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，不能很好的實現(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。該裝置可實現(xiàn)精密直線定位及運動輸出功能，配合機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架也可實現(xiàn)如運動軌跡為正弦曲線、梯形、三角形或結(jié)構(gòu)陣列等直線、曲線運動。該裝置采用壓電疊堆作為驅(qū)動元件實現(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現(xiàn)刀具位移信號的實時采集。本實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，實現(xiàn)微納米級精密切削加工。本實用新型通過下述技術(shù)方案予以實現(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，可實現(xiàn)刀架2沿X方向的精密可控直線運動。利用壓電疊堆3的精密驅(qū)動作用，可使刀片10的運動位移分辨率遠(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，可實現(xiàn)切削深度的精密控制。本實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)行實時誤差補(bǔ)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(jī)床的回轉(zhuǎn)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(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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖實例對本實用新型內(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(qū)動力力作用下，可實現(xiàn)沿X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)行誤差運算，并對誤差值進(jìn)行轉(zhuǎn)換、運算和放大，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的運動位移分辨率遠(yuǎn)高于切削機(jī)床進(jìn)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(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方向的運動軌跡為簡諧運動規(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方向的運動軌跡為間歇運動規(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方向的運動軌跡為連續(xù)運動規(guī)律的往復(fù)直線；當(dāng)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(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。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實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，可實現(xiàn)刀架(2)沿X方向的精密可控直線運動。
專利摘要本實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。本實用新型可實現(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