具有位移和力测量功能的二维解耦型超声振动抛光装置的制作方法

本实用新型属于超精密车削加工技术领域，尤其涉及一种二维解耦型超声振动抛光装置。

背景技术：

光滑或超光滑表面元器件在航天航空、国防、生物医学、科学仪器、能源等重要的工程领域有着日益增长的应用需求。为了获得所需的光滑表面或超光滑表面元器件，迄今为止国际学术界和工业界进行了大量的研究，提出了一些非常有价值的利用外部能量场作用的非传统抛光加工方法，例如，磁场辅助抛光，超声振动辅助抛光，流场辅助抛光，电场辅助抛光等。

在所提出的这些利用外部能量场作用的非传统抛光方法中，超声振动辅助抛光方法驱动抛光工具以超声频率作闭合运动，可获得更大的抛光去除效率，特别是在微小几何特征元器件表面抛光中具有极大的应用潜力。但是，在现有的超声振动抛光方法中，还存在如下一些缺陷制约了其性能。其一，现有的超声振动切削装置多说为单轴振动磨削，磨削效果及效率都比较低；其二，目前的两轴超声振动辅助抛光装置振动体的振动模态受限于结构，难以得到期望比值的的纵向振动频率与弯曲振动频率，这使得合成的运动轨迹无法达到预期的运动轨迹要求；其三，在所要求的振动幅值较大的情况下，容易激起沿轴向和横向两个方向的多个高阶振动模态，这两个方向的高阶振动模态之间不可避免地存在藕合；其四，现有的超声振动装置在实验时，磨削力的测量也存在着可靠性及精准性不高的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种具有位移和力测量功能的二维解耦型超声振动抛光装置，以解决目前存在的磨削效果及效率都比较低，无法达到预期的运动轨迹要求，存在藕合，磨削力的测量可靠性及精准性不高的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括柔性铰链模块、驱动模块、位移检测模块、力检测模块、支撑模块，其中柔性铰链模块的基体与支撑模块的顶部固定连接，驱动模块包括x压电片叠堆和y压电片叠堆，x压电片叠堆位于柔性铰链模块的x导向单元与基体之间，y压电片叠堆位于柔性铰链模块的y导向单元与基体之间，位移检测模块与支撑模块固定连接、位移检测模块的x光栅尺、y光栅尺分别紧贴于x导向单元、y导向单元的正下方，力检测模块与支撑模块上方固定连接。

所述柔性铰链模块包括基体，x导向单元，y导向单元，x导向铰链、y导向铰链，解耦铰链，研磨位块，其中x导向单元通过x导向铰链与基体连接，y导向单元通过y导向铰链与基体连接，x导向铰链与y导向铰链相互垂直，解耦铰链一端分别与x导向单元和y导向单元连接、另一端与研磨位块连接；

所述位移检测模块包括x光栅尺、y光栅尺，x读数头、y读数头、x支架与y支架，其中x读数头、y读数头分别与x支架与y支架固定连接，x读数头、y读数头分别位于x光栅尺、y光栅尺的正下方。

所述力检测模块包括力传感器支撑板，力传感器，直线轴承，直线光轴，轴承支座支撑板，轴承支座，工件夹具，其中力传感器、直线轴承和轴承支座支撑板分别固定于力传感器支撑板上，直线光轴位于直线轴承中、且位于力传感器上方，轴承支座固定在轴承支座支撑板上方，工件夹具位于直线光轴的正上方、其伸出部分与轴承支座相配合。

所述支撑模块包括支撑座，x支撑板、y支撑板，x支撑板与y支撑板固定于支撑座上。

本实用新型的优点是结构新颖，采用二维压电片叠堆和解耦结构，可以减小横向及纵向的高阶振动，减小偶合振动，易于控制振动模态，使得抛光工具的运动精度更加精准，抛光效果好，力检测模块能准确传递抛光力，从多角度避免测量方向的磨擦，使得力传感器测量所得数据为实际抛光力，提高测量可靠性及精准性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型柔性铰链模块的结构示意图；

图3是本实用新型位移检测模块的结构示意图；

图4是本实用新型力检测模块的装配示意图；

图5是本实用新型支撑模块的三维结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，包括柔性铰链模块1、驱动模块2、位移检测模块3、力检测模块4、支撑模块5，其中柔性铰链模块1的基体1-1与支撑模块5的顶部固定连接，驱动模块2包括x压电片叠堆2-1和y压电片叠堆2-2，x压电片叠堆2-1位于柔性铰链模块1的x导向单元1-2与基体1-1之间，y压电片叠堆2-2位于柔性铰链模块1的y导向单元1-3与基体1-1之间，位移检测模块3与支撑模块5固定连接、位移检测模块3的x光栅尺3-1、y光栅尺3-2分别紧贴于x导向单元1-2、y导向单元1-3的正下方，力检测模块4与支撑模块5上方固定连接。

如图2所示，柔性铰链模块1包括基体1-1，x导向单元1-2，y导向单元1-3，x导向铰链1-4、y导向铰链1-5，解耦铰链1-6，研磨位块1-7，其中x导向单元1-2通过x导向铰链1-4与基体1-1连接，y导向单元1-3通过y导向铰链1-5与基体1-1连接，x导向铰链1-4与y导向铰链1-5相互垂直，解耦铰链1-6一端分别与x导向单元1-2和y导向单元1-3连接、另一端与研磨位块1-7连接；

如图3所示，位移检测模块3包括x光栅尺3-1、y光栅尺3-2，x读数头3-3、y读数头3-4、x支架3-5与y支架3-6，其中x读数头3-3、y读数头3-4分别与x支架3-5与y支架3-6固定连接，x读数头3-3、y读数头3-4分别位于x光栅尺3-1、y光栅尺3-2的正下方。

如图4所示，力检测模块4包括力传感器支撑板4-1，力传感器4-2，直线轴承4-3，直线光轴4-4，轴承支座支撑板4-5，轴承支座4-6，工件夹具4-7，其中力传感器4-2、直线轴承4-3和轴承支座支撑板4-5分别固定于力传感器支撑板4-1上，直线光轴4-4位于直线轴承4-3中、且位于力传感器4-2上方，轴承支座4-6固定在轴承支座支撑板4-5上方，工件夹具4-7位于直线光轴4-4的正上方、其伸出部分与轴承支座4-6相配合，工件可以夹在工件夹具4-7里面。

如图5所示，支撑模块5包括支撑座5-1，x支撑板5-2、y支撑板5-3，x支撑板5-2与y支撑板5-3固定于支撑座5-1上，x支架3-5与x支撑板5-2连接，y支架3-6与y支撑板5-3连接。

工作原理：

x,y方向分别有x压电片叠堆2-1与y压电片叠堆2-2产生x,y方向的纵向振动，经过x导向铰链1-4、y导向铰链1-5实现解藕，从而将纵向振动解藕地传递到研磨位块1-7上；压电驱动的非共振系统具有能够快速响应、加速度大、频响宽、开环稳定易控制，输出力密度较大，且能无需传递机构即可直接驱动等特点，实现运动解藕的x导向单元1-2，y导向单元1-3，仍然采用垂直并联的结构，x导向单元1-2，y导向单元1-3的一维运动通过解耦铰链1-6，能够转换成研磨位块1-7的二维振荡，进而带动抛光工具进行表面抛光。

位移检测模块3中的x光栅尺3-1、y光栅尺3-2分别随x导向单元1-2、y导向单元1-3移动，由下方的x读数头3-3、y读数头3-4分别读数，测量柔性铰链模块1中的x导向单元1-2的x方向位移与y导向单元1-3的y方向位移。

在力检测模块4中，轴承支座支撑板4-5严格限制工件夹具4-7扭转的同时，轴承支座4-6配合保证了工件夹具4-7的竖直移动线性，轴承支座4-6能承受高径向力，使得工件夹具4-7受力时与其固连的轴承支座4-6几乎无摩擦的平移，工件夹具4-7圆周的紧定螺钉紧固工件，直线光轴4-4为直线轴承4-3用光轴，力传感器支撑板4-1上开有力传感器4-2导线槽，保证直线轴承紧定的同时将力传感器数据线引导出来，轴承支座支撑板4-5固定在力传感器支撑板4-1上，限制了各向自由度，轴承支座4-6的螺纹端与工件夹具4-7紧定，则既限制了工件的扭转又实现工件在抛光力测量方向无摩擦。测力时，磨抛工具头与工件接触，并通过进给量施加抛光力于工件上，而安装在工件槽内的工件，因工件通过螺钉紧固，限制工件的扭转，工件夹具4-7限制工件各向自由度，当抛磨抛工具施加力于工件上时，因工件夹具4-7与直线光轴4-4抱紧，不能扭转、平移，抛光力使工件夹具4-7产生抛光力方向上的位移，直接传递给直线光轴4-4，直线轴承4-3使直线光轴4-4能几乎无摩擦地移，与直线光轴4-4联接的力传感器4-2测量到直线光轴4-4的位移，再转换成电信号进行数据采集。