專利名稱：一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超精密切削加工裝置，特別涉及一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，屬于機(jī)械精密切削加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著超精密切削加工、精密光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的迅猛發(fā)展，人們對微納米級精度的超精密加工技術(shù)及裝備有著越來越高的要求。目前，用于切削加工的普通車床溜板或數(shù)控車床刀架一般采用電機(jī)帶動滾珠絲杠或者手動細(xì)牙螺紋來實(shí)現(xiàn)刀具的定位和驅(qū)動。上述刀具驅(qū)動裝置的缺陷是由于受限自身結(jié)構(gòu)和制造精度以及傳動方式，存在結(jié)構(gòu)尺寸過大、定位精度和重復(fù)定位精度低、傳動不平穩(wěn)等缺點(diǎn)，不能很好的實(shí)現(xiàn)微納米級切削加工的需要，這嚴(yán)重制約了機(jī)械零部件和回轉(zhuǎn)對稱非球面光學(xué)曲面等的加工精度和表面質(zhì)量，嚴(yán)重阻礙了制造業(yè)發(fā)展水平。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種定位精度和重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)精密直線定位及運(yùn)動輸出功能，配合機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架也可實(shí)現(xiàn)如運(yùn)動軌跡為正弦曲線、梯形、三角形或結(jié)構(gòu)陣列等直線、曲線運(yùn)動。該裝置采用壓電疊堆作為驅(qū)動元件實(shí)現(xiàn)刀架的精密驅(qū)動，采用電容接觸式位移傳感器作為信號檢測元件實(shí)現(xiàn)刀具位移信號的實(shí)時采集。本實(shí)用新型的工作原理是當(dāng)?shù)毒咔邢鞴ぷ鲿r，電容接觸式位移傳感器6通過與擋塊9接觸來實(shí)時采集刀具的位移信號，位移信號通過控制系統(tǒng)處理輸出電壓信號來驅(qū)動壓電疊堆3輸出準(zhǔn)確的位移量，以此來控制刀具在切削深度方向上的精度，可使刀具10的位移分辨率遠(yuǎn)小于金屬切削機(jī)床的最小理論切削深度，實(shí)現(xiàn)微納米級精密切削加工。本實(shí)用新型通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，主要由基座、刀架、刀具、驅(qū)動元件和信號檢測元件組成，所述的驅(qū)動元件為壓電疊堆3，信號檢測元件為精密電容接觸式位移傳感器6，壓電疊堆3過盈配合安裝在基座I上開有的矩形槽內(nèi)，并通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)緊，基座I上固定有傳感器固定基座7，精密電容接觸式位移傳感器6間隙配合安裝在傳感器固定基座7內(nèi)，并通過傳感器緊固螺釘8固定，其前端接觸探頭始終與刀架2端部的擋塊9接觸，基座I尾端為連接裝置11，刀架2通過第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14與基座I連接，刀具10通過刀具緊固螺釘15安裝在刀架2的刀槽中。所述的傳感器固定基座7通過粘接的方式與基座I固連或與基座I為同一整體，所述的連接裝置11、第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14、擋塊9和刀架2與基座I均為同一整體。所述的預(yù)緊結(jié)構(gòu)采用自鎖式預(yù)緊楔形塊4，其預(yù)緊力由預(yù)緊螺釘5提供，對壓電疊堆3進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖。[0009]與基座I為同一整體的第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14、擋塊9、刀架2和傳感器固定基座7通過電火花線切割方式進(jìn)行加工；第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14在壓電疊堆3的驅(qū)動力作用下，發(fā)生微小彎曲變形輸出精密直線位移至刀片10，當(dāng)壓電疊堆3的驅(qū)動力撤銷時，回到初始位置。所說的精密驅(qū)動單元壓電疊堆3為可控型精密致動元件，通過對壓電疊堆3施加電壓時，可實(shí)現(xiàn)刀架2沿X方向的精密可控直線運(yùn)動。利用壓電疊堆3的精密驅(qū)動作用，可使刀片10的運(yùn)動位移分辨率遠(yuǎn)小于金屬切削機(jī)床能達(dá)到的最小切削深度，從而實(shí)現(xiàn)微納米級的表面車削，利用壓電疊堆3的快速響應(yīng)作用和基本線性的電壓-輸出位移關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)切削深度的精密控制。本實(shí)用新型的有益效果是(I)通過精密電容接觸式位移傳感器拾取刀具實(shí)際位移以及壓電疊堆直線位移的精確輸出，可對被加工表面進(jìn)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切削機(jī)床能達(dá)到的理論切削深度的微量切削并對切削加工過程進(jìn)行實(shí)時誤差補(bǔ)償，從而能實(shí)現(xiàn)較大程度的降低工件表面粗糙度，提高刀具系統(tǒng)的定位精度。(2)配合切削機(jī)床的回轉(zhuǎn)刀架，也可以實(shí)現(xiàn)刀 具的簡諧、間歇、連續(xù)等形式的運(yùn)動規(guī)律，完成精密機(jī)械部件、回轉(zhuǎn)對稱非球面等復(fù)雜曲面以及正弦、矩形、三角形或結(jié)構(gòu)陣列等形狀的工件表面的超精密加工和刀具補(bǔ)償。(3)結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能良好、成本低。

圖I是用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置的俯視圖；圖2是用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置的立體圖；圖3是用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置的主視圖；圖4是用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是平行板型薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)變形前的原理狀態(tài)圖；圖6是平行板型薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)變形后的原理狀態(tài)圖。圖中1.基座2.刀架3.壓電疊堆4.自鎖式預(yù)緊楔形塊5.壓電疊堆緊固螺釘6.精密電容接觸式位移傳感器7.傳感器固定基座8.傳感器緊固螺釘9.擋塊10.刀具11.連接裝置12.第一平行板型薄壁柔性鉸鏈13.第二平行板型薄壁柔性鉸鏈14.第三平行板型薄壁柔性鉸鏈15.刀片緊固螺釘。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)例對本實(shí)用新型內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。參閱圖1-4，該裝置包括通過第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14與基座I連接的刀架2，刀架2上端為擋塊9，擋塊9和刀架2為同一整體；刀具10通過刀具緊固螺釘15安裝在刀架2底部的刀槽中；基座I上部開有矩形槽，在矩形槽中過盈安裝壓電疊堆3作為該裝置的驅(qū)動元件，壓電疊堆3通過自鎖式預(yù)緊楔形塊4和壓電疊堆緊固螺釘5進(jìn)行預(yù)緊，壓電疊堆3與基座I和自鎖式預(yù)緊楔形塊4均過盈配合；基座I上表面粘接有傳感器固定基座7，在傳感器固定基座7內(nèi)間隙安裝有精密電容接觸式位移傳感器6，精密電容接觸式位移傳感器6作為該裝置的信號檢測元件，精密電容接觸式位移傳感器6通過傳感器緊固螺釘8固定，其前端接觸探頭始終與擋塊9接觸；基座I后端為連接裝置11，用于該裝置與機(jī)床工作臺或轉(zhuǎn)塔刀架的固定。圖5-6是平行板型薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)原理狀態(tài)圖，第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14在壓電疊堆3的驅(qū)動力作用下，可以發(fā)生微小的彎曲變形，從而輸出精密直線位移，圖5中的為柔性鉸鏈的彎曲剛度，S為柔性鉸鏈微變形，A為加在柔性鉸鏈自由端的外力。基座I與刀架2通過第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14連成一體，無需裝配環(huán)節(jié)和傳動環(huán)節(jié)，受壓電疊堆3驅(qū)動作用的刀架2和受精密電容接觸式位移傳感器6頂壓作用的擋塊9與基座I發(fā)生相對運(yùn)動時均不產(chǎn)生摩擦和磨損等現(xiàn)象，亦無傳動鏈誤差和剛度影響，可大大提高裝置的定位精度、增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。刀架2在壓電疊堆3的驅(qū)動力力作用下，可實(shí)現(xiàn)沿X方向精密直線運(yùn)動，并通過精密電容接觸式位移傳感器6實(shí)時采集刀具10位移信息，配合壓電疊堆3可控位移輸出可實(shí) 現(xiàn)刀具的精密定位。刀具10和刀具緊固螺釘15為配套式可更換元件，可根據(jù)實(shí)際切削條件下要求更換不同角度和材料的刀具或不同類型成型刀具。具體工作過程如下該裝置通過基座I后端的連接裝置11固定于機(jī)床工作臺或回轉(zhuǎn)刀架上，初始狀態(tài)時，壓電疊堆3不通電，通過壓電疊堆緊固螺釘5對壓電疊堆3進(jìn)行沿y方向進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖；精密電容接觸式傳感器6的前端彈性探頭與擋塊9接觸；當(dāng)壓電疊堆3通電伸長時，第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14在壓電疊堆3作用下發(fā)生彈性變形而推動刀架2沿X方向作精密直線運(yùn)動，使壓電疊堆3輸出的位移作用在刀具10上；當(dāng)壓電疊堆3斷電回縮時，第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈12、13、14在其自身反向回復(fù)力作用下帶動刀架2回到初始位置。在壓電疊堆3的通電輸出位移過程中，精密接觸式電容傳感器6實(shí)時采集擋塊9的位移信號，所采集的位移信號與目標(biāo)位置通過控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差運(yùn)算，并對誤差值進(jìn)行轉(zhuǎn)換、運(yùn)算和放大，最終控制系統(tǒng)輸出電壓控制信號來驅(qū)動壓電疊堆3輸出準(zhǔn)確的位移量，利用壓電疊堆3的精密驅(qū)動作用，可使刀具10的運(yùn)動位移分辨率遠(yuǎn)高于切削機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動分辨率，從而實(shí)現(xiàn)微納米級的表面車削，利用壓電疊堆3的位移驅(qū)動的快速響應(yīng)作用和基本線性的電壓一輸出位移關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)切深的精密伺服控制。當(dāng)給定的輸入信號為正弦波信號時，驅(qū)動壓電疊堆3的電壓信號波形為正弦波，相應(yīng)地刀具10沿X方向的運(yùn)動軌跡為簡諧運(yùn)動規(guī)律的往復(fù)直線；當(dāng)給定的輸入信號為矩形波信號時，驅(qū)動壓電疊堆3的電壓信號波形為矩形波，相應(yīng)地刀具10沿X方向的運(yùn)動軌跡為間歇運(yùn)動規(guī)律的往復(fù)直線；當(dāng)給定的輸入信號為三角波信號時，驅(qū)動壓電疊堆3的電壓信號波形為三角波，相應(yīng)地刀具10沿X方向的運(yùn)動軌跡為連續(xù)運(yùn)動規(guī)律的往復(fù)直線；當(dāng)給定的輸入信號為點(diǎn)陣、線陣和面陣信號時，亦可實(shí)現(xiàn)零部件端面微納結(jié)構(gòu)陣列的切削加工。對精密驅(qū)動單元壓電疊堆3的輸入電壓波形的控制，配合機(jī)床磚塔刀架，刀具10也可實(shí)現(xiàn)如運(yùn)動軌跡為正弦曲線、梯形或三角形等直線、曲線運(yùn)動。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，由基座、刀架、刀具、驅(qū)動元件和信號檢測元件組成，其特征在于，所述的驅(qū)動元件為壓電疊堆(3)，信號檢測元件為精密電容接觸式位移傳感器(6)，壓電疊堆(3)過盈配合安裝在基座(I)上開有的矩形槽內(nèi)，并通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)緊，基座(I)上固定有傳感器固定基座(7)，精密電容接觸式位移傳感器(6)間隙配合安裝在傳感器固定基座(7)內(nèi)，并通過傳感器緊固螺釘(8)固定，其前端接觸探頭始終與刀架(2)端部的擋塊(9)接觸，基座(I)尾端為連接裝置(11)，刀架(2)通過第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈(12、13、14)與基座(I)連接，刀具(10)通過刀具緊固螺釘(15)安裝在刀架(2)的刀槽中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的傳感器固定基座(7)通過粘接的方式與基座(I)固連或與基座(I)為同一整體，所述的連接裝置(11)、第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈(12、13、14)、擋塊(9)和刀架(2)與基座(I)均為同一整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，其特征在于，所述的預(yù)緊結(jié)構(gòu)采用自鎖式預(yù)緊楔形塊(4)，其預(yù)緊力由預(yù)緊螺釘(5)提供，對壓電疊堆(3)進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，其特征在于，與基座(I)為同一整體的第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈(12、13、14)、擋塊(9)、刀架(2)和傳感器固定基座(7)通過電火花線切割方式進(jìn)行加工；第一、二、三平行板型薄壁柔性鉸鏈(12、13、14)在壓電疊堆(3)的驅(qū)動力作用下，發(fā)生微小彎曲變形輸出精密直線位移至刀片(10)，當(dāng)壓電疊堆(3)的驅(qū)動力撤銷時，回到初始位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，其特征在于，所說的精密驅(qū)動單元壓電疊堆(3)為可控型精密致動元件，通過對壓電疊堆(3)施加電壓時，可實(shí)現(xiàn)刀架(2)沿X方向的精密可控直線運(yùn)動。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置，旨在提供一種定位精度和重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的用于微納米級切削加工的刀具伺服補(bǔ)償驅(qū)動裝置。它包括開有矩形槽的基座，在矩形槽中過盈安裝壓電疊堆作為驅(qū)動元件，基座上表面粘接有傳感器固定基座，在傳感器固定基座內(nèi)間隙安裝有精密電容接觸式位移傳感器，基座后端為連接裝置，連接裝置與基座為同一整體，刀架通過三組平行板型薄壁柔性鉸鏈與基座連接，刀架上端為擋塊，擋塊和刀架為同一整體，刀具通過刀具緊固螺釘安裝在刀架底部的刀槽中。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)切削刀具的精密定位及驅(qū)動，能夠滿足微納米級切削加工對刀具驅(qū)動裝置的要求。
文檔編號B23Q5/22GK202540008SQ201220144470
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者王漢偉, 王赫, 胡磊磊, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:趙宏偉