带有叠层致动器的振动辅助机械加工系统的制作方法

专利名称：带有叠层致动器的振动辅助机械加工系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有叠层致动器的振动辅助机械加工(VAM)系统。这些 VAM系统可以允许制造具有改进的表面光洁度质量、减小的特征尺寸和增 加的空间复杂度的装置。它们还可以允许装置的更快速的制造。
背景技术：
振动辅助机械加工(VAM)是在各种应用中利用的一种先进的制造技 术，所述各种应用例如为制造用于光栅和衍射光学器件的主模、和制造用 于冲压成形的母模(diemasters)。与单点车削加工比较，VAM技术可以提 供优点，包括减少刀具磨损；扩展材料机械加工性能；和增加纳米级特 征的能力。
VAM还能机械加工例如为碳化硅的材料，所述材料由于金刚石尖端的 过热所以极其难以使用单点金刚石车削技术加工。VAM系统在复杂度和用 途方面变化。VAM系统、例如为北卡罗来纳州立大学研发的Ultramm系统 使用并排安装的两个压电(PZT)致动器来以椭圆形轨迹驱动金刚石刀具。 椭圆形轨迹的短轴和长轴通过用于使PZT致动器与切削刀具接合的T形联 接件以及用于驱动PZT致动器的驱动信号的振幅和相位而确定。然而，当 在稳态条件下运行时，所述联接件几何形状和驱动方法不允许在刀具进入 或退出工件时减小刀具导入和导出区域(即过渡区域)。

发明内容
本发明提供用于机械加工硬质材料的改进的振动铣削加工装置和方 法，以产生高质量表面光洁度并可以提供减小的刀具导入和导出区域，同 时保持与VAM工艺相关的其他所需特征。
本发明的一个示例性实施方式是一种振动辅助机械加工(VAM)系统， 包括框架；与所述框架机械接合的振动元件；与所述振动元件相连接的
10切削/切割刀具保持架；和与所述框架接合的工件保持架。振动元件包括适 于在VAM系统的振动平面内产生大致椭圆形刀具轨迹的第一致动器和第 二致动器。VAM系统还包括在所述框架与所述振动元件或所述工件保持架 之间接合的第三致动器。所述第三致动器与所述框架接合，以使其位移轴 大致位于振动平面内且大致垂直于VAM系统的进给方向。
本发明的另一个示例性实施方式是一种VAM系统，包括框架；切削 刀具保持架；与所述框架接合的工件保持架；和三个致动器。第一致动器 在所述框架与所述切削刀具保持架或所述工件保持架之间接合。第二致动 器也在所述框架与所述切削刀具保持架或所述工件保持架之间接合。第三 致动器在所述框架和前两个所述致动器的一个之间、在所述框架和所述切 削刀具保持架之间、或在所述框架和所述工件保持架之间接合。第一和第 二致动器适于以VAM系统的振动平面内大致椭圆形的刀具轨迹驱动安装 在所述切削刀具保持架中的切削刀具。第一和第三致动器与所述框架接合， 以使得它们的位移轴大致位于振动平面内且大致垂直于VAM系统的进给 方向。第二致动器与所述框架接合，以使其位移轴位于振动平面内且大致 平行于VAM系统的进给方向。


当结合附图阅读时，由下面详细说明可以最好地理解本发明。需强调 的是，根据一般惯例，附图的各个特征不按比例绘制。相反，为了清楚， 所述各个特征的尺寸被任意扩大或减小。说明书附图中包括以下附图
图1是示出根据本发明的示例性振动辅助机械加工(VAM)系统的侧 向平面视图。
图2是示出可以在根据本发明的示例性VAM系统中使用的示例性叠层
致动器结构的剖开透视图。
图3A和4A是示出可以用于驱动根据本发明的示例性VAM系统的压 电致动器的示例性驱动信号的曲线图。
图3B是示出由图3A的示例性驱动信号驱动的根据本发明的示例性 VAM系统中的切削刀具的尖端的运动的曲线图。
图4B是示出由图4A的示例性驱动信号驱动的根据本发明的示例性VAM系统中的切削刀具的尖端的运动的曲线图。
图5A是示出使用现有技术的VAM系统获得的示例性表面光洁度和进 给速率的侧向平面视图。
图5B和5C是示出使用根据本发明的示例性VAM系统获得的示例性 表面光洁度和进给速率的侧向平面视图。
图6A是示出可以在根据本发明的示例性VAM系统中使用的振动元件 的侧向平面视图。
图6B是示出图6A的振动元件的交叉中空弯曲部(cross-void flexure) 运行原理的侧向平面视图。
图7A是示出可以在根据本发明的示例性VAM系统中使用的另一种振 动元件的透视图。
图7B是示出图7A的振动元件的运行原理的曲线图。
图8是示出根据本发明的另一种示例性VAM系统的侧向平面视图。
具体实施例方式
一种当前的VAM系统设计使用以并排结构(类似于图2中PZT 200 和202的结构)布置的两个压电(PZT)叠层件/致动器。在本发明的以下 详细描述中，许多实例特别地示出包括以并排结构布置的两个PZT致动器 的振动元件。然而，本领域技术人员将理解，所述特定振动元件的使用仅 仅是示例性的而不是意在作出限制。可以设想的是，本领域已知的其他类 型的两个PZT致动器振动元件(例如在图6A、 6B、 7A、 7B和8中示出的 那些振动元件)可以使用在本发明的示例性实施方式中。
虽然以下描述的示例性VAM系统中使用的致动器被描述为PZT致动 器，但是这并不意在作出限制。还可以设想的是，例如为磁致伸縮致动器 的其他致动器可以用于代替本发明的示例性实施方式中的一个或多个PZT 致动器。
在使用带有并排结构的振动元件的VAM系统中，通过将正弦电压信号 应用到具有约1-4 kHz的频率并且彼此呈60-170°相异相位的两个PZT上， 振动元件被驱动；然而，通常使用在信号之间呈90。的相位差。两个致动 器的振荡在通过"T"联接件而接合时产生椭圆形切削刀具运动。所述运动
12将进入/过渡区域限制到椭圆的一半长度，并且还限制可用于实现所需的表 面光洁度的切削过程中的最大进给速率。由于椭圆的曲线形轮廓，进给速 率通过所述表面光洁度所需的最高点至最低点的值控制。应该注意的是， 所获得的的表面在高放大倍数下具有大致圆齿形的外观。所述圆齿形图案
的长度和高度比例与每个椭圆循环的上进给速率(upfeedmte)和椭圆形的 等效半径估计值大致相关。
本发明的示例性实施方式将第三短行程PZT致动器添加到并排PZT致 动器上。第三PZT致动器也可以用正弦电压信号驱动。参考预期的切削表 面，可以变化所述第三驱动信号的相位、频率和/或振幅，以使得切削刀具 的尖端的所获得的椭圆形运动改变为不同的形状。通过工件"所见"的刀 具运动将指示性能特征。这些改变的刀具轨迹形状中的一些可以允许更快 的进给速率，而其他刀具轨迹形状可以允许在单次走刀(pass)中实现更深 的切削。
图1示出本发明的一个示例性实施方式。所述示例性实施方式是VAM 系统，包括框架100;包括以并排结构安装的两个PZT致动器的振动元
件114;切削刀具保持架112;工件保持架106;和第三扰动PZT致动器。
扰动PZT致动器可以接合在框架100与振动元件114 (PZT致动器116)和 工件保持架106 (PZT致动器104)中的任一个之间或接合在框架100与所 述振动元件114和工件保持架106两者之间。图1还示出了安装在工件保 持架106上的工件108，以及可以包括在根据本发明的示例性VAM系统中 的其它元件，例如切削刀具110;运动平台102，以在工件108的机械加 工过程中工件108和/或切削刀具110相对彼此移动；振动控制电路118， 以提供用于振动元件114、扰动PZT致动器104和/或扰动PZT致动器116 的驱动信号。
框架100、运动平台102、工件保持架106、振动元件114、切削刀具 保持架112和切削刀具IIO可以全部都与现有技术的VAM系统、例如北卡 罗来纳州立大学研发的Ultramill系统的相应元件类似。切削刀具110可以 典型地包括金刚石尖端；然而，例如为硬质合金或蓝宝石的其他切削刀具 尖端也可以依据待机械加工的材料理想地使用。
运动平台102可以每一个都包括进给平台和/或步进平台以移动工件108和/或切削刀具110。这些进给和步进平台理想地提供沿正交方向的运 动，以便提供光栅扫描机械加工图案，所述正交方向大致平行于工件108 的表面(并且还大致正交于扰动PZT致动器的偏振轴)。注意到运动平台 102还可以包括一个Z平移平台以控制切削深度(在机械加工工件108表 面的过程中)和工件108与切削刀具110尖端之间的间距(当工件108表 面不被加工时)。其他运动平台包括转动和倾斜平台，所述转动和倾斜平台 平台也可以包括在运动平台102中，以允许获得附加的自由度和/或备选的 机械加工图案。
图2是示出振动元件114、切削刀具保持架112和扰动PZT致动器116 的示例性结构的放大的剖开透视图。所述图示出PZT致动器200和202的 并排结构，即这两个PZT致动器的偏振(位移)轴大致平行(图2页面中 的上下方向，图l页面中的左右方向)。这两个PZT致动器通过T联接件 (T形联接件)204接合在一起以形成振动元件，所述振动元件可以用作图 1的示例性VAM系统中的振动元件114。如以上所讨论的那样，用正弦信 号驱动PZT致动器200和202引起安装在切削刀具保持架112中的切削刀 具的尖端沿大致椭圆形刀具轨迹(如图5A所示)运动，所述椭圆形刀具轨 迹位于大致平行于VAM系统的进给方向的平面内。(所述平面通常大致垂 直于被机械加工的工件108的表面。)通过改变这些正弦信号的振幅和/或 它们的相位差，可以改变所述椭圆形刀具轨迹的方位和椭圆率，包括变为 正圆形；然而，只要PZT致动器200和202用正弦信号驱动，则刀具尖端 的刀具轨迹就仍然保持大致椭圆形。
图6A示出备选的振动元件114'。所述示例性振动元件使用正交安装的 PZT致动器600和602以使交叉中空弯曲部604变形。这些变形引起切削 刀具110沿曲线形轨迹行进，如图6B所示。通过用具有相同频率和不同相 位的正弦变化的信号驱动两个致动器600和602，所述曲线形轨迹变为封闭 椭圆形。如在图2的示例性振动元件中，通过改变这些正弦信号的振幅和/ 或它们的相位差，可以改变所述椭圆形刀具轨迹的方位和椭圆率，包括变 为正圆形；然而，只要PZT致动器200和202用正弦驱动信号驱动，则刀 具尖端的刀具轨迹就仍然保持大致椭圆形。
图7A示出另一个备选的振动元件114"。所述示例性振动元件使用正交安装的PZT致动器702以在二维振动梁700上建立振荡。二维振动梁700 在接合点704处刚性接合。因此，如图7B所示，带有对应于接合点704 的节点的横向驻波706可以由PZT致动器702驱动，所述PZT致动器702 在两个接合点704的中点与二维振动梁700接合。适于起到切削刀具保持 架112的作用的二维振动梁700的端部由这些驻波振动。这些振动可以使 得切削刀具110的尖端沿椭圆形刀具轨迹运动。所述椭圆形刀具轨迹的椭 圆率和方位可以通过改变横向驻波706的正交分量的相对振幅和相位而控 制。
如图l和2所示，将例如为扰动致动器116的第三PZT致动器添加到 这些示例性VAM系统的一个中允许刀具轨迹改变为更广泛类型的形状。理 想的是，扰动PZT致动器116的偏振(位移)轴对准图2页面中的上下方 向，即大致平行于PZT致动器200和202的偏振轴。图3B和4B示出了示 例性刀具轨迹，所述刀具轨迹可以用如图2中所示的三个致动器VAM系统 获得，其中全部三个PZT致动器都通过正弦电压信号驱动。第三PZT致动 器在工件位置的添加、致动工件使其进出刀具平面将具有相同的预期效果。
如上所示，当稳态控制时，使用如图2所示的PZT致动器200和202 的两个致动器VAM系统的椭圆形刀具运动将进入/过渡区域限制到椭圆的 一半长度。通过使用第三扰动PZT致动器116 (或PZT致动器104)，可以 产生备选的刀具轨迹以满足希望的要求。图3A示出示例性驱动信号300、 302和304的电压相对时间的图线，所述示例性驱动信号300、 302和304 可以通过振动控制电路118中的驱动电路提供以在使用图1和2的结构的 示例性VAM系统中分别驱动PZT致动器200、 202和116 (或104)。这三 个示例性驱动信号图线通过等式1定义。电压和时间都表示为任意单位。 K300 = 0,003sin(w/)
K302 = 0.003sin(。f—卯。) (1)
K304 = 0.00055sin(2— 在该实例中，驱动信号300和302在相同的基频下振荡，并具有相同 的行程振幅，但是这两个信号彼此呈90。相异相位。在该实施方式中，供 应到PZT致动器116 (或104)的第三驱动信号304具有更低的振幅和两倍 的频率。本领域技术人员将理解，理想的是，驱动信号304具有近似等于
15，所述基频用于驱动包括在振动元件114中的两个并 排PZT致动器200和202。这允许切削刀具110的尖端每个循环横向移动 近似相同的刀具轨迹。在该实施方式中，扰动驱动信号304的振幅典型地 小于用于驱动振动元件114的驱动信号300和302的振幅；然而，这些振 幅的比率可以受PZT致动器116 (或104)相比于PZT致动器200和202 的压电增益(mm/V)的差异以及完成指定的条件和目标所需的刀具轨迹效 果的影响。
图3B示出刀具轨迹306，当示例性系统由示例性驱动信号300、 302 和304驱动时，图1的示例性VAM系统中切削刀具110尖端可以沿所述刀 具轨迹306运动。没有驱动信号304，刀具轨迹将为大致椭圆形；然而，通 过添加驱动信号304，刀具轨迹306的顶侧(即，当切削刀具正在机械加工 表面时循环的实际部份)变平。这在切削刀具尖端处于所需的切削深度时 允许增加时间，并且可以改进加工表面的表面质量。当与相似的两个PZT 致动器VAM系统比较时，这还可以允许使用增加的进给速率，同时仍然提 供相同的最高点至最低点的高度。
此外，过渡区域被縮短，所述过渡区域为在刀具轨迹的所述部分运行 过程中切削刀具的尖端插入或拔出材料的部分。对于大致椭圆形的刀具轨 迹，过渡区域是椭圆长度的一半，在该实施方式中为 .01AU。然而，示例 性刀具轨迹306的过渡区域308仅为 .0065AU。因此，过渡区域在该实施 方式中减小~35%。过渡区域影响VAM系统在表面上机械加工近似竖直的 特征的能力。过渡区域越短，切口底部的边缘可能越尖锐。
图4A示出驱动信号400、 402和404的另一组示例性的电压相对时间 的图线，所述示例性驱动信号400、 402和404可以通过振动控制电路118 中的驱动电路提供以在使用图1和2的结构的示例性VAM系统中分别驱动 PZT致动器200、 202和116 (或104)。这三个示例性驱动信号图线通过等 式2定义。电压和时间都表示为任意单位。 ^400 = 0.003sinO0
P402 - 0.003sin(o^—卯。) (2) 「404 = 0.00014sin(4a;f+90° ) 在本实施方式中，驱动信号400和402与图3A中的驱动信号300和302类似。供应到PZT致动器116 (或104)的第三驱动信号404具有更低 的振幅和四倍的频率。
图4B示出刀具轨迹406，当示例性系统由示例性驱动信号400、 402 和404驱动时，图1的示例性VAM系统中切削刀具110的尖端可以沿刀具 轨迹406运动。如在图3B中的刀具轨迹306的情况下那样，刀具轨迹406 的顶侧在图4B中变平。示例性刀具轨迹406的过渡区域408为 .00775AU， 仅使用振动元件114的两个PZT致动器，在整个椭圆形刀具轨迹上产生了 ~22.5%的减小。
虽然图3A、 3B、 4A和4B的实施方式仅包括用于驱动振动元件114 的PZT致动器的基频的偶次谐波的扰动，但可以设想的是，也可以使用奇 次谐波。其他周期性驱动信号也可以用于驱动扰动PZT致动器104和减 116。此外，通过使用扰动PZT致动器104和扰动PZT致动器116,可以产 生更复杂的刀具轨迹。例如为MATLAB的计算机软件可以用于确定产生所 需刀具轨迹需要的振幅、频率和波形。
如以上所讨论的那样，当在"稳态"下运行时，刀具轨迹的过渡区域 影响VAM系统在表面上机械加工近似竖直的特征的能力。另外，在不牺牲 表面质量的情况下，过渡区域的长度和刀具轨迹的切削部分的"扁平度" 影响VAM系统每个循环的最大进给距离。
还注意到，振动控制电路118可以包括偏置电路以向扰动PZT致动器 104禾n/或116提供偏置信号，从而动态地控制切削刀具110和工件108之 间的距离(或在工件108被加工时控制由切削刀具110作出的切削深度)。 注意到，用于动态控制机械加工过程的扰动PZT致动器104和/或116可能 导致改变VAM系统的参数(改变温度、振动、力等)，并且可能对所获得 的的表面质量起不利的影响。然而，所述动态控制的益处可以超过可能产 生的不利影响，特别是在切削走刀的开始和末尾处。偏置信号可以被应用 作为扰动PZT致动器104和/或116的在切削走刀的开始和/或末尾的步骤 (step)以产生具有非常近似竖直边缘的特征。在切削走刀过程中，偏置信 号可以大致恒定，并且可以将周期性扰动信号应用到扰动PZT致动器104 和/或116上。备选地，可以在切削走刀过程中改变偏置信号以允许形成具 有纳米级高度的表面特征，或允许实现用于例如为透镜或透镜模型的非平面表面的VAM。
可以由根据本发明的示例性VAM系统利用的动态控制的另一个示例 性形式包括在机械加工过程中改变扰动信号的相位和/或振幅。所述动态控 制允许刀具轨迹根据位置变化，所述变化可以用于改变工件不同部位的表 面质量禾n/或减小示例性VAM系统的导入和导出区域。
图5A示出使用带有大致椭圆形刀具轨迹500的现有技术的VAM系统 进行机械加工的工件108的表面。在本实施方式中，大致椭圆形刀具轨迹 500已经按比例设定，以使得如果需要1 nm的最大表面振动502，则刀具 轨迹的一个循环过程中的最大进给距离504为0.7 pm。大致椭圆形刀具轨 迹500'示出随着切削刀具110从其原始位置移动至一个循环后的位置(虚 线的切削刀具110')时刀具轨迹转移了多远。本领域技术人员将理解的是， 由于所述进给运动，表面上机械加工的曲线图案将被轻微拉长；然而，图 5A-C所示的近似值示出了与不同刀具轨迹相关的差异。
图5B和5C示出了示例性刀具轨迹306和406如何影响进给速率和表 面质量。因为刀具轨迹306和406的切削部分(即当切削刀具110的尖端 在工件108 "内"时)大致"扁平"，所以最高点至最低点的效果会大大小 于椭圆形，这可以允许更快的进给速率。如图5B所示，假设同样需要1 nm 的最大表面振动502，刀具轨迹306的一个循环过程中的最大进给距离506 增加到7 [im。图5C示出使用示例性刀具轨迹406的效果。在刀具轨迹406 的一个循环过程中的最大进给距离508是4.5 pm。
因此，使用扰动PZT致动器104 (和/或116)改变刀具轨迹的形状可 以在不牺牲表面质量的情况下，理想地减小过渡区域，并且可以允许更快 的机械加工速度。
还注意到，压电材料在沿它们的偏振轴承受应力时产生电压。因此， 还设想的是，图1的示例性系统中的PZT致动器104或116中的一个可以 用作传感器以测定工件108附近的残余力。所述PZT致动器可以与振动控 制电路118中的传感器电路电接合，以从PZT致动器接收指示出切削刀具 IIO尖端和工件108之间的压力的信号。太大的力会损害工件，而太小的力 会指示工件加工不足或系统问题。因此，所述力的测量可以理想地用于优 化机械加工过程。图8示出根据本发明的另一个示例性VAM系统。该示例性实施方式使 用两个正交安装的PZT致动器，所述PZT致动器独立运行以生成大致椭圆 形的刀具轨迹。使用两个这样独立运行的PZT致动器的VAM系统在美国 专利申请No. 11/221,041，"用于利用两个独立轴的振动机械加工的方法和 装置"(转让给松下电器产业株式会社)中公开，在此通过引用将其合并到 本说明书中。
这两个独立运行并正交安装的PZT致动器对应图1的示例性VAM系 统的振动元件114。在本发明的示例性实施方式中，这些PZT致动器中的 每一个都通过驱动电路118产生的正弦信号理想地被驱动。这些信号理想 地具有相同的频率，但是具有不同的相位和可能不同的振幅。
PZT致动器可以被安装在一起作为振动元件800并被驱动以相对于切 削刀具110沿大致椭圆形的轨迹平移工件108，或者它们可以在振动元件 802中安装在一起并被驱动以沿大致椭圆形刀具轨迹平移切削刀具110。备 选地， 一个PZT致动器可以安装在振动元件800中以相对于切削刀具110 沿一个方向振荡工件108，而另一个PZT致动器可以安装在振动元件802 中以沿正交方向振荡切削刀具110。这些平移一起在工件108和切削刀具 110之间引起大致椭圆形的相对运动。
在本发明的示例性实施方式中，这两个PZT致动器理想地在"稳态" 下被驱动，以在整个机械加工过程中在工件108和切削刀具110之间产生 大致椭圆形的相对运动。然而，图8的示例性VAM系统还包括扰动PZT 致动器104和/或116。如以上参考图1的示例性VAM系统描述的那样，扰 动PZT致动器104和域116可以在"稳态"下运行，并导致工件108和切 削刀具IIO之间的改进的相对运动。此外，如以上参考图1的示例性实施 方式描述的那样，扰动PZT致动器104和域116可以用于提供VAM过程 的动态控制。
在另一个示例性实施方式中，可以设想的是，扰动PZT致动器104和 /或116可以包括多于一个的PZT元件。例如，PZT致动器116可以包括叠 层结构(即端对端)的两个PZT元件，允许PZT致动器116产生两个扰动 振动。这两个扰动振动的频率、相位和/或振幅可以通过来自振动控制电路 118的分离的驱动信号分离地控制。在另一个实施方式中，在图2的示例性
19实施方式中，PZT致动器116可以包括并排结构的两个PZT元件，其中PZT 致动器116中的每一个PZT元件与PZT致动器200和202中的一个接合。 PZT致动器116的两个PZT元件可以通过相同驱动信号驱动，所述结构可 以允许扰动PZT致动器产生增大的力。备选地，在根据本发明的示例性 VAM系统中，PZT致动器116的两个PZT元件可以通过分离的驱动信号驱 动，以提供改进的刀具轨迹控制。
本发明包括许多包括三个或更多的PZT致动器的示例性VAM系统。 虽然在此参考特定实施方式示出和描述了本发明，但是不意在使本发明被 限制于所示的细节。相反，在权利要求的等效范围和界限内且不脱离本发 明的情况下，可以在细节上作出各种修改。特别地，本领域技术人员可以 理解的是，本发明不局限于带有四个或更少PZT致动器的VAM系统，并 且各种特定示出的实施方式的许多其他特征可以混合以形成另外的示例性 VAM系统，本发明也包含所述VAM系统。
权利要求
1.一种振动辅助机械加工(VAM)系统，包括框架；与所述框架机械接合的振动元件，所述振动元件包括适于在所述VAM系统的振动平面内产生大致椭圆形刀具轨迹的第一致动器和第二致动器；与所述振动元件相连接的切削刀具保持架；与所述框架接合的工件保持架；以及在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第三致动器所述振动元件；或所述工件保持架；其中，所述第三致动器与所述框架接合，以使得所述第三致动器的位移轴大致位于所述振动平面内且大致垂直于所述VAM系统的进给方向。
2. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于-所述振动元件的所述第一致动器和所述第二致动器以并排结构安装； 所述振动元件还包括将所述第一致动器和所述第二致动器与所述切削刀具保持架接合的T联接件；以及所述第一致动器和所述第二致动器与所述框架接合，以使得所述第一 致动器和所述第二致动器的位移轴大致平行于所述第三致动器的位移轴。
3. 根据权利要求2的VAM系统，其特征在于所述第三致动器包括以并排结构布置的第一致动元件和第二致动元件；所述第三致动器的第一致动元件在所述框架和所述第一致动器之间接 合；以及所述第三致动器的第二致动元件在所述框架和所述第二致动器之间接合。
4. 根据权利要求l的VAM系统，其特征在于所述振动元件还包括将所述第一致动器和所述第二致动器与所述切削 刀具保持架接合的交叉中空弯曲部；所述振动元件的所述第一致动器和所述第二致动器以正交结构安装；以及所述第一致动器和所述第二致动器接合到所述框架上，以使得所述第一致动器的位移轴大致平行于所述第三致动器的位移轴；以及所述第二致动器的位移轴大致垂直于所述第三致动器的位移轴。
5. 根据权利要求l的VAM系统，其特征在于-所述振动元件还包括具有两个节点和不位于所述两个节点之间的端部段的二维横向振动梁，所述二维横向振动梁接合所述两个节点处的所述框架；以及 所述端部段处的所述切削刀具保持架；以及 所述振动元件的所述第一致动器和所述第二致动器在所述两个节点之 间的中点处以正交结构与所述二维横向振动梁接合以使得.*所述第一致动器的位移轴大致平行于所述第三致动器的位移轴；以及所述第二致动器的位移轴大致垂直于所述第三致动器的位移轴。
6. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包括与所述振动元件和所述第三致动器电接合的驱动电路，所述驱动电路 适于提供用于驱动所述第一致动器的第一驱动信号、用于驱动所述第二致 动器的第二驱动信号和用于驱动所述第三致动器的第三驱动信号；其中所述第一驱动信号具有基频和第一行程振幅； 所述第二驱动信号具有基频和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驱动信号与 所述第二驱动信号的相对相位被选择以使得安装在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振动平面内沿大致椭圆形的刀具轨迹相 对所述振动元件运动；以及所述第三驱动信号具有近似等于所述基频的N倍的扰动频率，和 小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中较小者的扰动振幅，其 中N为大于1的整数。
7. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包 括与所述第三致动器电接合的偏置电路，所述偏置电路适于提供偏置信号 以动态地控制所述振动元件和所述工件保持架之间的距离。
8. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包括在所述框架和所述振动元件之间接合以沿所述VAM系统的进给方向 平移振动元件的进给平台；以及在进给线端部处沿大致垂直于进给方向和大致正交于所述VAM系统 的振动平面的方向使所述切削刀具保持架相对于所述工件保持架步进的步 进平台，所述步进平台在所述框架与以下部件中的一个之间接合 所述振动元件；或 所述工件保持架。
9. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包括在所述框架和所述工件保持架之间接合以沿与所述VAM系统的进给 方向相反的方向平移工件保持架的进给平台；以及在进给线端部处沿大致垂直于进给方向和大致正交于所述VAM系统 的振动平面的方向使所述切削刀具保持架相对于所述工件保持架步进的步 进平台，所述步进平台在所述框架与以下部件中的一个之间接合 所述振动元件；或 所述工件保持架。
10. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包 括在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第四致动器所述振动元^牛；或 所述工件保持架。
11. 根据权利要求10的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括与所述振动元件、所述第三致动器和所述第四致动器电接合的驱动电 路，所述驱动电路适于提供用于驱动所述第一致动器的第一驱动信号、用 于驱动所述第二致动器的第二驱动信号、用于驱动所述第三致动器的第三驱动信号和用于驱动所述第四致动器的第四驱动信号； 射所述第一驱动信号具有基频和第一行程振幅； 所述第二驱动信号具有基频和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驱动信号与 所述第二驱动信号的相对相位被选择以使得安装在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振动平面内沿大致椭圆形的刀具轨迹相 对所述振动元件运动；所述第三驱动信号具有近似等于所述基频的N倍的第一扰动频 率，和小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中较小者的第一扰 动振幅，其中N为大于1的整数；以及所述第四驱动信号具有近似等于所述基频的M倍的第二扰动频 率，和小于或等于所述第一扰动振幅的第二扰动振幅，其中M为大于 N的整数。
12. 根据权利要求1的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还包 括与所述第三致动器电接合的传感器电路，所述传感器电路适于从所述第 三致动器接收指示安装在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端与安装 在所述工件保持架中的工件之间的力的信号。
13. 根据权利要求l的VAM系统，其特征在于 所述第一致动器为压电(PZT)致动器或磁致伸缩致动器； 所述第二致动器为PZT致动器或磁致伸縮致动器；以及 所述第三致动器为PZT致动器或磁致伸縮致动器。
14. 根据权利要求l的VAM系统，其特征在于，所述第三致动器包括 多个以叠层结构布置的致动元件。
15. —种振动辅助机械加工(VAM)系统，包括 框架；切削刀具保持架； 与所述框架接合的工件保持架；在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第一致动器 所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第二致动器所述切削刀具保持架；或所述工件保持架；以及 在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第三致动器所述第一致动器；所述第二致动器；所述切削刀具保持架；或所述工件保持架； 其中所述第一致动器和所述第二致动器适于以所述VAM系统的振动 平面内的大致椭圆形刀具轨迹驱动安装在所述切削刀具保持架中的切 削刀具；所述第一致动器和所述第三致动器与所述框架接合，以使得所述 第一致动器和所述第三致动器的位移轴大致位于所述振动平面内且大 致垂直于所述VAM系统的进给方向；以及所述第二致动器与框架接合，以使得所述第二致动器的位移轴位 于所述振动平面内且大致平行于所述VAM系统的进给方向。
16.根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括与所述第一致动器、所述第二致动器和所述第三致动器电接合的驱动 电路，所述驱动电路适于提供用于驱动所述第一致动器的第一驱动信号、 用于驱动所述第二致动器的第二驱动信号和用于驱动所述第三致动器的第 三驱动信号；其中-所述第一驱动信号具有基频和第一行程振幅；所述第二驱动信号具有基频和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驱动信号与 所述第二驱动信号的相对相位被选择以使得安装在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振动平面内沿大致椭圆形的刀具轨迹相对所述振动元件运动；以及所述第三驱动信号具有近似等于所述基频的N倍的扰动频率，和 小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中较小者的扰动振幅，其 中N为大于1的整数。
17. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括与所述第三致动器电接合的偏置电路，所述偏置电路适于提供偏置信 号以动态地控制所述振动元件和所述工件保持架之间的距离。
18. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括在所述框架和所述切削刀具保持架之间接合以沿所述VAM系统的进 给方向平移切削刀具保持架的进给平台；以及在进给线端部处沿大致垂直于进给方向和大致正交于所述VAM系统 的振动平面的方向使所述切削刀具保持架相对于所述工件保持架步进的步 进平台，所述步进平台在所述框架与以下部件中的一个之间接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
19. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括在所述框架和所述工件保持架之间接合以沿与所述VAM系统的进给 方向相反的方向平移工件保持架的进给平台；以及在进给线端部处沿大致垂直于进给方向和大致正交于所述VAM系统 的振动平面的方向使所述切削刀具保持架相对于所述工件保持架步进的步 进平台，所述步进平台在所述框架与以下部件中的一个之间接合-所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
20. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括在所述框架与以下部件中的一个之间接合的第四致动器所述第一致动器； 所述第二致动器； 所述第三致动器；所述切削刀具保持架；或 所述工件保持架。
21. 根据权利要求18的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括与所述第一致动器、所述第二致动器、所述第三致动器和所述第四致 动器电接合的驱动电路，所述驱动电路适于提供用于驱动所述第一致动器 的第一驱动信号、用于驱动所述第二致动器的第二驱动信号、用于驱动所 述第三致动器的第三驱动信号和用于驱动所述第四致动器的第四驱动信号 其中所述第一驱动信号具有基频和第一行程振幅； 所述第二驱动信号具有基频和第二行程振幅；所述第一行程振幅、所述第二行程振幅以及所述第一驱动信号与 所述第二驱动信号的相对相位被选择以使得安装在所述切削刀具保持 架中的切削刀具的尖端在所述振动平面内沿大致椭圆形的刀具轨迹相 对所述振动元件运动；所述第三驱动信号具有近似等于所述基频的N倍的第一扰动频 率，和小于所述第一行程振幅和所述第二行程振幅中较小者的第一扰 动振幅，其中N为大于1的整数；以及所述第四驱动信号具有近似等于所述基频的M倍的第二扰动频 率，和小于或等于所述第一扰动振幅的第二扰动振幅，其中M为大于 N的整数。
22. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述VAM系统还 包括与所述第三致动器电接合的传感器电路，所述传感器电路适于从所述 第三致动器接收指示安装在所述切削刀具保持架中的切削刀具的尖端与安 装在所述工件保持架中的工件之间的力的信号。
23. 根据权利要求15的VAM系统，其特征在于 所述第一致动器为压电(PZT)致动器或磁致伸縮致动器； 所述第二致动器为PZT致动器或磁致伸缩致动器；以及 所述第三致动器为PZT致动器或磁致伸縮致动器。
24.根据权利要求15的VAM系统，其特征在于，所述第三致动器包 括多个以叠层结构布置的致动元件。
全文摘要
一种振动辅助切削(VAM)系统，包括框架(100；图1)；与所述框架(100；图1)机械接合的振动元件(114；图1)；与所述振动元件(114；图1)相连接的切削刀具保持架(112；图1)；和与所述框架接合的工件保持架(106；图1)。所述振动元件(114；图1)包括适于在振动平面内产生大致椭圆形的刀具轨迹(图5A)的第一和第二致动器(200、202；图2)。所述VAM系统还包括第三致动器(104和/或116；图1)，所述第三致动器(104和/或116；图1)在所述框架(100；图1)与所述振动元件(114；图1)或所述工件保持架(106；图1)之间接合以使其位移轴大致位于振动平面内且大致垂直于所述VAM系统的进给方向。这允许刀具轨迹被改变为更广泛类型的形状(图5B)。
文档编号B23P25/00GK101641182SQ200880009699
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月27日 优先权日2007年3月27日
发明者J·埃兴顿, T·李 申请人:松下电器产业株式会社