專利名稱：三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于平面磨削主動(dòng)控制的新型數(shù)控微定位工作臺(tái)。
背景技術(shù)：
磨削加工是一種精密加工的有效方法，利用精密磨削加工技術(shù)可以直接達(dá)到微米級(jí)的加工精度，但是欲進(jìn)一步提高磨削的加工精度，則受到磨床機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)分辨率的限制。另外，在磨削過(guò)程中在線修整和砂礫的脫落將導(dǎo)致砂輪偏心，進(jìn)而引起砂輪的振動(dòng)，從而使得砂輪和工件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，降低磨削加工的表面質(zhì)量。通常砂輪的轉(zhuǎn)速高達(dá)3000-5000r/min左右，要對(duì)頻率為50-84Hz的外界振動(dòng)干擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其執(zhí)行單元的響應(yīng)頻率需要更高。由于磨床進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給質(zhì)量較大，所以其動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率較低，很難對(duì)砂輪偏心引起的振動(dòng)進(jìn)行在線的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。因此，研究一種具有高響應(yīng)速度和精確位移控制的新型微定位工作臺(tái)具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。它可作為精密機(jī)床的輔助工作臺(tái)，有效地提高精密機(jī)床的進(jìn)給精度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床靜動(dòng)態(tài)加工誤差的微動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償。建造納米級(jí)的微定位工作臺(tái)的技術(shù)難度在于，如何提高其定位精度、位移分辨率、動(dòng)靜態(tài)剛度以及響應(yīng)速度，從而使其能滿足磨削加工輔助定位和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆１緦?shí)用新型的提出可使上述難題得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種微定位工作臺(tái)作為精密磨床的輔助定位平臺(tái)，與機(jī)床原有進(jìn)給機(jī)構(gòu)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)快速大行程進(jìn)給和位置調(diào)整以及微量進(jìn)給和精密定位并能對(duì)砂輪的振動(dòng)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。參照附圖，三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，主要由動(dòng)平臺(tái)1、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、位移傳感器3以及底座4構(gòu)成。三個(gè)可以沿軸向發(fā)生位移變化的壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器2沿圓周等間隔通過(guò)調(diào)整墊片11與底座4連接，并用螺栓剛性固定，通過(guò)調(diào)整墊片11的厚度，可以對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)器2施加預(yù)緊力。驅(qū)動(dòng)器上部通過(guò)螺紋與球形接頭6連接并且球形接頭6與彈性鉸鏈7形成赫茲接觸。三個(gè)圓形凹槽彈性鉸鏈7沿圓周也以等間隔的方式剛性固定在連接環(huán)8上，這種布置形式可以提供各向同性的側(cè)向剛度，并能限制動(dòng)平臺(tái)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。彈性鉸鏈7、連接環(huán)8以及立柱5固連在一起構(gòu)成預(yù)緊機(jī)構(gòu)，連接環(huán)8通過(guò)螺栓和動(dòng)平臺(tái)1連接。立柱5與預(yù)緊機(jī)構(gòu)和底座4剛性連接成為一整體結(jié)構(gòu)，減少了制造和裝配誤差，并限制了動(dòng)平臺(tái)沿x、y軸的平動(dòng)自由度和繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。三個(gè)位移傳感器3的兩個(gè)極板通過(guò)各自的固定支架9、10沿壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器2所在圓周等間隔分別固定于連接環(huán)8和底座4上，并與壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器2相互間隔60°。三個(gè)壓電陶瓷PZT驅(qū)動(dòng)器2并聯(lián)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)1，使得動(dòng)平臺(tái)具有空間姿態(tài)調(diào)整能力。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于，此平臺(tái)可作為精密磨床的輔助定位平臺(tái)，與機(jī)床原有進(jìn)給機(jī)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速大行程進(jìn)給和位置調(diào)整以及微量進(jìn)給和精密定位并能夠?qū)ι拜喥囊鸬恼駝?dòng)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。


圖1為三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)的立體視圖。
圖2為預(yù)緊機(jī)構(gòu)與底座固連所構(gòu)成的立體視圖。
圖3為本實(shí)用新型的控制流程圖。
其中1-動(dòng)平臺(tái)；2-壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；3-位移傳感器；4-底座；5-立柱；6-球形接頭；7-彈性鉸鏈；8-連接環(huán)；9、10-固定支架；11-調(diào)整墊片。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型為一種微定位工作臺(tái)。如圖1～圖3所示，對(duì)本實(shí)施例而言，工作臺(tái)的尺寸為Φ150×145mm3，壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)為最大推力3000N，軸向剛度400N/μm，三個(gè)高精度的電容式位移傳感器的參數(shù)為動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為0-10KHz，量程為50μm，分辨率為1nm。為便于工件的裝卡，動(dòng)平臺(tái)上表面具有孔距為12.5×12.5mm2的M2螺紋孔。動(dòng)平臺(tái)下表面Φ120mm的圓周上有6個(gè)等間距的螺紋孔用來(lái)和連接環(huán)通過(guò)螺栓連接。連接環(huán)為一個(gè)空心圓柱體，其內(nèi)外徑分別為Φ100mm和Φ150mm厚度為10mm。為了提高運(yùn)動(dòng)精度，三個(gè)彈性鉸鏈7通過(guò)連接環(huán)8構(gòu)成預(yù)緊和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，即采用了圓形凹槽的彈性鉸鏈作為微定位工作臺(tái)的預(yù)緊和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。圓形凹槽彈性鉸鏈7的一端固定在連接環(huán)上，另一端和立柱直接相連，且三個(gè)彈性鉸鏈沿周向等間隔布置。三個(gè)彈性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別位于連接環(huán)下15mm處并和Φ72mm的圓周相切。利用螺栓將PZT驅(qū)動(dòng)器的下部通過(guò)墊片和底座連接，PZT驅(qū)動(dòng)器的上部通過(guò)球形接頭和彈性鉸鏈的一端以赫茲接觸方式連接。即壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器2和動(dòng)平臺(tái)1之間為赫茲接觸。利用PZT驅(qū)動(dòng)器和底座之間的墊片可以調(diào)整預(yù)緊環(huán)節(jié)對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)器施加預(yù)緊力的大小。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可以防止在PZT驅(qū)動(dòng)器快速伸長(zhǎng)的過(guò)程中動(dòng)平臺(tái)和球形接頭之間的分離。為了克服PZT的非線性對(duì)微定位工作臺(tái)特性的影響，采用三個(gè)高精度的電容式位移傳感器直接測(cè)量動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際輸出位移從而形成全閉環(huán)控制。電容式傳感器的目標(biāo)極板和測(cè)量極板分別固定在支架9、10上，兩極板之間的距離為50μm。支架9、10分別通過(guò)螺栓與連接環(huán)8和底座相連接，并且和PZT驅(qū)動(dòng)器的間隔為60°。該種電容式位移傳感器的布置方式可以直接測(cè)量動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際輸出，從而可以形成全閉環(huán)控制。
由計(jì)算機(jī)控制的三通道電壓放大器用來(lái)提供PZT驅(qū)動(dòng)器伸縮所需要的電流。(如圖3所示)三個(gè)電容式位移傳感器測(cè)量的數(shù)值由16位的采集卡輸送到計(jì)算機(jī)。由電容式位移傳感器測(cè)量的數(shù)值計(jì)算出動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置和姿態(tài)并與理論數(shù)值對(duì)比，利用編制的數(shù)字PID控制算法得到每個(gè)PZT驅(qū)動(dòng)器所需要的補(bǔ)償量的大小，進(jìn)而可以通過(guò)16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整。三個(gè)PZT驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)沿兩個(gè)水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)垂直軸的平臺(tái)。
本實(shí)用新型具有靜動(dòng)態(tài)剛度高、定位精度高、控制靈活并具有姿態(tài)調(diào)整能力?？捎糜谀ハ骷庸さ妮o助精密定位和振動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，也可用于光學(xué)器件的測(cè)量。
權(quán)利要求1.三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，主要由動(dòng)平臺(tái)(1)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)、電容式位移傳感器(3)以及底座(4)構(gòu)成，其特征在于三個(gè)壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器(2)沿圓周等間隔通過(guò)調(diào)整墊片(11)與底座(4)剛性固定，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(2)上部通過(guò)螺紋與球形接頭(6)連接并且球形接頭(6)與彈性鉸鏈(7)形成赫茲接觸，三個(gè)圓形凹槽彈性鉸鏈(7)沿圓周也以等間隔的方式剛性固定在連接環(huán)(8)上，彈性鉸鏈(7)、連接環(huán)(8)以及立柱(5)固連在一起構(gòu)成預(yù)緊機(jī)構(gòu)，連接環(huán)(8)通過(guò)螺栓和動(dòng)平臺(tái)(1)連接，立柱(5)和底座(4)剛性連接成為一整體結(jié)構(gòu)，三個(gè)電容式位移傳感器(3)的兩個(gè)極板通過(guò)各自的固定支架(9、10)沿壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器(2)所在圓周等間隔分別固定于連接環(huán)(8)和底座(4)上，并與壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器(2)相互間隔60°。
2.照權(quán)利要求1所述的三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，其特征在于所述的三個(gè)壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器(2)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(1)。
3.照權(quán)利要求1所述的三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，其特征在于所示的三個(gè)電容式位移傳感器(3)直接測(cè)量動(dòng)平臺(tái)(1)的輸出位移。
4.照權(quán)利要求1所述的三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，其特征在于所述的壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)器(2)和動(dòng)平臺(tái)(1)之間為赫茲接觸。
5.照權(quán)利要求1所述的三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，其特征在于所示的三個(gè)彈性鉸鏈(7)通過(guò)連接環(huán)(8)構(gòu)成預(yù)緊和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于平面磨削主動(dòng)控制的新型數(shù)控納米級(jí)微定位工作平臺(tái)。三自由度納米級(jí)微定位工作臺(tái)，主要由三個(gè)可以沿軸向發(fā)生位移變化的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以及三個(gè)圓形凹槽彈性鉸鏈等構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的上部裝有球形接頭并與彈性鉸鏈形成赫茲接觸。彈性鉸鏈、彈性預(yù)緊環(huán)以及立柱固連在一起構(gòu)成預(yù)緊機(jī)構(gòu)，彈性預(yù)緊環(huán)通過(guò)螺栓和動(dòng)平臺(tái)連接。立柱與預(yù)緊機(jī)構(gòu)和底座剛性連接成為一整體結(jié)構(gòu)。每個(gè)位移傳感器的兩個(gè)極板通過(guò)各自的固定支架分別固定于彈性預(yù)緊環(huán)和底座上，并與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相互間隔60°。本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于，提高磨削加工精度可以達(dá)到納米級(jí)的水平，使得在超精密平面磨削加工中，進(jìn)給系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的分辨率和定位。
文檔編號(hào)B24B41/06GK2707426SQ20042002932
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者張大衛(wèi), 田延嶺, 閆兵, 董科 申請(qǐng)人:天津大學(xué)