微納加工設(shè)備及其加工操作器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微納加工設(shè)備的加工操作器，包括基座臺、刀具和安裝于所述基座臺并用于驅(qū)動所述刀具移動的驅(qū)動裝置，包括三個所述驅(qū)動裝置，且三個所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述刀具移動的方向?yàn)閮蓛上嗷ゴ怪?。既能滿足實(shí)際試驗(yàn)中多自由度及大行程的要求，又能在加工精度方面有明顯提高，可以實(shí)現(xiàn)微小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納加工。具有多自由度、大行程和高加工精度。本發(fā)明還公開了一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備。
【專利說明】
微納加工設(shè)備及其加工操作器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微納加工領(lǐng)域，特別是涉及一種微納加工設(shè)備的加工操作器。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]微納加工技術(shù)越來越受到國內(nèi)外的關(guān)注，隨著微納技術(shù)的不斷發(fā)展，許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ξ⒓{米級微納加工技術(shù)提出了更多的要求。而目前研究主要集中在一維微納加工執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，且普遍存在運(yùn)動行程短小，自由度單一，無法實(shí)現(xiàn)“非等參數(shù)”刀具路徑規(guī)劃，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面形貌主動控制的問題。
[0003]即現(xiàn)有精度高的定位微納加工操作器往往行程小，不能同時滿足實(shí)際試驗(yàn)中多自由度及大行程的要求;而在加工精度方面有明顯提高的，卻難以實(shí)現(xiàn)微小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納加工。
[0004]因此，如何提供一種具有多自由度、大行程和高加工精度的加工操作器是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種微納加工設(shè)備的加工操作器，具有多自由度、大行程和高加工精度。本發(fā)明的另一目的是提供一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備，具有多自由度、大行程和高加工精度。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種微納加工設(shè)備的加工操作器，包括基座臺、 刀具和安裝于所述基座臺并用于驅(qū)動所述刀具移動的驅(qū)動裝置，包括三個所述驅(qū)動裝置， 且三個所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述刀具移動的方向?yàn)閮蓛上嗷ゴ怪薄?br>[0007]優(yōu)選地，所述驅(qū)動裝置包括壓電陶瓷驅(qū)動器和柔性鉸鏈放大器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器的一端固定連接所述基座臺，所述壓電陶瓷驅(qū)動器的另一端連接所述柔性鉸鏈放大器的一端，所述柔性鉸鏈放大器的另一端連接所述刀具。
[0008]優(yōu)選地，所述柔性鉸鏈放大器包括固定座和第一輸入平臺，以及對稱設(shè)置于所述第一輸入平臺兩端的兩個第二輸入平臺、兩個第一杠桿、兩個第二杠桿和兩個第三杠桿，所述固定座固定安裝于所述基座臺，所述第一輸入平臺的中部連接所述壓電陶瓷驅(qū)動器，所述第一輸入平臺的一端通過第一柔性鉸鏈連接所述第二輸入平臺的中部；
[0009]所述第二輸入平臺遠(yuǎn)離所述柔性鉸鏈放大器的對稱軸的一端通過第二柔性鉸鏈連接所述第一杠桿靠近所述對稱軸的一端，所述第一杠桿的中部通過第三柔性鉸鏈連接所述固定座；
[0010]所述第二輸入平臺靠近所述對稱軸的一端通過第四柔性鉸鏈連接所述第二杠桿的中部，所述第二杠桿靠近所述對稱軸的一端通過第五柔性鉸鏈連接所述固定座，所述第二杠桿的另一端通過第六柔性鉸鏈連接所述第三杠桿的中部；
[0011]所述第三杠桿靠近所述對稱軸的一端通過第七柔性鉸鏈連接輸出端，所述輸出端通過第八柔性鉸鏈連接所述刀具，所述第三杠桿的另一端通過第九柔性鉸鏈連接所述第一杜桿遠(yuǎn)離所述對稱軸的一端。
[0012]優(yōu)選地，所述第一柔性鉸鏈、所述第二柔性鉸鏈、所述第三柔性鉸鏈、所述第四柔性鉸鏈和所述第五柔性鉸鏈具體為圓弧型柔性鉸鏈，所述第六柔性鉸鏈、第七柔性鉸鏈和第八柔性鉸鏈具體為倒圓角直梁型柔性鉸鏈，所述第九柔性鉸鏈具體為直梁型柔性鉸鏈。
[0013]優(yōu)選地，所述刀具包括動平臺和安裝于所述動平臺的刀頭，所述動平臺連接所述柔性鉸鏈放大器。
[0014]優(yōu)選地，所述壓電陶瓷驅(qū)動器通過套筒固定連接所述基座臺。
[0015]優(yōu)選地，所述固定座通過沉頭內(nèi)六角螺釘固定安裝于擋板，所述擋板通過固定擋片和沉頭內(nèi)六角螺釘安裝于所述基座臺。
[0016]優(yōu)選地，一個所述柔性鉸鏈放大器驅(qū)動所述刀具移動的方向?yàn)樨Q直方向，另兩個所述柔性鉸鏈放大器驅(qū)動所述刀具移動的方向?yàn)樗椒较蚯蚁嗷ゴ怪薄?br>[0017]本發(fā)明提供一種微納加工設(shè)備，包括機(jī)床以及安裝于所述機(jī)床的加工操作器，所述加工操作器具體為上述任意一項(xiàng)所述的加工操作器。
[0018]優(yōu)選地，所述微納加工設(shè)備具體為微結(jié)構(gòu)表面金剛石微納切削加工機(jī)床。
[0019]本發(fā)明提供的加工操作器，包括基座臺、刀具和安裝于基座臺并用于驅(qū)動刀具移動的驅(qū)動裝置，包括三個驅(qū)動裝置，且三個驅(qū)動裝置驅(qū)動刀具移動的方向?yàn)閮蓛上嗷ゴ怪薄?由于設(shè)置了三個驅(qū)動裝置，可在兩兩相互垂直的的三個方向上驅(qū)動刀具移動，使設(shè)備具有了三個加工自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)“非等參數(shù)”刀具路徑規(guī)劃，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜表面形貌主動控制。既能滿足實(shí)際試驗(yàn)中多自由度及大行程的要求，又能在加工精度方面有明顯提高，可以實(shí)現(xiàn)微小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納加工。具有多自由度、大行程和高加工精度。
[0020]本發(fā)明還提供一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備，由于上述加工操作器具有上述技術(shù)效果，上述微納加工設(shè)備也應(yīng)具有同樣的技術(shù)效果，在此不再詳細(xì)介紹。【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明所提供的加工操作器的一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明所提供的加工操作器的一種【具體實(shí)施方式】中柔性鉸鏈放大器的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明的核心是提供一種微納加工設(shè)備的加工操作器，具有多自由度、大行程和高加工精度。本發(fā)明的另一核心是提供一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備，具有多自由度、大行程和高加工精度。
[0024]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]請參考圖1和圖2,圖1為本發(fā)明所提供的加工操作器的一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的加工操作器的一種【具體實(shí)施方式】中柔性鉸鏈放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。[〇〇26]本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供的加工操作器，包括基座臺1、刀具3和三個驅(qū)動裝置，三個驅(qū)動裝置均安裝于基座臺1并用于驅(qū)動刀具3移動，且三個驅(qū)動裝置驅(qū)動刀具3移動的方向?yàn)閮蓛上嗷ゴ怪?。即能夠使刀?在xyz三個方向上移動。
[0027] 具體地，驅(qū)動裝置包括壓電陶瓷驅(qū)動器6和柔性鉸鏈放大器4,壓電陶瓷驅(qū)動器6的一端固定連接基座臺1，壓電陶瓷驅(qū)動器6的另一端連接柔性鉸鏈放大器4的一端，柔性鉸鏈放大器4的另一端連接刀具3。微納米級驅(qū)動器中壓電陶瓷驅(qū)動器6應(yīng)用最為廣泛，雖然壓電陶瓷驅(qū)動器6具有較高的定位精度和分辨率，但是行程只有微米級，行程越高，精度越高，價(jià)格也越貴。因此使用柔性鉸鏈放大器4置于壓電陶瓷驅(qū)動器6與刀具3之間，加大了行程，解決了大行程與高精度的矛盾，使機(jī)構(gòu)在具有較高精度的前提下獲得大行程。[〇〇28]由于設(shè)置了三個驅(qū)動裝置，可在兩兩相互垂直的的三個方向上驅(qū)動刀具移動，使設(shè)備具有了三個加工自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)“非等參數(shù)”刀具路徑規(guī)劃，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜表面形貌主動控制。既能滿足實(shí)際試驗(yàn)中多自由度及大行程的要求，又能在加工精度方面有明顯提高，可以實(shí)現(xiàn)微小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納加工。具有多自由度、大行程和高加工精度。
[0029]柔性鉸鏈放大器4可以具有多種形式，可以包括固定座5和第一輸入平臺9,以及對稱設(shè)置于第一輸入平臺9兩端的兩個第二輸入平臺11、兩個第一杠桿14、兩個第二杠桿15和兩個第三杠桿19。即固定座5固定安裝于基座臺1，第一輸入平臺9的中部連接壓電陶瓷驅(qū)動器6，第一輸入平臺9的一端通過第一柔性鉸鏈10連接第二輸入平臺11的中部。第二輸入平臺11遠(yuǎn)離柔性鉸鏈放大器4的對稱軸的一端通過第二柔性鉸鏈13連接第一杠桿14靠近對稱軸的一端，第一杠桿14的中部通過第三柔性鉸鏈12連接固定座5。第二輸入平臺11靠近對稱軸的一端通過第四柔性鉸鏈16連接第二杠桿15的中部，第二杠桿15靠近對稱軸的一端通過第五柔性鉸鏈20連接固定座5,第二杠桿15的另一端通過第六柔性鉸鏈18連接第三杠桿19 的中部。第三杠桿19靠近對稱軸的一端通過第七柔性鉸鏈21連接輸出端，輸出端通過第八柔性鉸鏈22連接刀具3,第三杠桿19的另一端通過第九柔性鉸鏈17連接第一杠桿14遠(yuǎn)離對稱軸的一端。同時第一輸入平臺9的另一端對稱設(shè)置上述部件。
[0030]工作時壓電陶瓷驅(qū)動器6連接電源，在電源作用下壓電陶瓷驅(qū)動器6伸長，推動第一輸入平臺9向上運(yùn)動，第一輸入平臺9通過第一鉸鏈10推動第二輸入平臺11向上運(yùn)動，通過第二鉸鏈13使得第一杠桿14繞第三鉸鏈12順時針轉(zhuǎn)動，第二輸入平臺11向上運(yùn)動的同時通過第四鉸鏈16帶動第二杠桿15繞第五鉸鏈20逆時針轉(zhuǎn)動，第一杠桿14的右上端向下運(yùn)動，帶動第九柔性鉸鏈17向右運(yùn)動，第二杠桿15上端向上運(yùn)動，帶動第六柔性鉸鏈18向左運(yùn)動，第九柔性鉸鏈17和第六柔性鉸鏈18共同作用在第三杠桿19上，使得第三杠桿繞第六柔性鉸鏈18順時針轉(zhuǎn)動，同時通過第七柔性鉸鏈21及第八柔性鉸鏈22帶動最后輸出端向上運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動刀具3在這一方向上移動，斷電后各部件運(yùn)動方向相反，實(shí)現(xiàn)刀具3退回。此處的上下左右方向?yàn)楦綀D中的相對方向，具體情況需要根據(jù)柔性鉸鏈放大器4的設(shè)置方向而定，同時三個柔性鉸鏈放大器4的結(jié)構(gòu)與設(shè)置方式相同，僅相對方向不同。[〇〇31]采用差動式杠桿放大原理實(shí)現(xiàn)位移放大，方法和結(jié)構(gòu)簡單，空間尺寸小;該機(jī)構(gòu)采用對稱式結(jié)構(gòu)，具有較高的整體剛性，輸入位移可通過左右兩條放大鏈向輸出端進(jìn)行傳遞， 理論上可以完全消除，側(cè)向附加位移，有效地減小了，自身的縱向耦合位移誤差;一體化結(jié)構(gòu)易于加工，避免了裝配誤差。利用壓電陶瓷驅(qū)動器6保證運(yùn)動精度，結(jié)合設(shè)柔性鉸鏈放大器4放大運(yùn)動行程，在保證納米級運(yùn)動精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了毫米級的大運(yùn)動行程的效果。 鉸鏈最后輸出端設(shè)置橫向軸及縱向軸，兩個方向的運(yùn)動保證了整體三維動平臺的運(yùn)動解親。
[0032]圓弧型柔性鉸鏈的運(yùn)動精度較高，但轉(zhuǎn)動范圍相對較小;直梁型柔性鉸鏈有較大的轉(zhuǎn)動范圍，但運(yùn)動精度較差;而倒圓角型柔性鉸鏈兼顧運(yùn)動精度和運(yùn)動范圍。因此在需要較大轉(zhuǎn)動范圍的地方選用直梁型柔性鉸鏈，在需要較高運(yùn)動精度的地方選用圓弧型柔性鉸鏈，在需要兼顧運(yùn)動精度和運(yùn)動范圍的地方選用采用倒圓角型的柔性鉸鏈。[〇〇33] 具體地，第一柔性鉸鏈10、第二柔性鉸鏈13、第三柔性鉸鏈12、第四柔性鉸鏈16和第五柔性鉸鏈20具體為圓弧型柔性鉸鏈，第六柔性鉸鏈18、第七柔性鉸鏈21和第八柔性鉸鏈22具體為倒圓角直梁型柔性鉸鏈，第九柔性鉸鏈17具體為直梁型柔性鉸鏈。也可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置不同類型的柔性鉸鏈，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0034]在本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供的加工操作器中，刀具3可包括動平臺和安裝于動平臺的刀頭，動平臺連接柔性鉸鏈放大器4,實(shí)現(xiàn)刀具的固定于定位。壓電陶瓷驅(qū)動器6通過套筒7固定連接基座臺1，當(dāng)然也可采用其他連接方式。
[0035]在本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供的加工操作器中，固定座5通過沉頭內(nèi)六角螺釘固定安裝于擋板2,擋板2通過固定擋片8和沉頭內(nèi)六角螺釘安裝于基座臺1，便于拆卸更換，也可采用其他連接方式，如卡接或焊接，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。[〇〇36]在上述各【具體實(shí)施方式】提供的加工操作器中，一個柔性鉸鏈放大器4驅(qū)動刀具3移動的方向?yàn)樨Q直方向，另兩個柔性鉸鏈放大器4驅(qū)動刀具3移動的方向?yàn)樗椒较蚯蚁嗷ゴ怪?。即水平的兩個方向?yàn)閤y方向，豎直方向?yàn)閦方向，實(shí)現(xiàn)多自由度控制，也可采用其他設(shè)置方式，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0037]除了上述加工操作器，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】還提供一種包括上述加工操作器的微納加工設(shè)備，該微納加工設(shè)備其他各部分的結(jié)構(gòu)請參考現(xiàn)有技術(shù)，本文不再贅述。
[0038]具體地，上述微納加工設(shè)備可以是微結(jié)構(gòu)表面金剛石微納切削加工機(jī)床。
[0039]以上對本發(fā)明所提供的微納加工設(shè)備及其加工操作器進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微納加工設(shè)備的加工操作器，包括基座臺(1)、刀具(3)和安裝于所述基座臺(1) 并用于驅(qū)動所述刀具(3)移動的驅(qū)動裝置，其特征在于，包括三個所述驅(qū)動裝置，且三個所 述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述刀具(3)移動的方向?yàn)閮蓛上嗷ゴ怪薄?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工操作器，其特征在于，所述驅(qū)動裝置包括壓電陶瓷驅(qū)動器(6)和柔性鉸鏈放大器(4)，所述壓電陶瓷驅(qū)動器(6)的一端固定連接所述基座臺(1)，所述 壓電陶瓷驅(qū)動器(6)的另一端連接所述柔性鉸鏈放大器(4)的一端，所述柔性鉸鏈放大器 (4)的另一端連接所述刀具(3)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加工操作器，其特征在于，所述柔性鉸鏈放大器(4)包括固定 座(5)和第一輸入平臺(9)，以及對稱設(shè)置于所述第一輸入平臺(9)兩端的兩個第二輸入平 臺(11)、兩個第一杠桿(14)、兩個第二杠桿(15)和兩個第三杠桿(19)，所述固定座(5)固定 安裝于所述基座臺(1)，所述第一輸入平臺(9)的中部連接所述壓電陶瓷驅(qū)動器(6)，所述第 一輸入平臺(9)的一端通過第一柔性鉸鏈(10)連接所述第二輸入平臺(11)的中部；所述第二輸入平臺(11)遠(yuǎn)離所述柔性鉸鏈放大器(4)的對稱軸的一端通過第二柔性鉸 鏈(13)連接所述第一杠桿(14)靠近所述對稱軸的一端，所述第一杠桿(14)的中部通過第三 柔性鉸鏈(12)連接所述固定座(5);所述第二輸入平臺(11)靠近所述對稱軸的一端通過第四柔性鉸鏈(16)連接所述第二 杠桿(15)的中部，所述第二杠桿(15)靠近所述對稱軸的一端通過第五柔性鉸鏈(20)連接所 述固定座(5)，所述第二杠桿(15)的另一端通過第六柔性鉸鏈(18)連接所述第三杠桿(19) 的中部；所述第三杠桿(19)靠近所述對稱軸的一端通過第七柔性鉸鏈(21)連接輸出端，所述輸 出端通過第八柔性鉸鏈(22)連接所述刀具(3)，所述第三杠桿(19)的另一端通過第九柔性 鉸鏈(17)連接所述第一杠桿(14)遠(yuǎn)離所述對稱軸的一端。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加工操作器，其特征在于，所述第一柔性鉸鏈(10)、所述第二 柔性鉸鏈(13)、所述第三柔性鉸鏈(12)、所述第四柔性鉸鏈(16)和所述第五柔性鉸鏈(20) 具體為圓弧型柔性鉸鏈，所述第六柔性鉸鏈(18)、第七柔性鉸鏈(21)和第八柔性鉸鏈(22) 具體為倒圓角直梁型柔性鉸鏈，所述第九柔性鉸鏈(17)具體為直梁型柔性鉸鏈。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加工操作器，其特征在于，所述刀具(3)包括動平臺和安裝于 所述動平臺的刀頭，所述動平臺連接所述柔性鉸鏈放大器(4)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加工操作器，其特征在于，所述壓電陶瓷驅(qū)動器(6)通過套筒(7)固定連接所述基座臺(1)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加工操作器，其特征在于，所述固定座(5)通過沉頭內(nèi)六角螺 釘固定安裝于擋板(2)，所述擋板(2)通過固定擋片(8)和沉頭內(nèi)六角螺釘安裝于所述基座 臺⑴。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的加工操作器，其特征在于，一個所述柔性鉸鏈放 大器(4)驅(qū)動所述刀具(3)移動的方向?yàn)樨Q直方向，另兩個所述柔性鉸鏈放大器(4)驅(qū)動所 述刀具(3)移動的方向?yàn)樗椒较蚯蚁嗷ゴ怪薄?.一種微納加工設(shè)備，包括機(jī)床以及安裝于所述機(jī)床的加工操作器，其特征在于，所述 加工操作器具體為權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的加工操作器。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微納加工設(shè)備，其特征在于，所述微納加工設(shè)備具體為微結(jié)構(gòu)表面金剛石微納切削加工機(jī)床。
【文檔編號】B81C1/00GK106082116SQ201610718371
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發(fā)明人】湯暉, 邱遷, 曾昭和, 李宏城, 張攬宇, 高健, 陳新, 賀云波, 楊志軍, 陳云, 王晗, 王素娟
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)