切削深度時(shí) 允許增加時(shí)間，并且可以改進(jìn)加工表面的表面質(zhì)量。當(dāng)與相似的兩個(gè)PZT 致動(dòng)器VAM系統(tǒng)比較時(shí)，這還可以允許使用增加的進(jìn)給速率，同時(shí)仍然提 供相同的最高點(diǎn)至最低點(diǎn)的高度。
此外，過(guò)渡區(qū)域被縮短，所述過(guò)渡區(qū)域?yàn)樵诘毒哕壽E的所述部分運(yùn)行 過(guò)程中切削刀具的尖端插入或拔出材料的部分。對(duì)于大致橢圓形的刀具軌 跡，過(guò)渡區(qū)域是橢圓長(zhǎng)度的一半，在該實(shí)施方式中為 .01AU。然而，示例 性刀具軌跡306的過(guò)渡區(qū)域308僅為 .0065AU。因此，過(guò)渡區(qū)域在該實(shí)施 方式中減小~35%。過(guò)渡區(qū)域影響VAM系統(tǒng)在表面上機(jī)械加工近似豎直的 特征的能力。過(guò)渡區(qū)域越短，切口底部的邊緣可能越尖銳。
圖4A示出驅(qū)動(dòng)信號(hào)400、 402和404的另一組示例性的電壓相對(duì)時(shí)間 的圖線，所述示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)400、 402和404可以通過(guò)振動(dòng)控制電路118 中的驅(qū)動(dòng)電路提供以在使用圖1和2的結(jié)構(gòu)的示例性VAM系統(tǒng)中分別驅(qū)動(dòng) PZT致動(dòng)器200、 202和116 (或104)。這三個(gè)示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖線通過(guò)等 式2定義。電壓和時(shí)間都表示為任意單位。 ^400 = 0.003sinO0
P402 - 0.003sin(o^—卯。) (2) 「404 = 0.00014sin(4a;f+90° ) 在本實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)400和402與圖3A中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)300和302類似。供應(yīng)到PZT致動(dòng)器116 (或104)的第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)404具有更低 的振幅和四倍的頻率。
圖4B示出刀具軌跡406，當(dāng)示例性系統(tǒng)由示例性驅(qū)動(dòng)信號(hào)400、 402 和404驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖1的示例性VAM系統(tǒng)中切削刀具110的尖端可以沿刀具 軌跡406運(yùn)動(dòng)。如在圖3B中的刀具軌跡306的情況下那樣，刀具軌跡406 的頂側(cè)在圖4B中變平。示例性刀具軌跡406的過(guò)渡區(qū)域408為 .00775AU， 僅使用振動(dòng)元件114的兩個(gè)PZT致動(dòng)器，在整個(gè)橢圓形刀具軌跡上產(chǎn)生了 ~22.5%的減小。
雖然圖3A、 3B、 4A和4B的實(shí)施方式僅包括用于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)元件114 的PZT致動(dòng)器的基頻的偶次諧波的擾動(dòng)，但可以設(shè)想的是，也可以使用奇 次諧波。其他周期性驅(qū)動(dòng)信號(hào)也可以用于驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和減 116。此外，通過(guò)使用擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和擾動(dòng)PZT致動(dòng)器116,可以產(chǎn) 生更復(fù)雜的刀具軌跡。例如為MATLAB的計(jì)算機(jī)軟件可以用于確定產(chǎn)生所 需刀具軌跡需要的振幅、頻率和波形。
如以上所討論的那樣，當(dāng)在"穩(wěn)態(tài)"下運(yùn)行時(shí)，刀具軌跡的過(guò)渡區(qū)域 影響VAM系統(tǒng)在表面上機(jī)械加工近似豎直的特征的能力。另外，在不犧牲 表面質(zhì)量的情況下，過(guò)渡區(qū)域的長(zhǎng)度和刀具軌跡的切削部分的"扁平度" 影響VAM系統(tǒng)每個(gè)循環(huán)的最大進(jìn)給距離。
還注意到，振動(dòng)控制電路118可以包括偏置電路以向擾動(dòng)PZT致動(dòng)器 104禾n/或116提供偏置信號(hào)，從而動(dòng)態(tài)地控制切削刀具110和工件108之 間的距離(或在工件108被加工時(shí)控制由切削刀具110作出的切削深度)。 注意到，用于動(dòng)態(tài)控制機(jī)械加工過(guò)程的擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和/或116可能 導(dǎo)致改變VAM系統(tǒng)的參數(shù)(改變溫度、振動(dòng)、力等)，并且可能對(duì)所獲得 的的表面質(zhì)量起不利的影響。然而，所述動(dòng)態(tài)控制的益處可以超過(guò)可能產(chǎn) 生的不利影響，特別是在切削走刀的開(kāi)始和末尾處。偏置信號(hào)可以被應(yīng)用 作為擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和/或116的在切削走刀的開(kāi)始和/或末尾的步驟 (step)以產(chǎn)生具有非常近似豎直邊緣的特征。在切削走刀過(guò)程中，偏置信 號(hào)可以大致恒定，并且可以將周期性擾動(dòng)信號(hào)應(yīng)用到擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104 和/或116上。備選地，可以在切削走刀過(guò)程中改變偏置信號(hào)以允許形成具 有納米級(jí)高度的表面特征，或允許實(shí)現(xiàn)用于例如為透鏡或透鏡模型的非平面表面的VAM。
可以由根據(jù)本發(fā)明的示例性VAM系統(tǒng)利用的動(dòng)態(tài)控制的另一個(gè)示例 性形式包括在機(jī)械加工過(guò)程中改變擾動(dòng)信號(hào)的相位和/或振幅。所述動(dòng)態(tài)控 制允許刀具軌跡根據(jù)位置變化，所述變化可以用于改變工件不同部位的表 面質(zhì)量禾n/或減小示例性VAM系統(tǒng)的導(dǎo)入和導(dǎo)出區(qū)域。
圖5A示出使用帶有大致橢圓形刀具軌跡500的現(xiàn)有技術(shù)的VAM系統(tǒng) 進(jìn)行機(jī)械加工的工件108的表面。在本實(shí)施方式中，大致橢圓形刀具軌跡 500已經(jīng)按比例設(shè)定，以使得如果需要1 nm的最大表面振動(dòng)502，則刀具 軌跡的一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的最大進(jìn)給距離504為0.7 pm。大致橢圓形刀具軌 跡500'示出隨著切削刀具110從其原始位置移動(dòng)至一個(gè)循環(huán)后的位置(虛 線的切削刀具110')時(shí)刀具軌跡轉(zhuǎn)移了多遠(yuǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是， 由于所述進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，表面上機(jī)械加工的曲線圖案將被輕微拉長(zhǎng)；然而，圖 5A-C所示的近似值示出了與不同刀具軌跡相關(guān)的差異。
圖5B和5C示出了示例性刀具軌跡306和406如何影響進(jìn)給速率和表 面質(zhì)量。因?yàn)榈毒哕壽E306和406的切削部分(即當(dāng)切削刀具110的尖端 在工件108 "內(nèi)"時(shí))大致"扁平"，所以最高點(diǎn)至最低點(diǎn)的效果會(huì)大大小 于橢圓形，這可以允許更快的進(jìn)給速率。如圖5B所示，假設(shè)同樣需要1 nm 的最大表面振動(dòng)502，刀具軌跡306的一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的最大進(jìn)給距離506 增加到7 [im。圖5C示出使用示例性刀具軌跡406的效果。在刀具軌跡406 的一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的最大進(jìn)給距離508是4.5 pm。
因此，使用擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104 (和/或116)改變刀具軌跡的形狀可 以在不犧牲表面質(zhì)量的情況下，理想地減小過(guò)渡區(qū)域，并且可以允許更快 的機(jī)械加工速度。
還注意到，壓電材料在沿它們的偏振軸承受應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生電壓。因此， 還設(shè)想的是，圖1的示例性系統(tǒng)中的PZT致動(dòng)器104或116中的一個(gè)可以 用作傳感器以測(cè)定工件108附近的殘余力。所述PZT致動(dòng)器可以與振動(dòng)控 制電路118中的傳感器電路電接合，以從PZT致動(dòng)器接收指示出切削刀具 IIO尖端和工件108之間的壓力的信號(hào)。太大的力會(huì)損害工件，而太小的力 會(huì)指示工件加工不足或系統(tǒng)問(wèn)題。因此，所述力的測(cè)量可以理想地用于優(yōu) 化機(jī)械加工過(guò)程。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性VAM系統(tǒng)。該示例性實(shí)施方式使 用兩個(gè)正交安裝的PZT致動(dòng)器，所述PZT致動(dòng)器獨(dú)立運(yùn)行以生成大致橢圓 形的刀具軌跡。使用兩個(gè)這樣獨(dú)立運(yùn)行的PZT致動(dòng)器的VAM系統(tǒng)在美國(guó) 專利申請(qǐng)No. 11/221,041，"用于利用兩個(gè)獨(dú)立軸的振動(dòng)機(jī)械加工的方法和 裝置"(轉(zhuǎn)讓給松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社)中公開(kāi)，在此通過(guò)引用將其合并到 本說(shuō)明書(shū)中。
這兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行并正交安裝的PZT致動(dòng)器對(duì)應(yīng)圖1的示例性VAM系 統(tǒng)的振動(dòng)元件114。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，這些PZT致動(dòng)器中的 每一個(gè)都通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路118產(chǎn)生的正弦信號(hào)理想地被驅(qū)動(dòng)。這些信號(hào)理想 地具有相同的頻率，但是具有不同的相位和可能不同的振幅。
PZT致動(dòng)器可以被安裝在一起作為振動(dòng)元件800并被驅(qū)動(dòng)以相對(duì)于切 削刀具110沿大致橢圓形的軌跡平移工件108，或者它們可以在振動(dòng)元件 802中安裝在一起并被驅(qū)動(dòng)以沿大致橢圓形刀具軌跡平移切削刀具110。備 選地， 一個(gè)PZT致動(dòng)器可以安裝在振動(dòng)元件800中以相對(duì)于切削刀具110 沿一個(gè)方向振蕩工件108，而另一個(gè)PZT致動(dòng)器可以安裝在振動(dòng)元件802 中以沿正交方向振蕩切削刀具110。這些平移一起在工件108和切削刀具 110之間引起大致橢圓形的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，這兩個(gè)PZT致動(dòng)器理想地在"穩(wěn)態(tài)" 下被驅(qū)動(dòng)，以在整個(gè)機(jī)械加工過(guò)程中在工件108和切削刀具110之間產(chǎn)生 大致橢圓形的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。然而，圖8的示例性VAM系統(tǒng)還包括擾動(dòng)PZT 致動(dòng)器104和/或116。如以上參考圖1的示例性VAM系統(tǒng)描述的那樣，擾 動(dòng)PZT致動(dòng)器104和域116可以在"穩(wěn)態(tài)"下運(yùn)行，并導(dǎo)致工件108和切 削刀具IIO之間的改進(jìn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此外，如以上參考圖1的示例性實(shí)施 方式描述的那樣，擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和域116可以用于提供VAM過(guò)程 的動(dòng)態(tài)控制。
在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，可以設(shè)想的是，擾動(dòng)PZT致動(dòng)器104和 /或116可以包括多于一個(gè)的PZT元件。例如，PZT致動(dòng)器116可以包括疊 層結(jié)構(gòu)(即端對(duì)端)的兩個(gè)PZT元件，允許PZT致動(dòng)器116產(chǎn)生兩個(gè)擾動(dòng) 振動(dòng)。這兩個(gè)擾動(dòng)振動(dòng)的頻率、相位和/或振幅可以通過(guò)來(lái)自振動(dòng)控制電路 118的分離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分離地控制。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在圖2的示例性
19實(shí)施方式中，PZT致動(dòng)器116可以包括并排結(jié)構(gòu)的兩個(gè)PZT元件，其中PZT 致動(dòng)器116中的每一個(gè)PZT元件與PZT致動(dòng)器200和202中的一個(gè)接合。 PZT致動(dòng)器116的兩個(gè)PZT元件可以通過(guò)相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，所述結(jié)構(gòu)可 以允許擾動(dòng)PZT致動(dòng)器產(chǎn)生增大的力。備選地，在根據(jù)本發(fā)明的示例性 VAM系統(tǒng)中，PZT致動(dòng)器116的兩個(gè)PZT元件可以通過(guò)分離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū) 動(dòng)，以提供改進(jìn)的刀具軌跡控制。
本發(fā)明包括許多包括三個(gè)或更多的PZT致動(dòng)器的示例性VAM系統(tǒng)。 雖然在此參考特定實(shí)施方式示出和描述了本發(fā)明，但是不意在使本發(fā)明被 限制于所示的細(xì)節(jié)。相反，在權(quán)利要求的等效范圍和界限內(nèi)且不脫離本發(fā) 明的情況下，可以在細(xì)節(jié)上作出各種修改。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 理解的是，本發(fā)明不局限于帶有四個(gè)或更少PZT致動(dòng)器的VAM系統(tǒng)，并 且各種特定示出的實(shí)施方式的許多其他特征可以混合以形成另外的示例性 VAM系統(tǒng)，本發(fā)明也包含所述VAM系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)系統(tǒng)，包括框架；與所述框架機(jī)械接合的振動(dòng)元件，所述振動(dòng)元件包括適于在所述VAM系統(tǒng)的振動(dòng)平面內(nèi)產(chǎn)生大致橢圓形刀具軌跡的第一致動(dòng)器和第二致動(dòng)器；與所述振動(dòng)元件相連接的切削刀具保持架；與所述框架接合的工件保持架；以及在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第三致動(dòng)器所述振動(dòng)元件；或所述工件保持架；其中，所述第三致動(dòng)器與所述框架接合，以使得所述第三致動(dòng)器的位移軸大致位于所述振動(dòng)平面內(nèi)且大致垂直于所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于-所述振動(dòng)元件的所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器以并排結(jié)構(gòu)安裝； 所述振動(dòng)元件還包括將所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器與所述切削刀具保持架接合的T聯(lián)接件；以及所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器與所述框架接合，以使得所述第一 致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器的位移軸大致平行于所述第三致動(dòng)器的位移軸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的VAM系統(tǒng)，其特征在于所述第三致動(dòng)器包括以并排結(jié)構(gòu)布置的第一致動(dòng)元件和第二致動(dòng)元件；所述第三致動(dòng)器的第一致動(dòng)元件在所述框架和所述第一致動(dòng)器之間接 合；以及所述第三致動(dòng)器的第二致動(dòng)元件在所述框架和所述第二致動(dòng)器之間接合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的VAM系統(tǒng)，其特征在于所述振動(dòng)元件還包括將所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器與所述切削 刀具保持架接合的交叉中空彎曲部；所述振動(dòng)元件的所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器以正交結(jié)構(gòu)安裝；以及所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器接合到所述框架上，以使得所述第一致動(dòng)器的位移軸大致平行于所述第三致動(dòng)器的位移軸；以及所述第二致動(dòng)器的位移軸大致垂直于所述第三致動(dòng)器的位移軸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的VAM系統(tǒng)，其特征在于-所述振動(dòng)元件還包括具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和不位于所述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的端部段的二維橫向振動(dòng)梁，所述二維橫向振動(dòng)梁接合所述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的所述框架；以及 所述端部段處的所述切削刀具保持架；以及 所述振動(dòng)元件的所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器在所述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之 間的中點(diǎn)處以正交結(jié)構(gòu)與所述二維橫向振動(dòng)梁接合以使得.*所述第一致動(dòng)器的位移軸大致平行于所述第三致動(dòng)器的位移軸；以及所述第二致動(dòng)器的位移軸大致垂直于所述第三致動(dòng)器的位移軸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包括與所述振動(dòng)元件和所述第三致動(dòng)器電接合的驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路 適于提供用于驅(qū)動(dòng)所述第一致動(dòng)器的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、用于驅(qū)動(dòng)所述第二致 動(dòng)器的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于驅(qū)動(dòng)所述第三致動(dòng)器的第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)；其中所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動(dòng)平面內(nèi)沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對(duì)所述振動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)；以及所述第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的N倍的擾動(dòng)頻率，和 小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的擾動(dòng)振幅，其 中N為大于1的整數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包 括與所述第三致動(dòng)器電接合的偏置電路，所述偏置電路適于提供偏置信號(hào) 以動(dòng)態(tài)地控制所述振動(dòng)元件和所述工件保持架之間的距離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包括在所述框架和所述振動(dòng)元件之間接合以沿所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向 平移振動(dòng)元件的進(jìn)給平臺(tái)；以及在進(jìn)給線端部處沿大致垂直于進(jìn)給方向和大致正交于所述VAM系統(tǒng) 的振動(dòng)平面的方向使所述切削刀具保持架相對(duì)于所述工件保持架步進(jìn)的步 進(jìn)平臺(tái)，所述步進(jìn)平臺(tái)在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合 所述振動(dòng)元件；或 所述工件保持架。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包括在所述框架和所述工件保持架之間接合以沿與所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給 方向相反的方向平移工件保持架的進(jìn)給平臺(tái)；以及在進(jìn)給線端部處沿大致垂直于進(jìn)給方向和大致正交于所述VAM系統(tǒng) 的振動(dòng)平面的方向使所述切削刀具保持架相對(duì)于所述工件保持架步進(jìn)的步 進(jìn)平臺(tái)，所述步進(jìn)平臺(tái)在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合 所述振動(dòng)元件；或 所述工件保持架。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包 括在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第四致動(dòng)器所述振動(dòng)元^牛；或 所述工件保持架。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括與所述振動(dòng)元件、所述第三致動(dòng)器和所述第四致動(dòng)器電接合的驅(qū)動(dòng)電 路，所述驅(qū)動(dòng)電路適于提供用于驅(qū)動(dòng)所述第一致動(dòng)器的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、用 于驅(qū)動(dòng)所述第二致動(dòng)器的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、用于驅(qū)動(dòng)所述第三致動(dòng)器的第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于驅(qū)動(dòng)所述第四致動(dòng)器的第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 射所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動(dòng)平面內(nèi)沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對(duì)所述振動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)；所述第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的N倍的第一擾動(dòng)頻 率，和小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的第一擾 動(dòng)振幅，其中N為大于1的整數(shù)；以及所述第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的M倍的第二擾動(dòng)頻 率，和小于或等于所述第一擾動(dòng)振幅的第二擾動(dòng)振幅，其中M為大于 N的整數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還包 括與所述第三致動(dòng)器電接合的傳感器電路，所述傳感器電路適于從所述第 三致動(dòng)器接收指示安裝在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端與安裝 在所述工件保持架中的工件之間的力的信號(hào)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的VAM系統(tǒng)，其特征在于 所述第一致動(dòng)器為壓電(PZT)致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器； 所述第二致動(dòng)器為PZT致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器；以及 所述第三致動(dòng)器為PZT致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述第三致動(dòng)器包括 多個(gè)以疊層結(jié)構(gòu)布置的致動(dòng)元件。
15. —種振動(dòng)輔助機(jī)械加工(VAM)系統(tǒng)，包括 框架；切削刀具保持架； 與所述框架接合的工件保持架；在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第一致動(dòng)器 所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第二致動(dòng)器所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；以及 在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第三致動(dòng)器所述第一致動(dòng)器；所述第二致動(dòng)器；所述切削刀具保持架；或所述工件保持架； 其中所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器適于以所述VAM系統(tǒng)的振動(dòng) 平面內(nèi)的大致橢圓形刀具軌跡驅(qū)動(dòng)安裝在所述切削刀具保持架中的切 削刀具；所述第一致動(dòng)器和所述第三致動(dòng)器與所述框架接合，以使得所述 第一致動(dòng)器和所述第三致動(dòng)器的位移軸大致位于所述振動(dòng)平面內(nèi)且大 致垂直于所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向；以及所述第二致動(dòng)器與框架接合，以使得所述第二致動(dòng)器的位移軸位 于所述振動(dòng)平面內(nèi)且大致平行于所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括與所述第一致動(dòng)器、所述第二致動(dòng)器和所述第三致動(dòng)器電接合的驅(qū)動(dòng) 電路，所述驅(qū)動(dòng)電路適于提供用于驅(qū)動(dòng)所述第一致動(dòng)器的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、 用于驅(qū)動(dòng)所述第二致動(dòng)器的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于驅(qū)動(dòng)所述第三致動(dòng)器的第 三驅(qū)動(dòng)信號(hào)；其中-所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第一行程振幅；所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動(dòng)平面內(nèi)沿大致橢圓形的刀具軌跡相對(duì)所述振動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)；以及所述第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的N倍的擾動(dòng)頻率，和 小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的擾動(dòng)振幅，其 中N為大于1的整數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括與所述第三致動(dòng)器電接合的偏置電路，所述偏置電路適于提供偏置信 號(hào)以動(dòng)態(tài)地控制所述振動(dòng)元件和所述工件保持架之間的距離。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括在所述框架和所述切削刀具保持架之間接合以沿所述VAM系統(tǒng)的進(jìn) 給方向平移切削刀具保持架的進(jìn)給平臺(tái)；以及在進(jìn)給線端部處沿大致垂直于進(jìn)給方向和大致正交于所述VAM系統(tǒng) 的振動(dòng)平面的方向使所述切削刀具保持架相對(duì)于所述工件保持架步進(jìn)的步 進(jìn)平臺(tái)，所述步進(jìn)平臺(tái)在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括在所述框架和所述工件保持架之間接合以沿與所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給 方向相反的方向平移工件保持架的進(jìn)給平臺(tái)；以及在進(jìn)給線端部處沿大致垂直于進(jìn)給方向和大致正交于所述VAM系統(tǒng) 的振動(dòng)平面的方向使所述切削刀具保持架相對(duì)于所述工件保持架步進(jìn)的步 進(jìn)平臺(tái)，所述步進(jìn)平臺(tái)在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括在所述框架與以下部件中的一個(gè)之間接合的第四致動(dòng)器所述第一致動(dòng)器； 所述第二致動(dòng)器； 所述第三致動(dòng)器；所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括與所述第一致動(dòng)器、所述第二致動(dòng)器、所述第三致動(dòng)器和所述第四致 動(dòng)器電接合的驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路適于提供用于驅(qū)動(dòng)所述第一致動(dòng)器 的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、用于驅(qū)動(dòng)所述第二致動(dòng)器的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、用于驅(qū)動(dòng)所 述第三致動(dòng)器的第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和用于驅(qū)動(dòng)所述第四致動(dòng)器的第四驅(qū)動(dòng)信號(hào) 其中所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 所述第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動(dòng)平面內(nèi)沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對(duì)所述振動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)；所述第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的N倍的第一擾動(dòng)頻 率，和小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的第一擾 動(dòng)振幅，其中N為大于1的整數(shù)；以及所述第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有近似等于所述基頻的M倍的第二擾動(dòng)頻 率，和小于或等于所述第一擾動(dòng)振幅的第二擾動(dòng)振幅，其中M為大于 N的整數(shù)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述VAM系統(tǒng)還 包括與所述第三致動(dòng)器電接合的傳感器電路，所述傳感器電路適于從所述 第三致動(dòng)器接收指示安裝在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端與安 裝在所述工件保持架中的工件之間的力的信號(hào)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于 所述第一致動(dòng)器為壓電(PZT)致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器； 所述第二致動(dòng)器為PZT致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器；以及 所述第三致動(dòng)器為PZT致動(dòng)器或磁致伸縮致動(dòng)器。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的VAM系統(tǒng)，其特征在于，所述第三致動(dòng)器包 括多個(gè)以疊層結(jié)構(gòu)布置的致動(dòng)元件。
全文摘要
一種振動(dòng)輔助切削(VAM)系統(tǒng)，包括框架(100；圖1)；與所述框架(100；圖1)機(jī)械接合的振動(dòng)元件(114；圖1)；與所述振動(dòng)元件(114；圖1)相連接的切削刀具保持架(112；圖1)；和與所述框架接合的工件保持架(106；圖1)。所述振動(dòng)元件(114；圖1)包括適于在振動(dòng)平面內(nèi)產(chǎn)生大致橢圓形的刀具軌跡(圖5A)的第一和第二致動(dòng)器(200、202；圖2)。所述VAM系統(tǒng)還包括第三致動(dòng)器(104和/或116；圖1)，所述第三致動(dòng)器(104和/或116；圖1)在所述框架(100；圖1)與所述振動(dòng)元件(114；圖1)或所述工件保持架(106；圖1)之間接合以使其位移軸大致位于振動(dòng)平面內(nèi)且大致垂直于所述VAM系統(tǒng)的進(jìn)給方向。這允許刀具軌跡被改變?yōu)楦鼜V泛類型的形狀(圖5B)。
文檔編號(hào)B23P25/00GK101641182SQ200880009699
公開(kāi)日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者J·埃興頓, T·李 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社