帶有疊層致動器的振動輔助機械加工系統的製作方法

2023-05-12 11:50:51 2

專利名稱：帶有疊層致動器的振動輔助機械加工系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及帶有疊層致動器的振動輔助機械加工(VAM)系統。這些 VAM系統可以允許製造具有改進的表面光潔度質量、減小的特徵尺寸和增 加的空間複雜度的裝置。它們還可以允許裝置的更快速的製造。
背景技術：
振動輔助機械加工(VAM)是在各種應用中利用的一種先進的製造技 術，所述各種應用例如為製造用於光柵和衍射光學器件的主模、和製造用 於衝壓成形的母模(diemasters)。與單點車削加工比較，VAM技術可以提 供優點，包括減少刀具磨損；擴展材料機械加工性能；和增加納米級特 徵的能力。
VAM還能機械加工例如為碳化矽的材料，所述材料由於金剛石尖端的 過熱所以極其難以使用單點金剛石車削技術加工。VAM系統在複雜度和用 途方面變化。VAM系統、例如為北卡羅來納州立大學研發的Ultramm系統 使用並排安裝的兩個壓電(PZT)致動器來以橢圓形軌跡驅動金剛石刀具。 橢圓形軌跡的短軸和長軸通過用於使PZT致動器與切削刀具接合的T形聯 接件以及用於驅動PZT致動器的驅動信號的振幅和相位而確定。然而，當 在穩態條件下運行時，所述聯接件幾何形狀和驅動方法不允許在刀具進入 或退出工件時減小刀具導入和導出區域(即過渡區域)。

發明內容
本發明提供用於機械加工硬質材料的改進的振動銑削加工裝置和方 法，以產生高質量表面光潔度並可以提供減小的刀具導入和導出區域，同 時保持與VAM工藝相關的其他所需特徵。
本發明的一個示例性實施方式是一種振動輔助機械加工(VAM)系統， 包括框架；與所述框架機械接合的振動元件；與所述振動元件相連接的
10切削/切割刀具保持架；和與所述框架接合的工件保持架。振動元件包括適 於在VAM系統的振動平面內產生大致橢圓形刀具軌跡的第一致動器和第 二致動器。VAM系統還包括在所述框架與所述振動元件或所述工件保持架 之間接合的第三致動器。所述第三致動器與所述框架接合，以使其位移軸 大致位于振動平面內且大致垂直於VAM系統的進給方向。
本發明的另一個示例性實施方式是一種VAM系統，包括框架；切削 刀具保持架；與所述框架接合的工件保持架；和三個致動器。第一致動器 在所述框架與所述切削刀具保持架或所述工件保持架之間接合。第二致動 器也在所述框架與所述切削刀具保持架或所述工件保持架之間接合。第三 致動器在所述框架和前兩個所述致動器的一個之間、在所述框架和所述切 削刀具保持架之間、或在所述框架和所述工件保持架之間接合。第一和第 二致動器適於以VAM系統的振動平面內大致橢圓形的刀具軌跡驅動安裝 在所述切削刀具保持架中的切削刀具。第一和第三致動器與所述框架接合， 以使得它們的位移軸大致位于振動平面內且大致垂直於VAM系統的進給 方向。第二致動器與所述框架接合，以使其位移軸位于振動平面內且大致 平行於VAM系統的進給方向。


當結合附圖閱讀時，由下面詳細說明可以最好地理解本發明。需強調 的是，根據一般慣例，附圖的各個特徵不按比例繪製。相反，為了清楚， 所述各個特徵的尺寸被任意擴大或減小。說明書附圖中包括以下附圖
圖1是示出根據本發明的示例性振動輔助機械加工(VAM)系統的側 向平面視圖。
圖2是示出可以在根據本發明的示例性VAM系統中使用的示例性疊層
致動器結構的剖開透視圖。
圖3A和4A是示出可以用於驅動根據本發明的示例性VAM系統的壓 電致動器的示例性驅動信號的曲線圖。
圖3B是示出由圖3A的示例性驅動信號驅動的根據本發明的示例性 VAM系統中的切削刀具的尖端的運動的曲線圖。
圖4B是示出由圖4A的示例性驅動信號驅動的根據本發明的示例性VAM系統中的切削刀具的尖端的運動的曲線圖。
圖5A是示出使用現有技術的VAM系統獲得的示例性表面光潔度和進 給速率的側向平面視圖。
圖5B和5C是示出使用根據本發明的示例性VAM系統獲得的示例性 表面光潔度和進給速率的側向平面視圖。
圖6A是示出可以在根據本發明的示例性VAM系統中使用的振動元件 的側向平面視圖。
圖6B是示出圖6A的振動元件的交叉中空彎曲部(cross-void flexure) 運行原理的側向平面視圖。
圖7A是示出可以在根據本發明的示例性VAM系統中使用的另一種振 動元件的透視圖。
圖7B是示出圖7A的振動元件的運行原理的曲線圖。
圖8是示出根據本發明的另一種示例性VAM系統的側向平面視圖。
具體實施例方式
一種當前的VAM系統設計使用以並排結構(類似於圖2中PZT 200 和202的結構)布置的兩個壓電(PZT)疊層件/致動器。在本發明的以下 詳細描述中，許多實例特別地示出包括以並排結構布置的兩個PZT致動器 的振動元件。然而，本領域技術人員將理解，所述特定振動元件的使用僅 僅是示例性的而不是意在作出限制。可以設想的是，本領域已知的其他類 型的兩個PZT致動器振動元件(例如在圖6A、 6B、 7A、 7B和8中示出的 那些振動元件)可以使用在本發明的示例性實施方式中。
雖然以下描述的示例性VAM系統中使用的致動器被描述為PZT致動 器，但是這並不意在作出限制。還可以設想的是，例如為磁致伸縮致動器 的其他致動器可以用於代替本發明的示例性實施方式中的一個或多個PZT 致動器。
在使用帶有並排結構的振動元件的VAM系統中，通過將正弦電壓信號 應用到具有約1-4 kHz的頻率並且彼此呈60-170°相異相位的兩個PZT上， 振動元件被驅動；然而，通常使用在信號之間呈90。的相位差。兩個致動 器的振蕩在通過"T"聯接件而接合時產生橢圓形切削刀具運動。所述運動
12將進入/過渡區域限制到橢圓的一半長度，並且還限制可用於實現所需的表 面光潔度的切削過程中的最大進給速率。由於橢圓的曲線形輪廓，進給速 率通過所述表面光潔度所需的最高點至最低點的值控制。應該注意的是， 所獲得的的表面在高放大倍數下具有大致圓齒形的外觀。所述圓齒形圖案
的長度和高度比例與每個橢圓循環的上進給速率(upfeedmte)和橢圓形的 等效半徑估計值大致相關。
本發明的示例性實施方式將第三短行程PZT致動器添加到並排PZT致 動器上。第三PZT致動器也可以用正弦電壓信號驅動。參考預期的切削表 面，可以變化所述第三驅動信號的相位、頻率和/或振幅，以使得切削刀具 的尖端的所獲得的橢圓形運動改變為不同的形狀。通過工件"所見"的刀 具運動將指示性能特徵。這些改變的刀具軌跡形狀中的一些可以允許更快 的進給速率，而其他刀具軌跡形狀可以允許在單次走刀(pass)中實現更深 的切削。
圖1示出本發明的一個示例性實施方式。所述示例性實施方式是VAM 系統，包括框架100;包括以並排結構安裝的兩個PZT致動器的振動元
件114;切削刀具保持架112;工件保持架106;和第三擾動PZT致動器。
擾動PZT致動器可以接合在框架100與振動元件114 (PZT致動器116)和 工件保持架106 (PZT致動器104)中的任一個之間或接合在框架100與所 述振動元件114和工件保持架106兩者之間。圖1還示出了安裝在工件保 持架106上的工件108，以及可以包括在根據本發明的示例性VAM系統中 的其它元件，例如切削刀具110;運動平臺102，以在工件108的機械加 工過程中工件108和/或切削刀具110相對彼此移動；振動控制電路118， 以提供用于振動元件114、擾動PZT致動器104和/或擾動PZT致動器116 的驅動信號。
框架100、運動平臺102、工件保持架106、振動元件114、切削刀具 保持架112和切削刀具IIO可以全部都與現有技術的VAM系統、例如北卡 羅來納州立大學研發的Ultramill系統的相應元件類似。切削刀具110可以 典型地包括金剛石尖端；然而，例如為硬質合金或藍寶石的其他切削刀具 尖端也可以依據待機械加工的材料理想地使用。
運動平臺102可以每一個都包括進給平臺和/或步進平臺以移動工件108和/或切削刀具110。這些進給和步進平臺理想地提供沿正交方向的運 動，以便提供光柵掃描機械加工圖案，所述正交方向大致平行於工件108 的表面(並且還大致正交於擾動PZT致動器的偏振軸)。注意到運動平臺 102還可以包括一個Z平移平臺以控制切削深度(在機械加工工件108表 面的過程中)和工件108與切削刀具110尖端之間的間距(當工件108表 面不被加工時)。其他運動平臺包括轉動和傾斜平臺，所述轉動和傾斜平臺 平臺也可以包括在運動平臺102中，以允許獲得附加的自由度和/或備選的 機械加工圖案。
圖2是示出振動元件114、切削刀具保持架112和擾動PZT致動器116 的示例性結構的放大的剖開透視圖。所述圖示出PZT致動器200和202的 並排結構，即這兩個PZT致動器的偏振(位移)軸大致平行(圖2頁面中 的上下方向，圖l頁面中的左右方向)。這兩個PZT致動器通過T聯接件 (T形聯接件)204接合在一起以形成振動元件，所述振動元件可以用作圖 1的示例性VAM系統中的振動元件114。如以上所討論的那樣，用正弦信 號驅動PZT致動器200和202引起安裝在切削刀具保持架112中的切削刀 具的尖端沿大致橢圓形刀具軌跡(如圖5A所示)運動，所述橢圓形刀具軌 跡位於大致平行於VAM系統的進給方向的平面內。(所述平面通常大致垂 直於被機械加工的工件108的表面。)通過改變這些正弦信號的振幅和/或 它們的相位差，可以改變所述橢圓形刀具軌跡的方位和橢圓率，包括變為 正圓形；然而，只要PZT致動器200和202用正弦信號驅動，則刀具尖端 的刀具軌跡就仍然保持大致橢圓形。
圖6A示出備選的振動元件114'。所述示例性振動元件使用正交安裝的 PZT致動器600和602以使交叉中空彎曲部604變形。這些變形引起切削 刀具110沿曲線形軌跡行進，如圖6B所示。通過用具有相同頻率和不同相 位的正弦變化的信號驅動兩個致動器600和602，所述曲線形軌跡變為封閉 橢圓形。如在圖2的示例性振動元件中，通過改變這些正弦信號的振幅和/ 或它們的相位差，可以改變所述橢圓形刀具軌跡的方位和橢圓率，包括變 為正圓形；然而，只要PZT致動器200和202用正弦驅動信號驅動，則刀 具尖端的刀具軌跡就仍然保持大致橢圓形。
圖7A示出另一個備選的振動元件114"。所述示例性振動元件使用正交安裝的PZT致動器702以在二維振動梁700上建立振蕩。二維振動梁700 在接合點704處剛性接合。因此，如圖7B所示，帶有對應於接合點704 的節點的橫向駐波706可以由PZT致動器702驅動，所述PZT致動器702 在兩個接合點704的中點與二維振動梁700接合。適於起到切削刀具保持 架112的作用的二維振動梁700的端部由這些駐波振動。這些振動可以使 得切削刀具110的尖端沿橢圓形刀具軌跡運動。所述橢圓形刀具軌跡的橢 圓率和方位可以通過改變橫向駐波706的正交分量的相對振幅和相位而控 制。
如圖l和2所示，將例如為擾動致動器116的第三PZT致動器添加到 這些示例性VAM系統的一個中允許刀具軌跡改變為更廣泛類型的形狀。理 想的是，擾動PZT致動器116的偏振(位移)軸對準圖2頁面中的上下方 向，即大致平行於PZT致動器200和202的偏振軸。圖3B和4B示出了示 例性刀具軌跡，所述刀具軌跡可以用如圖2中所示的三個致動器VAM系統 獲得，其中全部三個PZT致動器都通過正弦電壓信號驅動。第三PZT致動 器在工件位置的添加、致動工件使其進出刀具平面將具有相同的預期效果。
如上所示，當穩態控制時，使用如圖2所示的PZT致動器200和202 的兩個致動器VAM系統的橢圓形刀具運動將進入/過渡區域限制到橢圓的 一半長度。通過使用第三擾動PZT致動器116 (或PZT致動器104)，可以 產生備選的刀具軌跡以滿足希望的要求。圖3A示出示例性驅動信號300、 302和304的電壓相對時間的圖線，所述示例性驅動信號300、 302和304 可以通過振動控制電路118中的驅動電路提供以在使用圖1和2的結構的 示例性VAM系統中分別驅動PZT致動器200、 202和116 (或104)。這三 個示例性驅動信號圖線通過等式1定義。電壓和時間都表示為任意單位。 K300 = 0,003sin(w/)
K302 = 0.003sin(。f—卯。) (1)
K304 = 0.00055sin(2— 在該實例中，驅動信號300和302在相同的基頻下振蕩，並具有相同 的行程振幅，但是這兩個信號彼此呈90。相異相位。在該實施方式中，供 應到PZT致動器116 (或104)的第三驅動信號304具有更低的振幅和兩倍 的頻率。本領域技術人員將理解，理想的是，驅動信號304具有近似等於
15，所述基頻用於驅動包括在振動元件114中的兩個並 排PZT致動器200和202。這允許切削刀具110的尖端每個循環橫向移動 近似相同的刀具軌跡。在該實施方式中，擾動驅動信號304的振幅典型地 小於用於驅動振動元件114的驅動信號300和302的振幅；然而，這些振 幅的比率可以受PZT致動器116 (或104)相比於PZT致動器200和202 的壓電增益(mm/V)的差異以及完成指定的條件和目標所需的刀具軌跡效 果的影響。
圖3B示出刀具軌跡306，當示例性系統由示例性驅動信號300、 302 和304驅動時，圖1的示例性VAM系統中切削刀具110尖端可以沿所述刀 具軌跡306運動。沒有驅動信號304，刀具軌跡將為大致橢圓形；然而，通 過添加驅動信號304，刀具軌跡306的頂側(即，當切削刀具正在機械加工 表面時循環的實際部份)變平。這在切削刀具尖端處於所需的切削深度時 允許增加時間，並且可以改進加工表面的表面質量。當與相似的兩個PZT 致動器VAM系統比較時，這還可以允許使用增加的進給速率，同時仍然提 供相同的最高點至最低點的高度。
此外，過渡區域被縮短，所述過渡區域為在刀具軌跡的所述部分運行 過程中切削刀具的尖端插入或拔出材料的部分。對於大致橢圓形的刀具軌 跡，過渡區域是橢圓長度的一半，在該實施方式中為 .01AU。然而，示例 性刀具軌跡306的過渡區域308僅為 .0065AU。因此，過渡區域在該實施 方式中減小~35%。過渡區域影響VAM系統在表面上機械加工近似豎直的 特徵的能力。過渡區域越短，切口底部的邊緣可能越尖銳。
圖4A示出驅動信號400、 402和404的另一組示例性的電壓相對時間 的圖線，所述示例性驅動信號400、 402和404可以通過振動控制電路118 中的驅動電路提供以在使用圖1和2的結構的示例性VAM系統中分別驅動 PZT致動器200、 202和116 (或104)。這三個示例性驅動信號圖線通過等 式2定義。電壓和時間都表示為任意單位。 ^400 = 0.003sinO0
P402 - 0.003sin(o^—卯。) (2) 「404 = 0.00014sin(4a;f+90° ) 在本實施方式中，驅動信號400和402與圖3A中的驅動信號300和302類似。供應到PZT致動器116 (或104)的第三驅動信號404具有更低 的振幅和四倍的頻率。
圖4B示出刀具軌跡406，當示例性系統由示例性驅動信號400、 402 和404驅動時，圖1的示例性VAM系統中切削刀具110的尖端可以沿刀具 軌跡406運動。如在圖3B中的刀具軌跡306的情況下那樣，刀具軌跡406 的頂側在圖4B中變平。示例性刀具軌跡406的過渡區域408為 .00775AU， 僅使用振動元件114的兩個PZT致動器，在整個橢圓形刀具軌跡上產生了 ~22.5%的減小。
雖然圖3A、 3B、 4A和4B的實施方式僅包括用於驅動振動元件114 的PZT致動器的基頻的偶次諧波的擾動，但可以設想的是，也可以使用奇 次諧波。其他周期性驅動信號也可以用於驅動擾動PZT致動器104和減 116。此外，通過使用擾動PZT致動器104和擾動PZT致動器116,可以產 生更複雜的刀具軌跡。例如為MATLAB的計算機軟體可以用於確定產生所 需刀具軌跡需要的振幅、頻率和波形。
如以上所討論的那樣，當在"穩態"下運行時，刀具軌跡的過渡區域 影響VAM系統在表面上機械加工近似豎直的特徵的能力。另外，在不犧牲 表面質量的情況下，過渡區域的長度和刀具軌跡的切削部分的"扁平度" 影響VAM系統每個循環的最大進給距離。
還注意到，振動控制電路118可以包括偏置電路以向擾動PZT致動器 104禾n/或116提供偏置信號，從而動態地控制切削刀具110和工件108之 間的距離(或在工件108被加工時控制由切削刀具110作出的切削深度)。 注意到，用於動態控制機械加工過程的擾動PZT致動器104和/或116可能 導致改變VAM系統的參數(改變溫度、振動、力等)，並且可能對所獲得 的的表面質量起不利的影響。然而，所述動態控制的益處可以超過可能產 生的不利影響，特別是在切削走刀的開始和末尾處。偏置信號可以被應用 作為擾動PZT致動器104和/或116的在切削走刀的開始和/或末尾的步驟 (step)以產生具有非常近似豎直邊緣的特徵。在切削走刀過程中，偏置信 號可以大致恆定，並且可以將周期性擾動信號應用到擾動PZT致動器104 和/或116上。備選地，可以在切削走刀過程中改變偏置信號以允許形成具 有納米級高度的表面特徵，或允許實現用於例如為透鏡或透鏡模型的非平面表面的VAM。
可以由根據本發明的示例性VAM系統利用的動態控制的另一個示例 性形式包括在機械加工過程中改變擾動信號的相位和/或振幅。所述動態控 制允許刀具軌跡根據位置變化，所述變化可以用於改變工件不同部位的表 面質量禾n/或減小示例性VAM系統的導入和導出區域。
圖5A示出使用帶有大致橢圓形刀具軌跡500的現有技術的VAM系統 進行機械加工的工件108的表面。在本實施方式中，大致橢圓形刀具軌跡 500已經按比例設定，以使得如果需要1 nm的最大表面振動502，則刀具 軌跡的一個循環過程中的最大進給距離504為0.7 pm。大致橢圓形刀具軌 跡500'示出隨著切削刀具110從其原始位置移動至一個循環後的位置(虛 線的切削刀具110')時刀具軌跡轉移了多遠。本領域技術人員將理解的是， 由於所述進給運動，表面上機械加工的曲線圖案將被輕微拉長；然而，圖 5A-C所示的近似值示出了與不同刀具軌跡相關的差異。
圖5B和5C示出了示例性刀具軌跡306和406如何影響進給速率和表 面質量。因為刀具軌跡306和406的切削部分(即當切削刀具110的尖端 在工件108 "內"時)大致"扁平"，所以最高點至最低點的效果會大大小 於橢圓形，這可以允許更快的進給速率。如圖5B所示，假設同樣需要1 nm 的最大表面振動502，刀具軌跡306的一個循環過程中的最大進給距離506 增加到7 [im。圖5C示出使用示例性刀具軌跡406的效果。在刀具軌跡406 的一個循環過程中的最大進給距離508是4.5 pm。
因此，使用擾動PZT致動器104 (和/或116)改變刀具軌跡的形狀可 以在不犧牲表面質量的情況下，理想地減小過渡區域，並且可以允許更快 的機械加工速度。
還注意到，壓電材料在沿它們的偏振軸承受應力時產生電壓。因此， 還設想的是，圖1的示例性系統中的PZT致動器104或116中的一個可以 用作傳感器以測定工件108附近的殘餘力。所述PZT致動器可以與振動控 制電路118中的傳感器電路電接合，以從PZT致動器接收指示出切削刀具 IIO尖端和工件108之間的壓力的信號。太大的力會損害工件，而太小的力 會指示工件加工不足或系統問題。因此，所述力的測量可以理想地用於優 化機械加工過程。圖8示出根據本發明的另一個示例性VAM系統。該示例性實施方式使 用兩個正交安裝的PZT致動器，所述PZT致動器獨立運行以生成大致橢圓 形的刀具軌跡。使用兩個這樣獨立運行的PZT致動器的VAM系統在美國 專利申請No. 11/221,041，"用於利用兩個獨立軸的振動機械加工的方法和 裝置"(轉讓給松下電器產業株式會社)中公開，在此通過引用將其合併到 本說明書中。
這兩個獨立運行並正交安裝的PZT致動器對應圖1的示例性VAM系 統的振動元件114。在本發明的示例性實施方式中，這些PZT致動器中的 每一個都通過驅動電路118產生的正弦信號理想地被驅動。這些信號理想 地具有相同的頻率，但是具有不同的相位和可能不同的振幅。
PZT致動器可以被安裝在一起作為振動元件800並被驅動以相對於切 削刀具110沿大致橢圓形的軌跡平移工件108，或者它們可以在振動元件 802中安裝在一起並被驅動以沿大致橢圓形刀具軌跡平移切削刀具110。備 選地， 一個PZT致動器可以安裝在振動元件800中以相對於切削刀具110 沿一個方向振蕩工件108，而另一個PZT致動器可以安裝在振動元件802 中以沿正交方向振蕩切削刀具110。這些平移一起在工件108和切削刀具 110之間引起大致橢圓形的相對運動。
在本發明的示例性實施方式中，這兩個PZT致動器理想地在"穩態" 下被驅動，以在整個機械加工過程中在工件108和切削刀具110之間產生 大致橢圓形的相對運動。然而，圖8的示例性VAM系統還包括擾動PZT 致動器104和/或116。如以上參考圖1的示例性VAM系統描述的那樣，擾 動PZT致動器104和域116可以在"穩態"下運行，並導致工件108和切 削刀具IIO之間的改進的相對運動。此外，如以上參考圖1的示例性實施 方式描述的那樣，擾動PZT致動器104和域116可以用於提供VAM過程 的動態控制。
在另一個示例性實施方式中，可以設想的是，擾動PZT致動器104和 /或116可以包括多於一個的PZT元件。例如，PZT致動器116可以包括疊 層結構(即端對端)的兩個PZT元件，允許PZT致動器116產生兩個擾動 振動。這兩個擾動振動的頻率、相位和/或振幅可以通過來自振動控制電路 118的分離的驅動信號分離地控制。在另一個實施方式中，在圖2的示例性
19實施方式中，PZT致動器116可以包括並排結構的兩個PZT元件，其中PZT 致動器116中的每一個PZT元件與PZT致動器200和202中的一個接合。 PZT致動器116的兩個PZT元件可以通過相同驅動信號驅動，所述結構可 以允許擾動PZT致動器產生增大的力。備選地，在根據本發明的示例性 VAM系統中，PZT致動器116的兩個PZT元件可以通過分離的驅動信號驅 動，以提供改進的刀具軌跡控制。
本發明包括許多包括三個或更多的PZT致動器的示例性VAM系統。 雖然在此參考特定實施方式示出和描述了本發明，但是不意在使本發明被 限制於所示的細節。相反，在權利要求的等效範圍和界限內且不脫離本發 明的情況下，可以在細節上作出各種修改。特別地，本領域技術人員可以 理解的是，本發明不局限於帶有四個或更少PZT致動器的VAM系統，並 且各種特定示出的實施方式的許多其他特徵可以混合以形成另外的示例性 VAM系統，本發明也包含所述VAM系統。
權利要求
1.一種振動輔助機械加工(VAM)系統，包括框架；與所述框架機械接合的振動元件，所述振動元件包括適於在所述VAM系統的振動平面內產生大致橢圓形刀具軌跡的第一致動器和第二致動器；與所述振動元件相連接的切削刀具保持架；與所述框架接合的工件保持架；以及在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第三致動器所述振動元件；或所述工件保持架；其中，所述第三致動器與所述框架接合，以使得所述第三致動器的位移軸大致位於所述振動平面內且大致垂直於所述VAM系統的進給方向。
2. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於-所述振動元件的所述第一致動器和所述第二致動器以並排結構安裝； 所述振動元件還包括將所述第一致動器和所述第二致動器與所述切削刀具保持架接合的T聯接件；以及所述第一致動器和所述第二致動器與所述框架接合，以使得所述第一 致動器和所述第二致動器的位移軸大致平行於所述第三致動器的位移軸。
3. 根據權利要求2的VAM系統，其特徵在於所述第三致動器包括以並排結構布置的第一致動元件和第二致動元件；所述第三致動器的第一致動元件在所述框架和所述第一致動器之間接 合；以及所述第三致動器的第二致動元件在所述框架和所述第二致動器之間接合。
4. 根據權利要求l的VAM系統，其特徵在於所述振動元件還包括將所述第一致動器和所述第二致動器與所述切削 刀具保持架接合的交叉中空彎曲部；所述振動元件的所述第一致動器和所述第二致動器以正交結構安裝；以及所述第一致動器和所述第二致動器接合到所述框架上，以使得所述第一致動器的位移軸大致平行於所述第三致動器的位移軸；以及所述第二致動器的位移軸大致垂直於所述第三致動器的位移軸。
5. 根據權利要求l的VAM系統，其特徵在於-所述振動元件還包括具有兩個節點和不位於所述兩個節點之間的端部段的二維橫向振動梁，所述二維橫向振動梁接合所述兩個節點處的所述框架；以及 所述端部段處的所述切削刀具保持架；以及 所述振動元件的所述第一致動器和所述第二致動器在所述兩個節點之 間的中點處以正交結構與所述二維橫向振動梁接合以使得.*所述第一致動器的位移軸大致平行於所述第三致動器的位移軸；以及所述第二致動器的位移軸大致垂直於所述第三致動器的位移軸。
6. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包括與所述振動元件和所述第三致動器電接合的驅動電路，所述驅動電路 適於提供用於驅動所述第一致動器的第一驅動信號、用於驅動所述第二致 動器的第二驅動信號和用於驅動所述第三致動器的第三驅動信號；其中所述第一驅動信號具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅動信號具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅動信號與 所述第二驅動信號的相對相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動平面內沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對所述振動元件運動；以及所述第三驅動信號具有近似等於所述基頻的N倍的擾動頻率，和 小於所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的擾動振幅，其 中N為大於1的整數。
7. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包 括與所述第三致動器電接合的偏置電路，所述偏置電路適於提供偏置信號 以動態地控制所述振動元件和所述工件保持架之間的距離。
8. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包括在所述框架和所述振動元件之間接合以沿所述VAM系統的進給方向 平移振動元件的進給平臺；以及在進給線端部處沿大致垂直於進給方向和大致正交於所述VAM系統 的振動平面的方向使所述切削刀具保持架相對於所述工件保持架步進的步 進平臺，所述步進平臺在所述框架與以下部件中的一個之間接合 所述振動元件；或 所述工件保持架。
9. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包括在所述框架和所述工件保持架之間接合以沿與所述VAM系統的進給 方向相反的方向平移工件保持架的進給平臺；以及在進給線端部處沿大致垂直於進給方向和大致正交於所述VAM系統 的振動平面的方向使所述切削刀具保持架相對於所述工件保持架步進的步 進平臺，所述步進平臺在所述框架與以下部件中的一個之間接合 所述振動元件；或 所述工件保持架。
10. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包 括在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第四致動器所述振動元^牛；或 所述工件保持架。
11. 根據權利要求10的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括與所述振動元件、所述第三致動器和所述第四致動器電接合的驅動電 路，所述驅動電路適於提供用於驅動所述第一致動器的第一驅動信號、用 於驅動所述第二致動器的第二驅動信號、用於驅動所述第三致動器的第三驅動信號和用於驅動所述第四致動器的第四驅動信號； 射所述第一驅動信號具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅動信號具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅動信號與 所述第二驅動信號的相對相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動平面內沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對所述振動元件運動；所述第三驅動信號具有近似等於所述基頻的N倍的第一擾動頻 率，和小於所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的第一擾 動振幅，其中N為大於1的整數；以及所述第四驅動信號具有近似等於所述基頻的M倍的第二擾動頻 率，和小於或等於所述第一擾動振幅的第二擾動振幅，其中M為大於 N的整數。
12. 根據權利要求1的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還包 括與所述第三致動器電接合的傳感器電路，所述傳感器電路適於從所述第 三致動器接收指示安裝在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端與安裝 在所述工件保持架中的工件之間的力的信號。
13. 根據權利要求l的VAM系統，其特徵在於 所述第一致動器為壓電(PZT)致動器或磁致伸縮致動器； 所述第二致動器為PZT致動器或磁致伸縮致動器；以及 所述第三致動器為PZT致動器或磁致伸縮致動器。
14. 根據權利要求l的VAM系統，其特徵在於，所述第三致動器包括 多個以疊層結構布置的致動元件。
15. —種振動輔助機械加工(VAM)系統，包括 框架；切削刀具保持架； 與所述框架接合的工件保持架；在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第一致動器 所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第二致動器所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；以及 在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第三致動器所述第一致動器；所述第二致動器；所述切削刀具保持架；或所述工件保持架； 其中所述第一致動器和所述第二致動器適於以所述VAM系統的振動 平面內的大致橢圓形刀具軌跡驅動安裝在所述切削刀具保持架中的切 削刀具；所述第一致動器和所述第三致動器與所述框架接合，以使得所述 第一致動器和所述第三致動器的位移軸大致位於所述振動平面內且大 致垂直於所述VAM系統的進給方向；以及所述第二致動器與框架接合，以使得所述第二致動器的位移軸位 於所述振動平面內且大致平行於所述VAM系統的進給方向。
16.根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括與所述第一致動器、所述第二致動器和所述第三致動器電接合的驅動 電路，所述驅動電路適於提供用於驅動所述第一致動器的第一驅動信號、 用於驅動所述第二致動器的第二驅動信號和用於驅動所述第三致動器的第 三驅動信號；其中-所述第一驅動信號具有基頻和第一行程振幅；所述第二驅動信號具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅動信號與 所述第二驅動信號的相對相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動平面內沿大致橢圓形的刀具軌跡相對所述振動元件運動；以及所述第三驅動信號具有近似等於所述基頻的N倍的擾動頻率，和 小於所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的擾動振幅，其 中N為大於1的整數。
17. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括與所述第三致動器電接合的偏置電路，所述偏置電路適於提供偏置信 號以動態地控制所述振動元件和所述工件保持架之間的距離。
18. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括在所述框架和所述切削刀具保持架之間接合以沿所述VAM系統的進 給方向平移切削刀具保持架的進給平臺；以及在進給線端部處沿大致垂直於進給方向和大致正交於所述VAM系統 的振動平面的方向使所述切削刀具保持架相對於所述工件保持架步進的步 進平臺，所述步進平臺在所述框架與以下部件中的一個之間接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
19. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括在所述框架和所述工件保持架之間接合以沿與所述VAM系統的進給 方向相反的方向平移工件保持架的進給平臺；以及在進給線端部處沿大致垂直於進給方向和大致正交於所述VAM系統 的振動平面的方向使所述切削刀具保持架相對於所述工件保持架步進的步 進平臺，所述步進平臺在所述框架與以下部件中的一個之間接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
20. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括在所述框架與以下部件中的一個之間接合的第四致動器所述第一致動器； 所述第二致動器； 所述第三致動器；所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
21. 根據權利要求18的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括與所述第一致動器、所述第二致動器、所述第三致動器和所述第四致 動器電接合的驅動電路，所述驅動電路適於提供用於驅動所述第一致動器 的第一驅動信號、用於驅動所述第二致動器的第二驅動信號、用於驅動所 述第三致動器的第三驅動信號和用於驅動所述第四致動器的第四驅動信號 其中所述第一驅動信號具有基頻和第一行程振幅； 所述第二驅動信號具有基頻和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驅動信號與 所述第二驅動信號的相對相位被選擇以使得安裝在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振動平面內沿大致橢圓形的刀具軌跡相 對所述振動元件運動；所述第三驅動信號具有近似等於所述基頻的N倍的第一擾動頻 率，和小於所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中較小者的第一擾 動振幅，其中N為大於1的整數；以及所述第四驅動信號具有近似等於所述基頻的M倍的第二擾動頻 率，和小於或等於所述第一擾動振幅的第二擾動振幅，其中M為大於 N的整數。
22. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述VAM系統還 包括與所述第三致動器電接合的傳感器電路，所述傳感器電路適於從所述 第三致動器接收指示安裝在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端與安 裝在所述工件保持架中的工件之間的力的信號。
23. 根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於 所述第一致動器為壓電(PZT)致動器或磁致伸縮致動器； 所述第二致動器為PZT致動器或磁致伸縮致動器；以及 所述第三致動器為PZT致動器或磁致伸縮致動器。
24.根據權利要求15的VAM系統，其特徵在於，所述第三致動器包 括多個以疊層結構布置的致動元件。
全文摘要
一種振動輔助切削(VAM)系統，包括框架(100；圖1)；與所述框架(100；圖1)機械接合的振動元件(114；圖1)；與所述振動元件(114；圖1)相連接的切削刀具保持架(112；圖1)；和與所述框架接合的工件保持架(106；圖1)。所述振動元件(114；圖1)包括適於在振動平面內產生大致橢圓形的刀具軌跡(圖5A)的第一和第二致動器(200、202；圖2)。所述VAM系統還包括第三致動器(104和/或116；圖1)，所述第三致動器(104和/或116；圖1)在所述框架(100；圖1)與所述振動元件(114；圖1)或所述工件保持架(106；圖1)之間接合以使其位移軸大致位于振動平面內且大致垂直於所述VAM系統的進給方向。這允許刀具軌跡被改變為更廣泛類型的形狀(圖5B)。
文檔編號B23P25/00GK101641182SQ200880009699
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月27日 優先權日2007年3月27日
發明者J·埃興頓, T·李 申請人:松下電器產業株式會社