專利名稱：一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明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 具伺服補償驅動裝置，屬于機械精密切削加工技術領域。
背景技術：
近年來，隨著超精密切削加工、精密光學、半導體學、數(shù)據(jù)存儲、微電子技術、生物 醫(yī)學等學科的迅猛發(fā)展，人們對微納米級精度的超精密加工技術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帶動滾珠絲杠或者 手動細牙螺紋來實現(xiàn)刀具的定位和驅動。上述刀具驅動裝置的缺陷是由于受限自身結構 和制造精度以及傳動方式，存在結構尺寸過大、定位精度和重復定位精度低、傳動不平穩(wěn)等 缺點，不能很好的實現(xiàn)微納米級切削加工的需要，這嚴重制約了機械零部件和回轉對稱非 球面光學曲面等的加工精度和表面質(zhì)量，嚴重阻礙了制造業(yè)發(fā)展水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種定位精度和重復定位精度高、響 應速度快、穩(wěn)定性好的用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置。該裝置可實現(xiàn)精 密直線定位及運動輸出功能，配合機床回轉刀架也可實現(xiàn)如運動軌跡為正弦曲線、梯形、三 角形或結構陣列等直線、曲線運動。該裝置采用壓電疊堆作為驅動元件實現(xiàn)刀架的精密驅 動，采用電容接觸式位移傳感器作為信號檢測元件實現(xiàn)刀具位移信號的實時采集。本發(fā)明的工作原理是當?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動壓電疊 堆3輸出準確的位移量，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 辨率遠小于金屬切削機床的最小理論切削深度，實現(xiàn)微納米級精密切削加工。本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn)，結合


如下一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，主要由基座、刀架、刀具、 驅動元件和信號檢測元件組成，所述的驅動元件為壓電疊堆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1上開有的矩形槽內(nèi)，并通過預緊機構 預緊，基座1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1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1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1固連或與基座1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 1均為同一整體。所述的預緊結構采用自鎖式預緊楔形塊4，其預緊力由預緊螺釘5提供，對壓電疊 堆3進行正向預緊和反向自鎖。
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與基座1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，當壓電疊堆3的驅動力撤銷時，回到初始位置。所說的精密驅動單元壓電疊堆3為可控型精密致動元件，通過對壓電疊堆3施加 電壓時，可實現(xiàn)刀架2沿χ方向的精密可控直線運動。利用壓電疊堆3的精密驅動作用，可 使刀片10的運動位移分辨率遠小于金屬切削機床能達到的最小切削深度，從而實現(xiàn)微納 米級的表面車削，利用壓電疊堆3的快速響應作用和基本線性的電壓-輸出位移關系，可實 現(xiàn)切削深度的精密控制。本發(fā)明的有益效果是(1)通過精密電容接觸式位移傳感器拾取刀具實際位移以 及壓電疊堆直線位移的精確輸出，可對被加工表面進行遠遠小于切削機床能達到的理論切 削深度的微量切削并對切削加工過程進行實時誤差補償，從而能實現(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)配合切削機床的回轉刀架，也可以實現(xiàn)刀具的 簡諧、間歇、連續(xù)等形式的運動規(guī)律，完成精密機械部件、回轉對稱非球面等復雜曲面以及 正弦、矩形、三角形或結構陣列等形狀的工件表面的超精密加工和刀具補償。(3)結構簡單、 動態(tài)性能良好、成本低。

圖1是用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的俯視圖；圖2是用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的立體圖；圖3是用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的主視圖；圖4是用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置結構示意圖；圖5是平行板型薄壁柔性鉸鏈結構原理狀態(tài)圖，其中a)是變形前的狀態(tài)，b)是變 形后的狀態(tài)。圖中1.基座2.刀架3.壓電疊堆4.自鎖式預緊楔形塊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
具體實施例方式下面結合附圖實例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步的描述。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 1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1上部開有矩形槽，在矩形槽中過盈安裝壓電疊 堆3作為該裝置的驅動元件，壓電疊堆3通過自鎖式預緊楔形塊4和壓電疊堆緊固螺釘5 進行預緊，壓電疊堆3與基座1和自鎖式預緊楔形塊4均過盈配合；基座1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1后端為連接裝置11，用于該裝置與機床工作臺或轉塔刀架的固定。圖5是平行板型薄壁柔性鉸鏈結構原理狀態(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δ =F/K，K為柔性鉸鏈的彎曲剛度，δ為柔性鉸鏈微變形，F(xiàn)為加在柔性 鉸鏈自由端的外力?；?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1發(fā)生相對運動時均不產(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)運行的穩(wěn)定性和使用壽命。刀架2在壓電疊堆3的驅動力力作用下，可實現(xiàn)沿χ方向精密直線運動，并通過精 密電容接觸式位移傳感器6實時采集刀具10位移信息，配合壓電疊堆3可控位移輸出可實 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1后端的連接裝置11固定于機床工作臺或回轉刀架上，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進行沿y方向進行正向預緊 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χ方向作精密直線運動，使壓電疊堆3輸出的位移作用在刀具10上；當壓電 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實時采集擋塊9的位移信號，所采集的位移信號與目標位置通過控制系統(tǒng)進行誤差運 算，并對誤差值進行轉換、運算和放大，最終控制系統(tǒng)輸出電壓控制信號來驅動壓電疊堆3 輸出準確的位移量，利用壓電疊堆3的精密驅動作用，可使刀具10的運動位移分辨率遠高 于切削機床進給系統(tǒng)的運動分辨率，從而實現(xiàn)微納米級的表面車削，利用壓電疊堆3的位 移驅動的快速響應作用和基本線性的電壓-輸出位移關系，可實現(xiàn)切深的精密伺服控制。當給定的輸入信號為正弦波信號時，驅動壓電疊堆3的電壓信號波形為正弦波， 相應地刀具10沿χ方向的運動軌跡為簡諧運動規(guī)律的往復直線；當給定的輸入信號為矩形 波信號時，驅動壓電疊堆3的電壓信號波形為矩形波，相應地刀具10沿χ方向的運動軌跡 為間歇運動規(guī)律的往復直線；當給定的輸入信號為三角波信號時，驅動壓電疊堆3的電壓 信號波形為三角波，相應地刀具10沿χ方向的運動軌跡為連續(xù)運動規(guī)律的往復直線；當給 定的輸入信號為點陣、線陣和面陣信號時，亦可實現(xiàn)零部件端面微納結構陣列的切削加工。 對精密驅動單元壓電疊堆3的輸入電壓波形的控制，配合機床磚塔刀架，刀具10也可實現(xiàn) 如運動軌跡為正弦曲線、梯形或三角形等直線、曲線運動。
權利要求
1.一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，主要由基座、刀架、刀具、驅 動元件和信號檢測元件組成，其特征在于，所述的驅動元件為壓電疊堆(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C3)過盈配合安裝在基座(1)上開有的矩形 槽內(nèi)，并通過預緊機構預緊，基座(1)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( 端部的擋塊(9)接觸，基座(1)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(1)連接，刀具(10)通過刀具 緊固螺釘(15)安裝在刀架O)的刀槽中。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，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(1)固連或與基座(1)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⑵與基座⑴均為同一整體。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特 征在于，所述的預緊結構采用自鎖式預緊楔形塊G)，其預緊力由預緊螺釘( 提供，對壓 電疊堆(3)進行正向預緊和反向自鎖。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其 特征在于，與基座(1)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( 和傳感器固定基座(7)通過電火花線切割方式進行加工；第一、二、三平行板 型薄壁柔性鉸鏈(12、13、14)在壓電疊堆C3)的驅動力作用下，發(fā)生微小彎曲變形輸出精密 直線位移至刀片(10)，當壓電疊堆(3)的驅動力撤銷時，回到初始位置。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特 征在于，所說的精密驅動單元壓電疊堆C3)為可控型精密致動元件，通過對壓電疊堆(3)施 加電壓時，可實現(xiàn)刀架(2)沿χ方向的精密可控直線運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，旨在提供一種定位精度和重復定位精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好的用于微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置。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。本發(fā)明可實現(xiàn)切削刀具的精密定位及驅動，能夠滿足微納米級切削加工對刀具驅動裝置的要求。
文檔編號B23Q5/34GK102139459SQ20111008231
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者張振鵬, 楊潔, 王小月, 王漢偉, 王赫, 胡磊磊, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:趙宏偉