一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的製作方法

2024-02-20 17:41:15

專利名稱：一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超精密切削加工裝置，特別涉及一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，屬於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、數據存儲、微電子技術、生物醫學等學科的迅猛發展，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，用於切削加工的普通車床溜板或數控車床刀架一般採用電機帶動滾珠絲槓或者手動細牙螺紋來實現刀具的定位和驅動。上述刀具驅動裝置的缺陷是由於受限自身結構和製造精度以及傳動方式，存在結構尺寸過大、定位精度和重複定位精度低、傳動不平穩等缺點，不能很好的實現微納米級切削加工的需要，這嚴重製約了機械零部件和迴轉對稱非球面光學曲面等的加工精度和表面質量，嚴重阻礙了製造業發展水平。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種定位精度和重複定位精度高、響應速度快、穩定性好的用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置。該裝置可實現精密直線定位及運動輸出功能，配合工具機迴轉刀架也可實現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。該裝置採用壓電疊堆作為驅動元件實現刀架的精密驅動，採用電容接觸式位移傳感器作為信號檢測元件實現刀具位移信號的實時採集。本實用新型的工作原理是當刀具切削工作時，電容接觸式位移傳感器6通過與擋塊9接觸來實時採集刀具的位移信號，位移信號通過控制系統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的位移解析度遠小於金屬切削工具機的最小理論切削深度，實現微納米級精密切削加工。本實用新型通過下述技術方案予以實現，結合附圖說明如下一種用於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I上開有的矩形槽內，並通過預緊機構預緊，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，並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。所述的預緊結構採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。[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為可控型精密緻動元件，通過對壓電疊堆3施加電壓時，可實現刀架2沿X方向的精密可控直線運動。利用壓電疊堆3的精密驅動作用，可使刀片10的運動位移解析度遠小於金屬切削工具機能達到的最小切削深度，從而實現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-輸出位移關係，可實現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，可對被加工表面進行遠遠小於切削工具機能達到的理論切削深度的微量切削並對切削加工過程進行實時誤差補償，從而能實現較大程度的降低工件表面粗糙度，提高刀具系統的定位精度。(2)配合切削工具機的迴轉刀架，也可以實現刀 具的簡諧、間歇、連續等形式的運動規律，完成精密機械部件、迴轉對稱非球面等複雜曲面以及正弦、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、動態性能良好、成本低。

圖I是用於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是用於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是用於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是用於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變形前的原理狀態圖；圖6是平行板型薄壁柔性鉸鏈結構變形後的原理狀態圖。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。
具體實施方式
以下結合附圖實例對本實用新型內容作進一步的描述。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I和自鎖式預緊楔形塊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後端為連接裝置11，用於該裝置與工具機工作檯或轉塔刀架的固定。圖5-6是平行板型薄壁柔性鉸鏈結構原理狀態圖，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，無需裝配環節和傳動環節，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I發生相對運動時均不產生摩擦和磨損等現象，亦無傳動鏈誤差和剛度影響，可大大提高裝置的定位精度、增加系統運行的穩定性和使用壽命。刀架2在壓電疊堆3的驅動力力作用下，可實現沿X方向精密直線運動，並通過精密電容接觸式位移傳感器6實時採集刀具10位移信息，配合壓電疊堆3可控位移輸出可實 現刀具的精密定位。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後端的連接裝置11固定於工具機工作檯或迴轉刀架上，初始狀態時，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實時採集擋塊9的位移信號，所採集的位移信號與目標位置通過控制系統進行誤差運算，並對誤差值進行轉換、運算和放大，最終控制系統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的運動位移解析度遠高於切削工具機進給系統的運動解析度，從而實現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一輸出位移關係，可實現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X方向的運動軌跡為簡諧運動規律的往復直線；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X方向的運動軌跡為間歇運動規律的往復直線；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X方向的運動軌跡為連續運動規律的往復直線；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，配合工具機磚塔刀架，刀具10也可實現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選實例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，由基座、刀架、刀具、驅動元件和信號檢測元件組成，其特徵在於，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(I)上開有的矩形槽內，並通過預緊機構預緊，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，並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.根據權利要求I所述的一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特徵在於，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.根據權利要求I所述的一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特徵在於，所述的預緊結構採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。
4.根據權利要求I所述的一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特徵在於，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.根據權利要求I所述的一種用於微納米級切削加工的刀具伺服補償驅動裝置，其特徵在於，所說的精密驅動單元壓電疊堆(3)為可控型精密緻動元件，通過對壓電疊堆(3)施加電壓時，可實現刀架(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於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複定位精度高、響應速度快、穩定性好的用於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間隙安裝有精密電容接觸式位移傳感器，基座後端為連接裝置，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B23Q5/22GK202540008SQ201220144470
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者王漢偉, 王赫, 胡磊磊, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:趙宏偉