一種壓電驅(qū)動三維橢圓微進(jìn)給運(yùn)動平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超精密切削加工以及難加工材料復(fù)雜光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是 涉及一種壓電驅(qū)動三維橢圓微進(jìn)給運(yùn)動平臺。
【背景技術(shù)】
[0002] 精密、超精密加工技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展需要而發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)。 它綜合現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)，更是機(jī)械制造業(yè)中最重要的組成部分之一。它不論是在國防軍事工業(yè)的發(fā)展中，還 是在國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中都有其極其廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 高精度、高分辨率的精密微進(jìn)給系統(tǒng)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有 極其重要的地位。它是直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測量水平及超大規(guī)模集成 電路生產(chǎn)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。所 以對開展精密進(jìn)給系統(tǒng)的研究是十分迫切的，有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。有利于縮小與先進(jìn) 國家同行業(yè)的差距，促進(jìn)我國精密儀器儀表、精密超精密加工水平的提高。微進(jìn)給技術(shù)可 應(yīng)用到各種微小零部件及模具的切削加工、可應(yīng)用于各種微腔模具的銑削加工、可應(yīng)用于 電子元器件的加工（例如硅晶片的加工）、可應(yīng)用于航空航天精密欽合金結(jié)構(gòu)件的加工等， 具有很大的市場及應(yīng)用領(lǐng)域，有利于推動我國制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)我國納米技術(shù)方面的 研究。
[0004] 國內(nèi)外大量科技工作者多年來致力于微進(jìn)給技術(shù)的研究，使微進(jìn)給技術(shù)取得了 長足的發(fā)展。微進(jìn)給的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，主要分為機(jī)械式和機(jī)電式兩大類。機(jī)械傳動采 用精密傳動裝置或增加減速裝置的方法，這只是一種改良的辦法，它不能克服機(jī)械機(jī)構(gòu)中 存在的摩擦、間隙、運(yùn)動中爬行及分辨率不高等問題。因此實(shí)現(xiàn)高精度的微進(jìn)給非常困難， 效果也不理想。采用彈性變形的方式雖沒有磨擦、間隙和爬行，但只能工作在低頻狀態(tài)，且 由于彈性機(jī)構(gòu)需要外力驅(qū)動，在大多數(shù)情況下不便于控制。
[0005] 近年來，柔性鉸鏈已成為炙手可熱的話題，由于其體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙且 運(yùn)動靈敏度高已成為提高精密、超精密加工進(jìn)給精度的一個(gè)重要方面，開創(chuàng)了工作臺進(jìn)入 納米級的新時(shí)代。
[0006] 以壓電陶瓷為驅(qū)動器件的微進(jìn)給技術(shù)是超精密加工中普遍使用的技術(shù)。美國3L 試驗(yàn)室（LaurenceLivermoreNationLaboratory)早在1975年就成功地將該技術(shù)應(yīng)用 在超精密金剛石車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)中。1984年日本人E.Kouno設(shè)計(jì)了用于加工誤差伺服 補(bǔ)償?shù)奈⑦M(jìn)給系統(tǒng)。1985年美國3L試驗(yàn)室S.R.Patterson與他人合作研制成功了快速伺 服刀架，主要用于提高超精密車床的進(jìn)給分辨率和精度。1990年日本人Y.Okazaki發(fā)表文 章介紹了一種新型的微進(jìn)給刀架，其結(jié)構(gòu)較新穎，有較好的性能。1991年美國人Thomas A.Dowrj提出了一種用于加工無旋轉(zhuǎn)對稱中心表面的快速刀架，該刀架優(yōu)點(diǎn)是有較高頻響 速度，ThomasA.Dowrj認(rèn)為刀架運(yùn)動部件的質(zhì)量和刀架剛度是影響頻響速度的主要因素， 該刀架開環(huán)頻響速度好于2KHz。我國80年代也開始了利用壓電陶瓷驅(qū)動微量進(jìn)給技術(shù)的 研究。1985年長沙國防科技大學(xué)研制了壓電陶瓷車削微進(jìn)給系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的 車削用微進(jìn)給刀架，采用電致伸縮陶瓷驅(qū)動，支承刀頭部分是一對彈性膜，其受力狀態(tài)可簡 化為雙固定端梁在中間加載，中間部分為剛體，不產(chǎn)生變形。該刀架采用整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小，易于控制，使用方便。其最大行程為5um，進(jìn)給分辨率0. 02um。
[0007] 提高機(jī)床的進(jìn)給精度，是目前亟需解決的問題，是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)加工要求的必然 趨勢，對提高現(xiàn)代制造業(yè)的競爭力有著重要意義。所以如何在現(xiàn)有機(jī)床上提高機(jī)床的加工 精度，滿足日益增長的加工精度要求，成為制造業(yè)的一個(gè)核心問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種壓電驅(qū)動三維橢圓微進(jìn)給運(yùn)動平臺，從而實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率 的超精密切削加工。
[0009] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：右側(cè)板和左側(cè)板底部分別與底座固定連接，柔性鉸鏈 平臺與右側(cè)板和左側(cè)板上方連接，直圓型柔性鉸鏈一和直圓型柔性鉸鏈二一端分別與直圓 型柔性鉸鏈和直圓型柔性鉸鏈一端對稱分布連接在工件基座的兩側(cè)，該四個(gè)直圓型柔性鉸 鏈的另一端分別與工件基座外圈連接，直梁型柔性鉸鏈一和直梁型柔性鉸鏈二一端分別與 直梁型柔性鉸鏈三和直梁型柔性鉸鏈四一端對稱分布連接工件基座外圈的兩側(cè)，該四個(gè)直 梁型柔性鉸鏈的另一端分別與柔性鉸鏈平臺外圈連接，X軸方向上的壓電疊堆和Y軸方向 上的壓電疊堆分別由螺栓通過孔一、孔二預(yù)緊安裝在柔性鉸鏈平臺外圈上，Z軸方向上的壓 電疊堆上部與工件基座下部連接、底部與鍥形組合塊連接，該鍥形組合塊位于微調(diào)導(dǎo)軌中， 鍥形組合塊的頂桿穿過微調(diào)頂板上的微調(diào)螺孔。
[0010] 本發(fā)明底座上有用于聯(lián)接機(jī)床的底座固定孔；
[0011] 本發(fā)明工件基座上有用于固定工件的螺孔。
[0012] 本發(fā)明利用了壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生微位移，因?yàn)槠渚哂械奈灰品直媛?高、體積小、出力大的特點(diǎn)，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)具有較高的精度、驅(qū)動能力和相對簡單的控 制方式。本發(fā)明利用柔性鉸鏈所具備的結(jié)構(gòu)緊湊、無磨損、無傳動空程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了柔性 鉸鏈平臺來完成微位移的傳遞，最大限度的減少微位移傳遞過程中在精度上的損失從而彌 補(bǔ)壓電陶瓷進(jìn)給步幅小的缺點(diǎn)。通過對x、Y和Z方向上的壓電疊堆輸入信號直接驅(qū)動柔性 鉸鏈平臺，使位于微進(jìn)給運(yùn)動平臺上的工件產(chǎn)生三維橢圓運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)超精密切削加工 以及難加工材料復(fù)雜光學(xué)零件加工。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0014] (1)壓電驅(qū)動的三維橢圓微進(jìn)給運(yùn)動平臺運(yùn)動平滑，分辨率高，剛度好。本發(fā)明 的柔性鉸鏈平臺由壓電疊堆直接驅(qū)動，柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
[0015] (2)整體柔性裝置為柔性鉸鏈運(yùn)動平臺，整體結(jié)構(gòu)相對簡單，易于制造，柔性裝置 的體積小，質(zhì)量小，易于實(shí)現(xiàn)柔性裝置的高頻加工，同時(shí)減小