专利名称：基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是机床误差补偿领域的装置，具体是一种基于稀土超磁致伸缩执行 器(GMA)的二维微进给刀架。
背景技术：
随着科技的发展，现代高新技术对加工精度的要求越来越高，各类精密和超精密 零件的加工对机床的精度提出了越来越苛刻的要求。为了提高加工精度，可以采取的措施 有(1)提高原进给系统的精度和刚度，减小滑动面之间的摩擦力；(2)采用双行程机构，即 采用传统的进给系统实现快速的初定位，用高刚度、高分辨率和高响应速度的辅助工件平 台实现微量进给。就目前国内机械制造水平以及机械加工的局限性来看，采用第一种措施 实现大行程高精度进给和定位还是比较困难的，因此，采用第二种措施，设计一种微进给刀 架，将其与现有精密机床通过简单机械机构相联接实现纳米级精度具有很高的可行性，效 益显著，应用前景十分广泛。
微动平台(或称微位移机构)是微进给刀架的核心构件，它是指行程小(一般小 于mm级)、灵敏度和精度高(亚ym级 nm级)的机构。传统的机械微位移机构主要有 螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构以及它们的组合机构，但因机构中存在机械间隙，摩擦 磨损以及爬行现象等，所以运动灵敏度和精度都很难达到更高精度。近来，随着新材料的不 断出现，人们开始应用电致伸缩及磁致伸缩材料来设计微位移执行器。
吉林大学周晓勤等研制的基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置， 其技术方案公布在专利号为201455680U的中国发明专利文件中。同时由赵宏伟开发的两 自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其技术方案公布在200710056317. 7的中国发明专利 文件中。但是，他们的共同特点是，刀架实现的是一个方向的直线位移以及一个方向的旋转 位移，而不能够实现双向的直线位移输出。发明内容
本发明针对机床现有进给系统精度不足的缺点，提供一种结构简单、响应速度快、 输出位移量大且精度高的基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架。
为了解决上述技术问题，本发明决定采用如下技术方案一种基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，包括用于产生横向位移输出的 第一微位移执行器、用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器及刀架，在刀架上连接有 二维微动平台，所述的二维微动平台包括内侧工作台、第二外框及第一外框，所述的第二外 框套设在内侧工作台的外部，并且，第二外框与内侧工作台之间设有第一连接装置且第一 连接装置的一端与内侧工作台连接，第一连接装置的另一端与第二外框连接，第一外框套 设在第二外框的外部，在第一外框与第二外框之间设有第二连接装置且第二连接装置的一 端与第二外框连接，第二连接装置的另一端与第一外框连接，所述的第一连接装置采用连 接器，第二连接装置也采用连接器，所述的连接器包括连杆在连杆的一端连接有第一柔性铰链，在连杆的另一端连接有第二柔性铰链，所述用于产生横向位移输出的第一微位移执 行器及所述的用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器分别与第一外框固定，在第一外 框上设有横向通孔，第一微位移执行器的输出轴穿过第一外框并与第二外框相抵，在第一 外框上还设有第一纵向通孔，在第二外框设有第二纵向通孔，第二微位移执行器的输出轴 穿过第一纵向通孔和第二纵向通孔并与内侧工作台相抵，所述第一微位移执行器的输出轴 与第二微位移执行器的输出轴垂直，所述刀架连接于二维微动平台的内侧工作台上。
本发明基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微动刀架具有以下优点1.本发明具有二维直线微位移输出能力，能够对二维的尺寸误差和形位误差进行补偿，也可进行二维振动切削，较以往的单向输出具有更广的应用范围。微位移执行器与 二维微动平台的连接采用滚珠球面与平面接触的方式，有效避免磁致伸缩棒、输出顶杆和 二维微动平台三者中心线不同心而引起的受力偏差问题。
2. 本二维微动平台采用镶嵌式两维共面柔性铰链结构，Y向平台完全镶嵌在 X向平台之内，使得两向平台完全位于同一平面内，平台中的柔性铰链式复合四杆机构采用 了与平台平行、回转的布局形式，从而克服了两向结构镶嵌后尺寸较大的问题，同时也保证 连杆具有一定的长度，使平台能够具有较大的行程。平台结构紧凑。
3.本微动平台采用基于半圆形柔性铰链的复合式四杆机构来实现X向和Y 向的微位移运动，解决了微动平台两向间位移耦合的难题。
4.二维微动平台上、下侧分别垫以平面滑动轴承片，并用压块压紧，从而既 能保证微动平台的自由移动，又能够让系统的刚度得到提升，避免因切削力而导致系统结 构变形，提高了系统的精度。
5. 本柔性式复合四杆机构可以通过线切割技术或其它精密加工方法在一块 基体材料上直接加工出圆弧和缝隙，在圆弧切口处形成弹性支点并与基体加工后剩余部分 形成整体式结构，使系统结构简化，易于保证较高精度。
6. 通过安装于二维微动平台上的两个LVDT型电感式位移传感器，微动平台 的输出位移被实时的检测出来并反馈到系统的控制端，系统运用基于Duhem模型的鲁棒控 制方法，实现对微位移输出的精确控制。
图1是本发明二维微动刀架的整体结构示意图。
图2是本发明中微位移执行器的结构简图。
图3是本发明中二维微动平台的结构主视图。
图4是本发明中二维微动平台左视图。
图5是本发明中二维微动平台部件的结构示意图。
具体实施方式
一种基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，包括用于产生横向位移输 出的第一微位移执行器、用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器及刀架，在刀架上连 接有二维微动平台，所述的二维微动平台包括内侧工作台、第二外框及第一外框，所述的第 二外框套设在内侧工作台的外部，并且，第二外框与内侧工作台之间设有第一连接装置且第一连接装置的一端与内侧工作台连接，第一连接装置的另一端与第二外框连接，第一外 框套设在第二外框的外部，在第一外框与第二外框之间设有第二连接装置且第二连接装置 的一端与第二外框连接，第二连接装置的另一端与第一外框连接，所述的第一连接装置采 用连接器，第二连接装置也采用连接器，所述的连接器包括连杆，在连杆的一端连接有第一 柔性铰链，在连杆的另一端连接有第二柔性铰链，所述用于产生横向位移输出的第一微位 移执行器及所述的用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器分别与第一外框固定，在第 一外框上设有横向通孔，第一微位移执行器的输出轴穿过第一外框并与第二外框相抵，在 第一外框上还设有第一纵向通孔，在第二外框设有第二纵向通孔，第二微位移执行器的输 出轴穿过第一纵向通孔和第二纵向通孔并与内侧工作台相抵，所述第一微位移执行器的输 出轴与第二微位移执行器的输出轴垂直，所述刀架连接于二维微动平台的内侧工作台上。 在本实施例中，在内侧工作台及第二外框的上、下表面上分别设有上滑动轴承片、下滑动轴承片，在上 滑动轴承片上设有上压块，在下滑动轴承片上设有下压块，在上滑动轴承片的两侧分别设 有第一调整上垫片和第二调整上垫片，在下滑动轴承片的两侧分别设有第一调整下垫片和 第二调整下垫片，所述的二维微动平台及上滑动轴承片、下滑动轴承片、第一调整上垫片、 第二调整上垫片、第一调整下垫片和第二调整下垫片由上压块及下压块加紧；第一微位移 执行器、第二微位移执行器及二维微动平台固定于底板上。
下面结合附图，对本发明做详细说明图1为本发明基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微动刀架的总体结构图，包括两个用 于产生位移输出的微位移执行器1，分别安装在二维微动平台结构2的两个相互垂直的方 向上，微位移执行器1和微位移执行器3输出微位移并推动二维微动平台结构2在相应方 向上产生相应的运动。微位移信号检测设备7和微位移信号检测设备6分别安装在二维微 动平台结构2上与微位移执行器1及微位移执行器2相对的位置上，用于检测二维微动平 台结构2在相应方向上的位移输出，为系统的控制提供反馈量。此外还有一个小刀架5安 装于二维微动平台21的中央位置。上述结构共同固定于一块底板4上。该刀架结构可以 通过底板4方便地安装于各种机床的溜扳箱上。
图2为本发明的微位移执行器1的结构简图。线圈绕组11缠绕在线圈骨架12上， 通电后产生磁场驱动稀土超磁致伸缩棒13。所述线圈骨架12的两个侧壁上应该包含两个 含有螺纹的通孔供冷却水流入流出用，其上安装有水管接头14两个，连接冷却水水管15。 线圈骨架12中间安装有套筒16 —个，它们之间形成一段空腔，供冷却水流通，两端的连接 处应使用0型圈密封，并辅以密封胶。所述稀土超磁致伸缩棒13 —根长60mm，直径IOmm ； 位于超磁致伸缩棒13两端的磁钢17两个直径10mm，厚5mm，它们均放置于套筒16中间的 空腔中。磁致伸缩棒13的变形通过其前部的顶杆18和安装于顶杆顶部凹槽中的滚珠19 传递到二维微动平台2上。顶杆18和外壳110之间应该安装有至少八片碟簧111，磁致伸 缩棒13后端的磁钢17与导磁片112相连，并通过安装在外壳110上的预紧螺钉113进行 压紧，提供磁致伸缩棒所需的预紧力。外壳110的前端还应至少安装一个磁靴114，以提高 结构的磁导率。外壳110的上部由上盖板115密封，前部由端盖116辅以0型圈117密封， 以防止切削液进入。
微位移输出结构由输出顶杆和安装在顶杆顶部的滚珠组成。顶杆末端与磁钢相连，顶部的滚珠直接顶紧在二维微动平台上，所述磁致伸缩棒产生的位移通过所述的位移 输出机构传递到微动平台上。所述的两块磁钢分别吸附于稀土超磁致伸缩棒的两端，提供 偏转磁场。它们安放于套筒中间的空腔中。
图3为本发明的二维微动平台结构2的结构主视图。该结构主要包括一个由柔性 铰链和四杆机构形成具有低耦合度的二维微动平台21，其X、Y向分别由通过柔性铰链连接 的复合四杆机构构成，另外柔性铰链与平台间的位置关系采用了平行、回转的结构形式，使 结构尺寸大为减小。二维微动平台21中间的内侧工作台211可以做二维微位移运动，并且 应包含四个安装孔，用于安装小刀架5。二维微动平台21的上下侧面分别垫有上滑动轴承 23和下滑动轴承27，并通过上压板M和下压板28压紧，他们之间的配合通过对四片调整 垫片的修整来调整，从而保证二维微动平台既能自由的做水平方向的移动，又能够让系统 的刚度得到提升，减小因为切削力而引起的弯曲变形。
权利要求
1.一种基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，包括用于产生横向位移输出 的第一微位移执行器(1)、用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器(3)及刀架(5)，其 特征在于，在刀架(5)上连接有二维微动平台(21)，所述的二维微动平台(21)包括内侧工 作台(211)、第二外框(212)及第一外框(213)，所述的第二外框(212)套设在内侧工作台(211)的外部，并且，第二外框(212)与内侧工作台(211)之间设有第一连接装置且第一连 接装置的一端与内侧工作台(211)连接，第一连接装置的另一端与第二外框(212)连接，第 一外框(213)套设在第二外框(212)的外部，在第一外框(213)与第二外框(212)之间设有 第二连接装置且第二连接装置的一端与第二外框(212)连接，第二连接装置的另一端与第 一外框(213)连接，所述的第一连接装置采用连接器，第二连接装置也采用连接器，所述的 连接器包括连杆(215)，在连杆(215)的一端连接有第一柔性铰链(214)，在连杆(215)的另 一端连接有第二柔性铰链(216)，所述用于产生横向位移输出的第一微位移执行器(1)及 所述的用于产生纵向位移输出的第二微位移执行器(3)分别与第一外框(213)固定，在第 一外框(213)上设有横向通孔(217)，第一微位移执行器(1)的输出轴穿过第一外框(213) 并与第二外框(212)相抵，在第一外框(213)上还设有第一纵向通孔(218)，在第二外框(212)设有第二纵向通孔(219)，第二微位移执行器(3)的输出轴穿过第一纵向通孔(218) 和第二纵向通孔(219)并与内侧工作台(211)相抵，所述第一微位移执行器(1)的输出轴与 第二微位移执行器(3)的输出轴垂直，所述刀架(5)连接于二维微动平台(21)的内侧工作 台(211)上。
2.根据权利要求1所述的基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，其特征在 于，在内侧工作台(211)及第二外框(212)的上、下表面上分别设有上滑动轴承片(23)、下 滑动轴承片(27)，在上滑动轴承片(23)上设有上压块(24)，在下滑动轴承片(27)上设有 下压块(28)，在上滑动轴承片(23)的两侧分别设有第一调整上垫片(22)和第二调整上 垫片(25)，在下滑动轴承片(27)的两侧分别设有第一调整下垫片(26)和第二调整下垫片 (29)，所述的二维微动平台(21)及上滑动轴承片(23)、下滑动轴承片(27)、第一调整上垫 片(22)、第二调整上垫片(25)、第一调整下垫片(26)和第二调整下垫片(29)由上压块(24) 及下压块(28)夹紧。
3.根据权利要求1所述的基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，其特征在 于，第一微位移执行器(1)、第二微位移执行器(3)及二维微动平台机构(2)固定于底板(2) 上。
全文摘要
本发明公开了一种基于稀土超磁致伸缩执行器的二维微进给刀架，包括用于产生位移输出的第一、第二微位移执行器微位移执行器及刀架，在刀架上连接有二维微动平台。所述的二维微动平台包括内侧工作台、第一外框及第二外框，在第一外框与第二外框之间设有连接装置。所述的连接装置采用连接器，所述的连接器包括连杆，在连杆的两端连接有柔性铰链。所述用于产生横向位移输出的第一微位移执行器及第二微位移执行器分别与第一外框固定，第一微位移执行器的输出轴穿过第一外框并与第二外框相抵，所述第一微位移执行器的输出轴与第二微位移执行器的输出轴垂直，所述刀架连接于二维微动平台的内侧工作台上。
文档编号B23Q1/44GK102029408SQ201010521610
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者刘术林, 王兴松 申请人:东南大学