專利名稱：基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是機(jī)床誤差補(bǔ)償領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行 器(GMA)的二維微進(jìn)給刀架。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代高新技術(shù)對加工精度的要求越來越高，各類精密和超精密 零件的加工對機(jī)床的精度提出了越來越苛刻的要求。為了提高加工精度，可以采取的措施 有(1)提高原進(jìn)給系統(tǒng)的精度和剛度，減小滑動(dòng)面之間的摩擦力；(2)采用雙行程機(jī)構(gòu)，即 采用傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的初定位，用高剛度、高分辨率和高響應(yīng)速度的輔助工件平 臺(tái)實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。就目前國內(nèi)機(jī)械制造水平以及機(jī)械加工的局限性來看，采用第一種措施 實(shí)現(xiàn)大行程高精度進(jìn)給和定位還是比較困難的，因此，采用第二種措施，設(shè)計(jì)一種微進(jìn)給刀 架，將其與現(xiàn)有精密機(jī)床通過簡單機(jī)械機(jī)構(gòu)相聯(lián)接實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度具有很高的可行性，效 益顯著，應(yīng)用前景十分廣泛。
微動(dòng)平臺(tái)(或稱微位移機(jī)構(gòu))是微進(jìn)給刀架的核心構(gòu)件，它是指行程小(一般小 于mm級(jí))、靈敏度和精度高(亞ym級(jí) nm級(jí))的機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的機(jī)械微位移機(jī)構(gòu)主要有 螺旋機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)、楔塊凸輪機(jī)構(gòu)以及它們的組合機(jī)構(gòu)，但因機(jī)構(gòu)中存在機(jī)械間隙，摩擦 磨損以及爬行現(xiàn)象等，所以運(yùn)動(dòng)靈敏度和精度都很難達(dá)到更高精度。近來，隨著新材料的不 斷出現(xiàn)，人們開始應(yīng)用電致伸縮及磁致伸縮材料來設(shè)計(jì)微位移執(zhí)行器。
吉林大學(xué)周曉勤等研制的基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置， 其技術(shù)方案公布在專利號(hào)為201455680U的中國發(fā)明專利文件中。同時(shí)由趙宏偉開發(fā)的兩 自由度車削刀具精密伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其技術(shù)方案公布在200710056317. 7的中國發(fā)明專利 文件中。但是，他們的共同特點(diǎn)是，刀架實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)方向的直線位移以及一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn) 位移，而不能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的直線位移輸出。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對機(jī)床現(xiàn)有進(jìn)給系統(tǒng)精度不足的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、 輸出位移量大且精度高的基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明決定采用如下技術(shù)方案一種基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，包括用于產(chǎn)生橫向位移輸出的 第一微位移執(zhí)行器、用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器及刀架，在刀架上連接有 二維微動(dòng)平臺(tái)，所述的二維微動(dòng)平臺(tái)包括內(nèi)側(cè)工作臺(tái)、第二外框及第一外框，所述的第二外 框套設(shè)在內(nèi)側(cè)工作臺(tái)的外部，并且，第二外框與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)之間設(shè)有第一連接裝置且第一 連接裝置的一端與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)連接，第一連接裝置的另一端與第二外框連接，第一外框套 設(shè)在第二外框的外部，在第一外框與第二外框之間設(shè)有第二連接裝置且第二連接裝置的一 端與第二外框連接，第二連接裝置的另一端與第一外框連接，所述的第一連接裝置采用連 接器，第二連接裝置也采用連接器，所述的連接器包括連桿在連桿的一端連接有第一柔性鉸鏈，在連桿的另一端連接有第二柔性鉸鏈，所述用于產(chǎn)生橫向位移輸出的第一微位移執(zhí) 行器及所述的用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器分別與第一外框固定，在第一外 框上設(shè)有橫向通孔，第一微位移執(zhí)行器的輸出軸穿過第一外框并與第二外框相抵，在第一 外框上還設(shè)有第一縱向通孔，在第二外框設(shè)有第二縱向通孔，第二微位移執(zhí)行器的輸出軸 穿過第一縱向通孔和第二縱向通孔并與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)相抵，所述第一微位移執(zhí)行器的輸出軸 與第二微位移執(zhí)行器的輸出軸垂直，所述刀架連接于二維微動(dòng)平臺(tái)的內(nèi)側(cè)工作臺(tái)上。
本發(fā)明基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微動(dòng)刀架具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明具有二維直線微位移輸出能力，能夠?qū)ΧS的尺寸誤差和形位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，也可進(jìn)行二維振動(dòng)切削，較以往的單向輸出具有更廣的應(yīng)用范圍。微位移執(zhí)行器與 二維微動(dòng)平臺(tái)的連接采用滾珠球面與平面接觸的方式，有效避免磁致伸縮棒、輸出頂桿和 二維微動(dòng)平臺(tái)三者中心線不同心而引起的受力偏差問題。
2. 本二維微動(dòng)平臺(tái)采用鑲嵌式兩維共面柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，Y向平臺(tái)完全鑲嵌在 X向平臺(tái)之內(nèi)，使得兩向平臺(tái)完全位于同一平面內(nèi)，平臺(tái)中的柔性鉸鏈?zhǔn)綇?fù)合四桿機(jī)構(gòu)采用 了與平臺(tái)平行、回轉(zhuǎn)的布局形式，從而克服了兩向結(jié)構(gòu)鑲嵌后尺寸較大的問題，同時(shí)也保證 連桿具有一定的長度，使平臺(tái)能夠具有較大的行程。平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊。
3.本微動(dòng)平臺(tái)采用基于半圓形柔性鉸鏈的復(fù)合式四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)X向和Y 向的微位移運(yùn)動(dòng)，解決了微動(dòng)平臺(tái)兩向間位移耦合的難題。
4.二維微動(dòng)平臺(tái)上、下側(cè)分別墊以平面滑動(dòng)軸承片，并用壓塊壓緊，從而既 能保證微動(dòng)平臺(tái)的自由移動(dòng)，又能夠讓系統(tǒng)的剛度得到提升，避免因切削力而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)變形，提高了系統(tǒng)的精度。
5. 本柔性式復(fù)合四桿機(jī)構(gòu)可以通過線切割技術(shù)或其它精密加工方法在一塊 基體材料上直接加工出圓弧和縫隙，在圓弧切口處形成彈性支點(diǎn)并與基體加工后剩余部分 形成整體式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，易于保證較高精度。
6. 通過安裝于二維微動(dòng)平臺(tái)上的兩個(gè)LVDT型電感式位移傳感器，微動(dòng)平臺(tái) 的輸出位移被實(shí)時(shí)的檢測出來并反饋到系統(tǒng)的控制端，系統(tǒng)運(yùn)用基于Duhem模型的魯棒控 制方法，實(shí)現(xiàn)對微位移輸出的精確控制。


圖1是本發(fā)明二維微動(dòng)刀架的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中微位移執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3是本發(fā)明中二維微動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)主視圖。
圖4是本發(fā)明中二維微動(dòng)平臺(tái)左視圖。
圖5是本發(fā)明中二維微動(dòng)平臺(tái)部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，包括用于產(chǎn)生橫向位移輸 出的第一微位移執(zhí)行器、用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器及刀架，在刀架上連 接有二維微動(dòng)平臺(tái)，所述的二維微動(dòng)平臺(tái)包括內(nèi)側(cè)工作臺(tái)、第二外框及第一外框，所述的第 二外框套設(shè)在內(nèi)側(cè)工作臺(tái)的外部，并且，第二外框與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)之間設(shè)有第一連接裝置且第一連接裝置的一端與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)連接，第一連接裝置的另一端與第二外框連接，第一外 框套設(shè)在第二外框的外部，在第一外框與第二外框之間設(shè)有第二連接裝置且第二連接裝置 的一端與第二外框連接，第二連接裝置的另一端與第一外框連接，所述的第一連接裝置采 用連接器，第二連接裝置也采用連接器，所述的連接器包括連桿，在連桿的一端連接有第一 柔性鉸鏈，在連桿的另一端連接有第二柔性鉸鏈，所述用于產(chǎn)生橫向位移輸出的第一微位 移執(zhí)行器及所述的用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器分別與第一外框固定，在第 一外框上設(shè)有橫向通孔，第一微位移執(zhí)行器的輸出軸穿過第一外框并與第二外框相抵，在 第一外框上還設(shè)有第一縱向通孔，在第二外框設(shè)有第二縱向通孔，第二微位移執(zhí)行器的輸 出軸穿過第一縱向通孔和第二縱向通孔并與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)相抵，所述第一微位移執(zhí)行器的輸 出軸與第二微位移執(zhí)行器的輸出軸垂直，所述刀架連接于二維微動(dòng)平臺(tái)的內(nèi)側(cè)工作臺(tái)上。 在本實(shí)施例中，在內(nèi)側(cè)工作臺(tái)及第二外框的上、下表面上分別設(shè)有上滑動(dòng)軸承片、下滑動(dòng)軸承片，在上 滑動(dòng)軸承片上設(shè)有上壓塊，在下滑動(dòng)軸承片上設(shè)有下壓塊，在上滑動(dòng)軸承片的兩側(cè)分別設(shè) 有第一調(diào)整上墊片和第二調(diào)整上墊片，在下滑動(dòng)軸承片的兩側(cè)分別設(shè)有第一調(diào)整下墊片和 第二調(diào)整下墊片，所述的二維微動(dòng)平臺(tái)及上滑動(dòng)軸承片、下滑動(dòng)軸承片、第一調(diào)整上墊片、 第二調(diào)整上墊片、第一調(diào)整下墊片和第二調(diào)整下墊片由上壓塊及下壓塊加緊；第一微位移 執(zhí)行器、第二微位移執(zhí)行器及二維微動(dòng)平臺(tái)固定于底板上。
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做詳細(xì)說明圖1為本發(fā)明基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微動(dòng)刀架的總體結(jié)構(gòu)圖，包括兩個(gè)用 于產(chǎn)生位移輸出的微位移執(zhí)行器1，分別安裝在二維微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)2的兩個(gè)相互垂直的方 向上，微位移執(zhí)行器1和微位移執(zhí)行器3輸出微位移并推動(dòng)二維微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)2在相應(yīng)方 向上產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。微位移信號(hào)檢測設(shè)備7和微位移信號(hào)檢測設(shè)備6分別安裝在二維微 動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)2上與微位移執(zhí)行器1及微位移執(zhí)行器2相對的位置上，用于檢測二維微動(dòng)平 臺(tái)結(jié)構(gòu)2在相應(yīng)方向上的位移輸出，為系統(tǒng)的控制提供反饋量。此外還有一個(gè)小刀架5安 裝于二維微動(dòng)平臺(tái)21的中央位置。上述結(jié)構(gòu)共同固定于一塊底板4上。該刀架結(jié)構(gòu)可以 通過底板4方便地安裝于各種機(jī)床的溜扳箱上。
圖2為本發(fā)明的微位移執(zhí)行器1的結(jié)構(gòu)簡圖。線圈繞組11纏繞在線圈骨架12上， 通電后產(chǎn)生磁場驅(qū)動(dòng)稀土超磁致伸縮棒13。所述線圈骨架12的兩個(gè)側(cè)壁上應(yīng)該包含兩個(gè) 含有螺紋的通孔供冷卻水流入流出用，其上安裝有水管接頭14兩個(gè)，連接冷卻水水管15。 線圈骨架12中間安裝有套筒16 —個(gè)，它們之間形成一段空腔，供冷卻水流通，兩端的連接 處應(yīng)使用0型圈密封，并輔以密封膠。所述稀土超磁致伸縮棒13 —根長60mm，直徑IOmm ； 位于超磁致伸縮棒13兩端的磁鋼17兩個(gè)直徑10mm，厚5mm，它們均放置于套筒16中間的 空腔中。磁致伸縮棒13的變形通過其前部的頂桿18和安裝于頂桿頂部凹槽中的滾珠19 傳遞到二維微動(dòng)平臺(tái)2上。頂桿18和外殼110之間應(yīng)該安裝有至少八片碟簧111，磁致伸 縮棒13后端的磁鋼17與導(dǎo)磁片112相連，并通過安裝在外殼110上的預(yù)緊螺釘113進(jìn)行 壓緊，提供磁致伸縮棒所需的預(yù)緊力。外殼110的前端還應(yīng)至少安裝一個(gè)磁靴114，以提高 結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率。外殼110的上部由上蓋板115密封，前部由端蓋116輔以0型圈117密封， 以防止切削液進(jìn)入。
微位移輸出結(jié)構(gòu)由輸出頂桿和安裝在頂桿頂部的滾珠組成。頂桿末端與磁鋼相連，頂部的滾珠直接頂緊在二維微動(dòng)平臺(tái)上，所述磁致伸縮棒產(chǎn)生的位移通過所述的位移 輸出機(jī)構(gòu)傳遞到微動(dòng)平臺(tái)上。所述的兩塊磁鋼分別吸附于稀土超磁致伸縮棒的兩端，提供 偏轉(zhuǎn)磁場。它們安放于套筒中間的空腔中。
圖3為本發(fā)明的二維微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)主視圖。該結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)由柔性 鉸鏈和四桿機(jī)構(gòu)形成具有低耦合度的二維微動(dòng)平臺(tái)21，其X、Y向分別由通過柔性鉸鏈連接 的復(fù)合四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，另外柔性鉸鏈與平臺(tái)間的位置關(guān)系采用了平行、回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)形式，使 結(jié)構(gòu)尺寸大為減小。二維微動(dòng)平臺(tái)21中間的內(nèi)側(cè)工作臺(tái)211可以做二維微位移運(yùn)動(dòng)，并且 應(yīng)包含四個(gè)安裝孔，用于安裝小刀架5。二維微動(dòng)平臺(tái)21的上下側(cè)面分別墊有上滑動(dòng)軸承 23和下滑動(dòng)軸承27，并通過上壓板M和下壓板28壓緊，他們之間的配合通過對四片調(diào)整 墊片的修整來調(diào)整，從而保證二維微動(dòng)平臺(tái)既能自由的做水平方向的移動(dòng)，又能夠讓系統(tǒng) 的剛度得到提升，減小因?yàn)榍邢髁Χ鸬膹澢冃巍?br> 權(quán)利要求
1.一種基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，包括用于產(chǎn)生橫向位移輸出 的第一微位移執(zhí)行器(1)、用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器(3)及刀架(5)，其 特征在于，在刀架(5)上連接有二維微動(dòng)平臺(tái)(21)，所述的二維微動(dòng)平臺(tái)(21)包括內(nèi)側(cè)工 作臺(tái)(211)、第二外框(212)及第一外框(213)，所述的第二外框(212)套設(shè)在內(nèi)側(cè)工作臺(tái)(211)的外部，并且，第二外框(212)與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)(211)之間設(shè)有第一連接裝置且第一連 接裝置的一端與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)(211)連接，第一連接裝置的另一端與第二外框(212)連接，第 一外框(213)套設(shè)在第二外框(212)的外部，在第一外框(213)與第二外框(212)之間設(shè)有 第二連接裝置且第二連接裝置的一端與第二外框(212)連接，第二連接裝置的另一端與第 一外框(213)連接，所述的第一連接裝置采用連接器，第二連接裝置也采用連接器，所述的 連接器包括連桿(215)，在連桿(215)的一端連接有第一柔性鉸鏈(214)，在連桿(215)的另 一端連接有第二柔性鉸鏈(216)，所述用于產(chǎn)生橫向位移輸出的第一微位移執(zhí)行器(1)及 所述的用于產(chǎn)生縱向位移輸出的第二微位移執(zhí)行器(3)分別與第一外框(213)固定，在第 一外框(213)上設(shè)有橫向通孔(217)，第一微位移執(zhí)行器(1)的輸出軸穿過第一外框(213) 并與第二外框(212)相抵，在第一外框(213)上還設(shè)有第一縱向通孔(218)，在第二外框(212)設(shè)有第二縱向通孔(219)，第二微位移執(zhí)行器(3)的輸出軸穿過第一縱向通孔(218) 和第二縱向通孔(219)并與內(nèi)側(cè)工作臺(tái)(211)相抵，所述第一微位移執(zhí)行器(1)的輸出軸與 第二微位移執(zhí)行器(3)的輸出軸垂直，所述刀架(5)連接于二維微動(dòng)平臺(tái)(21)的內(nèi)側(cè)工作 臺(tái)(211)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，其特征在 于，在內(nèi)側(cè)工作臺(tái)(211)及第二外框(212)的上、下表面上分別設(shè)有上滑動(dòng)軸承片(23)、下 滑動(dòng)軸承片(27)，在上滑動(dòng)軸承片(23)上設(shè)有上壓塊(24)，在下滑動(dòng)軸承片(27)上設(shè)有 下壓塊(28)，在上滑動(dòng)軸承片(23)的兩側(cè)分別設(shè)有第一調(diào)整上墊片(22)和第二調(diào)整上 墊片(25)，在下滑動(dòng)軸承片(27)的兩側(cè)分別設(shè)有第一調(diào)整下墊片(26)和第二調(diào)整下墊片 (29)，所述的二維微動(dòng)平臺(tái)(21)及上滑動(dòng)軸承片(23)、下滑動(dòng)軸承片(27)、第一調(diào)整上墊 片(22)、第二調(diào)整上墊片(25)、第一調(diào)整下墊片(26)和第二調(diào)整下墊片(29)由上壓塊(24) 及下壓塊(28)夾緊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，其特征在 于，第一微位移執(zhí)行器(1)、第二微位移執(zhí)行器(3)及二維微動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)(2)固定于底板(2) 上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于稀土超磁致伸縮執(zhí)行器的二維微進(jìn)給刀架，包括用于產(chǎn)生位移輸出的第一、第二微位移執(zhí)行器微位移執(zhí)行器及刀架，在刀架上連接有二維微動(dòng)平臺(tái)。所述的二維微動(dòng)平臺(tái)包括內(nèi)側(cè)工作臺(tái)、第一外框及第二外框，在第一外框與第二外框之間設(shè)有連接裝置。所述的連接裝置采用連接器，所述的連接器包括連桿，在連桿的兩端連接有柔性鉸鏈。所述用于產(chǎn)生橫向位移輸出的第一微位移執(zhí)行器及第二微位移執(zhí)行器分別與第一外框固定，第一微位移執(zhí)行器的輸出軸穿過第一外框并與第二外框相抵，所述第一微位移執(zhí)行器的輸出軸與第二微位移執(zhí)行器的輸出軸垂直，所述刀架連接于二維微動(dòng)平臺(tái)的內(nèi)側(cè)工作臺(tái)上。
文檔編號(hào)B23Q1/44GK102029408SQ201010521610
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉術(shù)林, 王興松 申請人:東南大學(xué)