一种三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台的制作方法

本发明属于微纳与超精密制造以及多轴运动平台精密控制领域，特别是涉及一种三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台。
背景技术：
：近年来，精密超精密加工技术逐渐成为机械制造业中重要的组成部分，其发展水平更是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。精密超精密加工具有广泛的应用前景，其超精密加工技术不仅仅适用于各种微小零部件及模具的切削加工、微腔模具的铣削加工、电子元器件的加工(例如硅晶片的加工)等国民经济建设领域，对于国防、航空航天工业中加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等也具有非常重要的意义。随着驱动方式以及柔性装置的快速发展，精密超精密加工中高精度、高分辨率的精密微进给系统成为近几年尖端工业和科学研究领域中炙手可热的方向之一。另一方面随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，非光学表面的需求日益增大，使得精密微进给系统得到了迅猛的发展。精密微进给系统不仅广泛应用于各种精密测量仪器，而且能够充当控制系统中的作动器。通过在精密超精密机床上安装微进给系统，包括微进给刀架结构、微进给工件台等，能够明显提高精密超精密加工精度，对于超精密机床加工精度的提高具有十分重要的意义。近几年国内外大量专家学者对机床精密微进给系统进行了研究，使得精密微进给技术水平有了很大的提高。微进给的实现方式有很多，但最近今年应用最为广泛的是机电式，其中又以压电/电致伸缩式为主。所谓压电/电致伸缩式，就是采用压电陶瓷的逆压电效应(或电致伸缩效应)，用电场控制压电陶瓷产生微位移，这种方式结构简单、控制方便、取用电流小、无传动部分，具有刚度高、频响性好等优点，从而得到了广泛的应用。另外，柔性铰链由于其体积小、灵敏度高、无机械摩擦且无间隙运动已成为提高精密、超精密加工进给精度的一个重要方面，开创了微进给系统进入纳米级的新时代。针对压电驱动式的机床微进给系统，国内外学者进行了大量的研究。美国3L试验室(LaurenceLivermoreNationLaboratory)早在1975年就成功地将该技术应用在超精密金刚石车床横向进给机构中；为提高超精密车床的进给分辨率和精度，1985年美国3L试验室S.R.Patterson与他人合作研制成功了快速伺服刀架；1990年日本人Y.Okazaki研究了一种新型的微进给刀架,他研究的微进给刀架结构新颖，性能良好；1991年ThomasA.Dowrj提出了一种快速刀架，用于加工无旋转对称中心表面，该刀架具有较高频响速度，刀架运动部件的质量和刀架刚度是影响频响速度的主要因素。我国80年代也开始了利用压电陶瓷驱动微进给技术的研究，1987年南京工学院研制成功一种车削用微进给刀架,利用了机械结构将压电陶瓷驱动器的伸长量放大,缺点是放大伸长量的同时会降低刀架刚度以及稳定性；1988年,大连理工大学研制成功了用于精密车床轴回转误差动态补偿的微进给刀架；另外在专利方面，专利CN102078967A提出一种混频三维椭圆振动切削方法，利用压电叠堆驱动金刚石刀尖在三维空间产生椭圆运动轨迹，从而对工件进行切削；专利CN102059575A提出的三维椭圆切削装置，其三维椭圆运动轨迹只能在刀具的一侧，参数调整范围有限，对于可匹配加工的机床要求较高，此装置不具有普遍性。由此看出，精密超精密机床中采用压电叠堆驱动微进给刀架的研究与发明较为普遍，相应的微进给装置以及运动控制也较为成熟。但是对于精密超精密机床工件微进给运动平台的研究较少，目前可查的机床工件微进给运动平台中，专利ZL201520919504.3提出一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台，使工件在压电叠堆的驱动下产生三维椭圆运动轨迹。基于以上分析，研究并提出一种新的三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台，使其满足结构更为紧凑，铰链数量更少的条件下，能够明显提高微位移运动平台的精度，这对于实现微纳与超精密制造以及多轴运动平台精密控制具有重要意义。技术实现要素：本发明提供一种三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台，在超精密加工机床的基础上，给定待加工工件三维椭圆轨迹进行切削，实现高精度和高分辨率的超精密切削加工。本发明采取的技术方案是：右侧板，左侧板分别与底座固定连接，上板通过侧板联接孔与右侧板，左侧板顶部固定连接，所述上板上有四个中心对称分布的柔性铰链，工件基座四周与四个柔性铰链连接，X轴压电叠堆后端与上板X轴压电叠堆固定孔连接、前端与柔性铰链相接触，X轴微位移传感器与上板X轴微位移传感器固定孔连接、且位于X轴压电叠堆对侧，Y轴压电叠堆后端与上Y轴压电叠堆固定孔板连接、前端与柔性铰链相接触，Y轴微位移传感器与上板Y轴微位移传感器固定孔连接、且位于Y轴压电叠堆对侧，Z轴压电叠堆顶端与工件基座底部接触、底部通过微调装置与底座连接。本发明所述微调装置由四个对称分布的L型块、锲形块和微调螺母组成，锲形块与Z轴压电叠堆底部斜面连接，微调螺母与L型块螺纹连接、且前端与锲形块顶接。所述X轴压电叠堆、Y轴压电叠堆和Z轴压电叠堆的驱动信号如下：经过运动与工件基座参数的空间坐标转换，工件的运动坐标生成公式如下：xct=h(y2-y1)/l1yct=h(y3-y4)/l2zct=(y1+y2)/2+h2-xct2+yct2-h---(2)]]>其中，xct,yct,zct是工件基座的笛卡尔坐标；A1,A2,A3分别是三个压电叠堆的振动幅值；分别是三个压电叠堆的初始相位，使得各个初始相位之间的相位差不为0；ω是振动频率；t为时间变量；h是工件中心距XY轴压电叠堆平面的垂直距离；l1,l2分别是工件基座的两个对角线长度。本发明采用三个相互垂直的压电叠堆分别从X，Y和Z方向进行驱动，驱动过程相互独立，位移传递方式为柔性铰链传动，四个柔性铰链中心对称分布，易于控制微位移运动平台在三维空间中的椭圆轨迹。本发明的优点是：(1)结构新颖、刚度高、平稳性好，各部件之间通过紧固螺钉联接，装置整体具有较好的刚度从而保证加工过程中的稳定性；(2)微位移运动平台中柔性铰链部分采用线切割及铣削加工，采用柔性铰链一体式设计，可以减少装配误差，整体结构简单易于制造，明显减少柔性铰链之间的串扰现象，能够提高加工过程中工件运动的准确性，同时四个柔性铰链中心对称分布，易于控制微位移运动平台的运动精度；(3)本发明增加了调节Z轴高度的的微调装置，该装置结构紧凑，微调过程简单，可调范围小，但调节精度高，能够实现压电叠堆在Z轴方向上0-1cm范围内的精准微调；(4)本发明三个压电叠堆互相垂直，分别在三个方向独立驱动，三维椭圆轨迹由压电叠堆驱动信号的参数来调整，相互之间不存在耦合，空间三维椭圆的位置也不受压电配置方式的限制，能够任意调整；(5)本发明增加X轴和Y轴方向的位移传感器，用于将瞬态位移反馈给控制器，与本发明装置一起构成闭环控制，能够实现三维椭圆微位移运动平台的跟踪控制。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是本发明底座的轴测图；图3是本发明上板的轴测图；图4是本发明微调装置的结构示意图；图5是本发明工件基座位置简化图；图6是本发明参数变化形成的不同三维椭圆运动轨迹；图7是本发明系统控制框图；图中：底座1，L型块联接孔101，底座联接孔102，右侧板2，左侧板3，上板4，工件基座401，柔性铰链402，X轴压电叠堆固定孔403a，Y轴压电叠堆固定孔403b，侧板联接孔404，X轴微位移传感器固定孔405a，Y轴微位移传感器固定孔405b，工件固定孔406，X轴压电叠堆501，Y轴压电叠堆502，Z轴压电叠堆503，X轴微位移传感器601，Y轴微位移传感器602，微调装置7，L型块701,锲形块702，微调螺母703。具体实施方式右侧板2，左侧板3分别与底座1固定连接，上板4通过侧板联接孔404与右侧板2，左侧板3顶部固定连接，所述上板4上有四个中心对称分布的柔性铰链402，工件基座401四周与四个柔性铰链连接，X轴压电叠堆501后端与上板X轴压电叠堆固定孔403a连接、前端与柔性铰链相接触，X轴微位移传感器601与上板X轴微位移传感器固定孔405a连接、且位于X轴压电叠堆对侧，Y轴压电叠堆502后端与上Y轴压电叠堆固定孔403b板连接、前端与柔性铰链相接触，Y轴微位移传感器602与上板Y轴微位移传感器固定孔405b连接、且位于Y轴压电叠堆对侧，Z轴压电叠堆503顶端与工件基座401底部接触、底部通过微调装置7与底座1连接；所述微调装置7由四个对称分布的L型块701、锲形块702和微调螺母703组成，锲形块702与Z轴压电叠堆503底部斜面连接，微调螺母703与L型块701螺纹连接、且前端与锲形块702顶接。本发明通过底座1安装在机床上，工件通过工件固定孔406用紧固螺钉固定在工件基座上，同时调整机床刀具与工件之间的位置，给定三个互相垂直的压电叠堆驱动信号，驱动工件产生高频三维椭圆运动轨迹，三个压电叠堆的驱动信号如下：经过运动与工件基座参数的空间坐标转换，如图5所示，工件的运动坐标生成公式如下：xct=h(y2-y1)/l1yct=h(y3-y4)/l2zct=(y1+y2)/2+h2-xct2+yct2-h---(2)]]>其中，xct,yct,zct是工件基座的笛卡尔坐标；A1,A2,A3分别是三个压电叠堆的振动幅值；分别是三个压电叠堆的相位；ω是振动频率；t为时间变量；h是工件中心距XY轴压电叠堆平面的垂直距离；l1,l2分别是工件基座的两个对角线长度。根据(1)(2)两式，主动调整三个压电叠堆驱动信号的初始相位使得各个初始相位之间的相位差不为0，则三维微进给运动平台就会带动位于其上的工件产生不同的三维椭圆运动轨迹，如图6。图7为三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台系统控制图，其中主要包括PMAC多轴运动控制卡、电容式位移传感器、压电叠堆驱动以及功率放大器等；根据图1-7，应用本发明的工作过程如下：(1)将本发明装置固定在超精密机床，同时将待加工工件安装在工件基座401上，调整机床刀具与工件之间的位置，通过紧固螺钉使待加工工件固定；(2)通过底板1上的微调螺母703调节待加工工件Z轴位置，使Z轴压电叠堆与工件基座相接触；(3)给三个压电叠堆施加控制信号，在三维空间中工件基座产生高频椭圆运动轨迹，生成待加工工件三维椭圆运动轨迹；(4)通过高精度电容式位移传感器，检测柔性铰链402的瞬态位移，并将检测到的瞬态位移反馈给PMAC多轴控制器进行修正，同时控制器将修正后的位移信号经过功率放大器再传递给三个压电叠堆，使微运动平台上的待加工工件以修正后的三维椭圆运动轨迹进行运动，直到运动轨迹稳定在设定的精度范围内。当前第1页1 2 3