专利名称：一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超精密切削加工装置，特别涉及一种用于微纳米级切削加工的刀 具伺服补偿驱动装置，属于机械精密切削加工技术领域。
背景技术：
近年来，随着超精密切削加工、精密光学、半导体学、数据存储、微电子技术、生物 医学等学科的迅猛发展，人们对微纳米级精度的超精密加工技术及装备有着越来越高的要 求。目前，用于切削加工的普通车床溜板或数控车床刀架一般采用电机带动滚珠丝杠或者 手动细牙螺纹来实现刀具的定位和驱动。上述刀具驱动装置的缺陷是由于受限自身结构 和制造精度以及传动方式，存在结构尺寸过大、定位精度和重复定位精度低、传动不平稳等 缺点，不能很好的实现微纳米级切削加工的需要，这严重制约了机械零部件和回转对称非 球面光学曲面等的加工精度和表面质量，严重阻碍了制造业发展水平。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种定位精度和重复定位精度高、响 应速度快、稳定性好的用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置。该装置可实现精 密直线定位及运动输出功能，配合机床回转刀架也可实现如运动轨迹为正弦曲线、梯形、三 角形或结构阵列等直线、曲线运动。该装置采用压电叠堆作为驱动元件实现刀架的精密驱 动，采用电容接触式位移传感器作为信号检测元件实现刀具位移信号的实时采集。本发明的工作原理是当刀具切削工作时，电容接触式位移传感器6通过与挡块9 接触来实时采集刀具的位移信号，位移信号通过控制系统处理输出电压信号来驱动压电叠 堆3输出准确的位移量，以此来控制刀具在切削深度方向上的精度，可使刀具10的位移分 辨率远小于金属切削机床的最小理论切削深度，实现微纳米级精密切削加工。本发明通过下述技术方案予以实现，结合
如下一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，主要由基座、刀架、刀具、 驱动元件和信号检测元件组成，所述的驱动元件为压电叠堆3，信号检测元件为精密电容接 触式位移传感器6，压电叠堆3过盈配合安装在基座1上开有的矩形槽内，并通过预紧机构 预紧，基座1上固定有传感器固定基座7，精密电容接触式位移传感器6间隙配合安装在传 感器固定基座7内，并通过传感器紧固螺钉8固定，其前端接触探头始终与刀架2端部的挡 块9接触，基座1尾端为连接装置11，刀架2通过第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、 14与基座1连接，刀具10通过刀具紧固螺钉15安装在刀架2的刀槽中。所述的传感器固定基座7通过粘接的方式与基座1固连或与基座1为同一整体， 所述的连接装置11、第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14、挡块9和刀架2与基座 1均为同一整体。所述的预紧结构采用自锁式预紧楔形块4，其预紧力由预紧螺钉5提供，对压电叠 堆3进行正向预紧和反向自锁。
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与基座1为同一整体的第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14、挡块9、刀 架2和传感器固定基座7通过电火花线切割方式进行加工；第一、二、三平行板型薄壁柔性 铰链12、13、14在压电叠堆3的驱动力作用下，发生微小弯曲变形输出精密直线位移至刀片 10，当压电叠堆3的驱动力撤销时，回到初始位置。所说的精密驱动单元压电叠堆3为可控型精密致动元件，通过对压电叠堆3施加 电压时，可实现刀架2沿χ方向的精密可控直线运动。利用压电叠堆3的精密驱动作用，可 使刀片10的运动位移分辨率远小于金属切削机床能达到的最小切削深度，从而实现微纳 米级的表面车削，利用压电叠堆3的快速响应作用和基本线性的电压-输出位移关系，可实 现切削深度的精密控制。本发明的有益效果是(1)通过精密电容接触式位移传感器拾取刀具实际位移以 及压电叠堆直线位移的精确输出，可对被加工表面进行远远小于切削机床能达到的理论切 削深度的微量切削并对切削加工过程进行实时误差补偿，从而能实现较大程度的降低工件 表面粗糙度，提高刀具系统的定位精度。(2)配合切削机床的回转刀架，也可以实现刀具的 简谐、间歇、连续等形式的运动规律，完成精密机械部件、回转对称非球面等复杂曲面以及 正弦、矩形、三角形或结构阵列等形状的工件表面的超精密加工和刀具补偿。(3)结构简单、 动态性能良好、成本低。
图1是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的俯视图；图2是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的立体图；图3是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的主视图；图4是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置结构示意图；图5是平行板型薄壁柔性铰链结构原理状态图，其中a)是变形前的状态，b)是变 形后的状态。图中1.基座2.刀架3.压电叠堆4.自锁式预紧楔形块5.压电叠堆紧固 螺钉6.精密电容接触式位移传感器7.传感器固定基座8.传感器紧固螺钉9.挡块 10.刀具11.连接装置12.第一平行板型薄壁柔性铰链13.第二平行板型薄壁柔性铰 链14.第三平行板型薄壁柔性铰链15.刀片紧固螺钉
具体实施例方式下面结合附图实例对本发明内容作进一步的描述。参阅图1-4，该装置包括通过第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14与基座 1连接的刀架2，刀架2上端为挡块9，挡块9和刀架2为同一整体；刀具10通过刀具紧固 螺钉15安装在刀架2底部的刀槽中；基座1上部开有矩形槽，在矩形槽中过盈安装压电叠 堆3作为该装置的驱动元件，压电叠堆3通过自锁式预紧楔形块4和压电叠堆紧固螺钉5 进行预紧，压电叠堆3与基座1和自锁式预紧楔形块4均过盈配合；基座1上表面粘接有传 感器固定基座7，在传感器固定基座7内间隙安装有精密电容接触式位移传感器6，精密电 容接触式位移传感器6作为该装置的信号检测元件，精密电容接触式位移传感器6通过传 感器紧固螺钉8固定，其前端接触探头始终与挡块9接触；基座1后端为连接装置11，用于该装置与机床工作台或转塔刀架的固定。图5是平行板型薄壁柔性铰链结构原理状态图，第一、二、三平行板型薄壁柔性铰 链12、13、14在压电叠堆3的驱动力作用下，可以发生微小的弯曲变形，从而输出精密直线 位移，图5中的δ =F/K，K为柔性铰链的弯曲刚度，δ为柔性铰链微变形，F为加在柔性 铰链自由端的外力。基座1与刀架2通过第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14连成一体，无需 装配环节和传动环节，受压电叠堆3驱动作用的刀架2和受精密电容接触式位移传感器6 顶压作用的挡块9与基座1发生相对运动时均不产生摩擦和磨损等现象，亦无传动链误差 和刚度影响，可大大提高装置的定位精度、增加系统运行的稳定性和使用寿命。刀架2在压电叠堆3的驱动力力作用下，可实现沿χ方向精密直线运动，并通过精 密电容接触式位移传感器6实时采集刀具10位移信息，配合压电叠堆3可控位移输出可实 现刀具的精密定位。刀具10和刀具紧固螺钉15为配套式可更换元件，可根据实际切削条 件下要求更换不同角度和材料的刀具或不同类型成型刀具。具体工作过程如下该装置通过基座1后端的连接装置11固定于机床工作台或回转刀架上，初始状态 时，压电叠堆3不通电，通过压电叠堆紧固螺钉5对压电叠堆3进行沿y方向进行正向预紧 和反向自锁；精密电容接触式传感器6的前端弹性探头与挡块9接触；当压电叠堆3通电 伸长时，第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14在压电叠堆3作用下发生弹性变形而 推动刀架2沿χ方向作精密直线运动，使压电叠堆3输出的位移作用在刀具10上；当压电 叠堆3断电回缩时，第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14在其自身反向回复力作用 下带动刀架2回到初始位置。在压电叠堆3的通电输出位移过程中，精密接触式电容传感 器6实时采集挡块9的位移信号，所采集的位移信号与目标位置通过控制系统进行误差运 算，并对误差值进行转换、运算和放大，最终控制系统输出电压控制信号来驱动压电叠堆3 输出准确的位移量，利用压电叠堆3的精密驱动作用，可使刀具10的运动位移分辨率远高 于切削机床进给系统的运动分辨率，从而实现微纳米级的表面车削，利用压电叠堆3的位 移驱动的快速响应作用和基本线性的电压-输出位移关系，可实现切深的精密伺服控制。当给定的输入信号为正弦波信号时，驱动压电叠堆3的电压信号波形为正弦波， 相应地刀具10沿χ方向的运动轨迹为简谐运动规律的往复直线；当给定的输入信号为矩形 波信号时，驱动压电叠堆3的电压信号波形为矩形波，相应地刀具10沿χ方向的运动轨迹 为间歇运动规律的往复直线；当给定的输入信号为三角波信号时，驱动压电叠堆3的电压 信号波形为三角波，相应地刀具10沿χ方向的运动轨迹为连续运动规律的往复直线；当给 定的输入信号为点阵、线阵和面阵信号时，亦可实现零部件端面微纳结构阵列的切削加工。 对精密驱动单元压电叠堆3的输入电压波形的控制，配合机床砖塔刀架，刀具10也可实现 如运动轨迹为正弦曲线、梯形或三角形等直线、曲线运动。
权利要求
1.一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，主要由基座、刀架、刀具、驱 动元件和信号检测元件组成，其特征在于，所述的驱动元件为压电叠堆(3)，信号检测元件 为精密电容接触式位移传感器(6)，压电叠堆C3)过盈配合安装在基座(1)上开有的矩形 槽内，并通过预紧机构预紧，基座(1)上固定有传感器固定基座(7)，精密电容接触式位移 传感器(6)间隙配合安装在传感器固定基座(7)内，并通过传感器紧固螺钉(8)固定，其前 端接触探头始终与刀架( 端部的挡块(9)接触，基座(1)尾端为连接装置(11)，刀架(2) 通过第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链(12、13、14)与基座(1)连接，刀具(10)通过刀具 紧固螺钉(15)安装在刀架O)的刀槽中。
2.根据权利要求1所述的一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，其特 征在于，所述的传感器固定基座(7)通过粘接的方式与基座(1)固连或与基座(1)为同一 整体，所述的连接装置(11)、第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链(12、13、14)、挡块(9)和刀 架⑵与基座⑴均为同一整体。
3.根据权利要求1所述的一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，其特 征在于，所述的预紧结构采用自锁式预紧楔形块G)，其预紧力由预紧螺钉( 提供，对压 电叠堆(3)进行正向预紧和反向自锁。
4.根据权利要求1所述的一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，其 特征在于，与基座(1)为同一整体的第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链(12、13、14)、挡块 (9)、刀架( 和传感器固定基座(7)通过电火花线切割方式进行加工；第一、二、三平行板 型薄壁柔性铰链(12、13、14)在压电叠堆C3)的驱动力作用下，发生微小弯曲变形输出精密 直线位移至刀片(10)，当压电叠堆(3)的驱动力撤销时，回到初始位置。
5.根据权利要求1所述的一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，其特 征在于，所说的精密驱动单元压电叠堆C3)为可控型精密致动元件，通过对压电叠堆(3)施 加电压时，可实现刀架(2)沿χ方向的精密可控直线运动。
全文摘要
本发明公开了一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，旨在提供一种定位精度和重复定位精度高、响应速度快、稳定性好的用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置。它包括开有矩形槽的基座，在矩形槽中过盈安装压电叠堆作为驱动元件，基座上表面粘接有传感器固定基座，在传感器固定基座内间隙安装有精密电容接触式位移传感器，基座后端为连接装置，连接装置与基座为同一整体，刀架通过三组平行板型薄壁柔性铰链与基座连接，刀架上端为挡块，挡块和刀架为同一整体，刀具通过刀具紧固螺钉安装在刀架底部的刀槽中。本发明可实现切削刀具的精密定位及驱动，能够满足微纳米级切削加工对刀具驱动装置的要求。
文档编号B23Q5/34GK102139459SQ20111008231
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者张振鹏, 杨洁, 王小月, 王汉伟, 王赫, 胡磊磊, 赵宏伟, 马志超, 黄虎 申请人:赵宏伟