本发明属于微细超声加工技术领域，具体涉及一种快速调整工具头和工件平行度的装置及其方法。
背景技术：
微细超声加工原理是通过工具头的超声振动带动研磨液中的磨粒冲击工件表面，从而加工出所需要的微结构。工具头对工件的宏观作用力和热影响极小、且工件不受材料是否导电的限制，该技术广泛应用于各种硬脆材料的加工。为了提高加工效率，超声加工工具头的尺寸逐渐扩大，在加工前保证工具头和工件平行问题显得越来越突出。如果平行度差，将严重影响工件表面的加工精度，尤其是当工具头和工件之间的间隙超过磨粒尺寸时(一般为3-5μm)，将出现无法加工的情况。
现有的调平方式是通过多次压敏纸试压实验，微调工作台的高度来实现工具头和工件之间平行度的逐渐减小，调平过程耗时、精度低，严重影响了超声加工工艺的效率。采用现在商业化的传感器(如线扫描激光和接触式传感器)，配合自动电动调平工作台，实现精度在3μm以下的调平精度时，设备非常复杂，价格非常昂贵。
现阶段，通过大量的国内外文献调研，还没有出现很好的解决该调平问题方案，可行性方案主要有下面三种：
(1)压敏纸+精密X/Y角位移台
具体的实施过程：工作台安装在X/Y角位移台上，通过大量的压敏纸试压实验，手动微调工作台台面的高度，逐渐逼近近似的平行位置；
优点：廉价、操作简单、可以实现在线调平。
缺点：非常耗时、效率低、精度差。
(2)接触式位移传感器+电动自动升降台
具体实施过程：工作台置于电动自动升降台上，将多个位移传感器绑定成2组，每组至少有3个传感器，一组用来测定工具头平面的空间位置，另一组用来测定工作台平面的空间位置，将2组测量的数据拟合出两个平面，并通过算法把相关平面位移调平的指令输出给下面的电动自动升降台电机，通过电机精确控制工作台不同位置的升降实现工具头和工件之间的调平过程。
优点：调平过程可以实现全自动。
缺点：结构非常复杂，开发难度大，且要实现调平精度在3μm以下的设备报价非常昂贵(调研的报价超过30万元)；另外，传感器使用过程中，必须将工具头和工作台移开，以产生足够的空间实现传感器测量，采集到的两平面空间位置数据和移回工作位置时的两平面空间位置数据很难保证高精度的一致性，无法实现在线调平。
(3)线扫面激光传感器+电动自动升降台
具体实施过程：首先将工具头移动到将和工作台接触的位置，通过沿着工作台周向安装的三个线扫描激光传感器测量工具头和工作台平面三个不同位置的间隙，并实时将采集到的数据输入计算机，并通过算法把相关平面位移调平的指令输出给下面的电动自动升降台电机，通过电机精确控制工作台不同位置的升降实现工具头和工件之间的调平过程。
优点：调平过程可以实现全自动，在线调平。
缺点：结构非常复杂，开发难度大，且要实现调平精度在3μm以下的传感器市场上暂没有出现，精度在10微米的传感器的整体报价达50万元以上。
为了实现微细超声加工技术的产业化，急需要找到一种快速、简便、廉价、高精度(<3μm)的调平装置及方法。
技术实现要素：
本发明针对上述问题，提供一种快速调整超声工具头和工件平行度的装置，能够实现快速、简便、廉价、高精度的调平。
本发明采用的技术方案如下：
一种快速调整工具头和工件平行度的装置，包括一底座，一位于所述底座上方的工作台，一使所述工作台垂直于所述底座运动的导向单元，以及一用于固定所述工作台的紧固单元；所述底座和所述工作台之间设有均匀分布的弹性材料，所述弹性材料的上下两端分别连接所述底座和所述工作台；所述底座和所述工作台之间的中心位置设有支撑杆，所述支撑杆的下端与所述底座固定连接，所述支撑杆的上端与所述工作台接触，所述接触使得所述工作台能够以所述支撑杆的上端为支点在一定范围内摆动。
进一步地，所述导向单元为与所述底座垂直的导向轴，所述工作台上设有通孔，所述导向轴的下端与所述底座固定连接，所述导向轴的上端穿过所述工作台上的通孔；所述紧固单元设于所述通孔处。
进一步地，所述底座设有与所述导向轴和所述支撑杆对应的通孔，所述导向轴和所述支撑杆的下端插入所述底座的相应通孔内，并通过螺纹固定连接。
进一步地，所述导向轴的数量至少为三个，在所述底座和所述工作台之间沿周向均匀分布。
进一步地，所述紧固单元包括夹紧把手和夹紧辅助件；所述夹紧辅助件包含工作台连接部分，其外径等于工作台通孔的内径；所述夹紧辅助件还包含通孔，其内径稍大于导向轴的直径，以使得调平过程中工作台能够在一定范围内摆动；所述夹紧把手连接所述夹紧辅助件，通过转动把手实现夹紧和松开功能。
进一步地，所述支撑杆的顶端具有向上凸起结构，所述工作台的下表面设有与所述向上凸起结构匹配的凹槽；或者所述工作台的下表面具有向下凸起结构，所述支撑杆的顶端设有与所述向下凸起结构匹配的凹槽。
进一步地，所述支撑杆为蘑菇状支撑杆。
进一步地，所述弹性材料为弹簧，所述弹簧的数量至少为三个。
一种采用上述装置快速调整工具头和工件平行度的方法，包括以下步骤：
1)松开紧固单元，使工作台与支撑杆的支撑力、弹性材料的弹力平衡；
2)通过紧固单元固定工作台位置，将工具头下移，并通过一次压敏纸试压实验确定工作台和工具头的空间位置；
3)根据压敏纸结果，判断是否需要调整工具头位置，最终实现工作台上中点位于工具头平面的下方；
4)松开紧固单元，将千分表的触头接触工作台的台面边缘，保证工作台能够根据弹性材料的受力情况自动调整位置；
5)下移工具头，并观察千分表的指针，当出现指针反转的点即为调平位置；
6)通过紧固单元固定工作台位置，即固定调平位置。
进一步地，步骤3)中，如果根据压敏纸结果判定为处于无法实现自动调平的位置，则直接将工具头移动到该位置相对于工作台中心点的对称位置，即到达能够实现自动调平的位置。
与现有的“压敏纸+精密X/Y角位移台”技术、“接触式位移传感器+电动自动升降台”技术、“线扫面激光传感器+电动自动升降台”技术相比，本发明具有廉价、操作简单、高效、半自动化、精度高、可以实现在线调平等优点。理论上，在工具头下压过程中可以实现自动调平的区域包含一半工作台的区域，实际操作过程中可以直接将工具头移动到原先位置(无法自动调平的位置)相对于工作台中心点的对称位置附近(可以自动调平的位置)。
附图说明
图1为快速调平装置的剖视图。其中：1-蘑菇状支撑杆；2-螺钉1；3-弹簧；4-螺钉2；5-底座；6-工作台；7-夹紧把手；8-夹紧辅助件；9-导向轴。
图2为快速调平装置的爆炸视图。
图3为无法自动调平的结构示意图，其中(a)为初始调平图；(b)为压敏纸的痕迹；(c)为平面圆心和模芯底面的位置。
图4为可以自动调平的结构示意图，其中(a)为初始调平图；(b)为压敏纸的痕迹；(c)为平面圆心和模芯底面的位置。
图5为理论上可以自动调平区域A+B示意图，其中(a)为三维调平视图；(b)为可调平区域示意图。
图6为导向轴的不同位置的示意图。
图7为支撑杆与工作台的不同接触方式的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种快速调整超声工具头和工件平行度的装置，图1和图2分别为该装置的剖视图和爆炸视图，其包含底座5、四个与底座垂直固定连接的导向轴9，工作台6，夹紧把手7及夹紧辅助件8，四个置于工作台6和底座5之间的弹簧3。
1)所述的底座包含：
底座本体；
设置在底座本体周向均匀分布的4个通孔，用于连接导向轴；
设置在底座中心的通孔用于连接蘑菇状支撑杆；
底座上表面沿着轴向均匀分布的四个凸台用于弹簧的固定；
所述底座的下表面和上表面平行；
所述通孔的内表面和底座的下表面垂直。
2)所述的导向轴包含：
位于导向轴下端的底座连接部分，直接插入底座的通孔内；
位于导向轴下端的固定螺纹孔与导向轴同心、同轴设置，并通过螺钉将其和底座固定；
导向轴伸出底座的直径大于插入底座内的直径(该直径等于底座通孔的内径)；
该底座连接部的侧面与导向轴的底面垂直，保证了导向轴和底座的垂直度；
所述导向轴的数量是4个。
3)所述的夹紧辅助件包含：
工作台连接部分，该部分外径等于工作台通孔的内径；
夹紧辅助件含有通孔，且内径稍大于导向轴的直径，以保证调平过程中可以实现工作台在一定范围内的摆动；
夹紧辅助件与工作台连接的底面和其插入工作台内部的圆柱结构侧面垂直；
工作台的上表面紧密接触夹紧辅助件上部分圆柱的下表面；
4)所述的夹紧把手包含：
夹紧把手本体，该把手连接夹紧辅助件，该夹紧辅助件内可设置滚珠，转动把手，即可以使滚珠压紧导向轴，实现快速夹紧和松开功能。
5)所述的蘑菇状支撑杆包含：
位于支撑杆下端的底座连接部分，直接插入底座中心的通孔内；
位于支撑杆下端的固定螺纹孔与底座中心的通孔同心、同轴设置，并通过螺钉将其和底座固定；
支撑杆伸出底座部分的直径大于插入底座内的直径(该直径等于底座通孔的内径)；
该支撑杆底座连接部的侧面与支撑杆的底面垂直，保证了支撑杆和底座的垂直度；
支撑杆上部分的蘑菇顶部与工作台的凹槽相匹配，保证工作台在调平过程中只能沿着蘑菇形貌的圆心转动。
6)所述的工作台包含：
工作台本体；
设置在工作台本体上的4个通孔，孔径直径和夹紧辅助件下端外圆的直径保持一致；
工作台的中心下表面处有凹槽，和支撑杆上部的蘑菇顶部匹配；
工作台的下表面沿着周向均匀分布的四个凸台用于弹簧的固定。
7)所述的弹簧数量为4个。弹簧的作用如下：
a)加弹簧后，相当于给整个工作台的调平过程增加了阻尼，增加了调平过程的稳定性，能够更好地用千分表确定最后的调平位置；
b)加弹簧后，弹簧有助于在工具头下移过程中实现更快的调平，从而使得调平过程更便捷。
下面说明采用上述快速调平装置进行调平的方法，其主要步骤包括：
步骤1、松开夹紧把手，使工作台回到重力、弹簧的弹力和蘑菇状支撑杆支撑力的三力平衡的位置；
步骤2、拧紧夹紧把手，固定工作台位置，将工具头下移，并通过一次压敏纸试压实验确定工作台和工具头的空间位置；
步骤3、根据压敏纸结果，判断是否需要调整工具头位置，最终实现工作台上中点位于工具头平面的下方；
步骤4、松开夹紧把手，将千分表的触头接触工作台的台面边缘，保证工作台可以根据弹簧的受力情况自动调整位置；
步骤5、下移工具头，并观察千分表的指针，当出现指针反转的点即为调平位置；
步骤6、拧紧夹紧把手，固定调平位置，即可开始超声振动的加工。
图3为无法自动调平的结构示意图，其中(a)为初始调平图；(b)为压敏纸的痕迹；(c)为平面圆心和模芯底面的位置。在这种情况下，工作台中心点位于工具头平面上方，下移工具头的过程中无法根据弹簧的受力情况实现自动调平。
图4为可以自动调平的结构示意图，其中(a)为初始调平图；(b)为压敏纸的痕迹；(c)为平面圆心和模芯底面的位置。在这种情况下，工作台中心点位于工具头平面下方，下移工具头的过程中可以根据弹簧的受力情况实现自动调平。
图5为理论上可以自动调平区域A+B示意图，其中(a)为三维调平视图；(b)为可调平区域示意图。在两平面不平的情况下，工具头和工作台两平面之间一定存在一交线，如(a)图所示，如果根据压敏纸结果判断出该位置无法实现自动调平，则可以移动工具头使得交线的位置绕过台面中心点位置，工具头即到达可以实现自动调平的位置。理论上，可调平区域占工作台面的一半，如(b)图中的A+B区域。实际操作过程中，可以直接将工具头移动到原先位置(无法自动调平的位置)相对于工作台中心点的对称位置附近(可以自动调平的位置)。
根据以上描述可知，本发明提出的“新结构+千分表”的调平方法，具有廉价、操作简单、高效，半自动化、精度高、可以实现在线调平等优点，并已通过有限元仿真软件验证了该调平方法的有效性。
以上说明了本发明的一个优选的实施例，但本发明并不仅限于上述实施方式，例如还可以采用下面的实施方式：
1)导向单元：本发明的导向单元优选上述实施例中的导向轴，此外也可以采用其它适用的导向结构。使用导向轴时，导向轴的数量除上述实施例中的四个外，也可以是其它数量，理论上至少为三个，在工作台和底座之间均匀布置即可。导向轴的位置也不限于上述实施例，如图6所示，其中(a)图即图1、图2中导向轴的位置，在其它是实施例中，也可以位于如图6中(b)图所示的工作台6的边缘位置等。此外导向轴也不限于圆柱形，也可以是棱柱等其它形状。
2)弹性材料：工作台和底座之间的弹性材料优选上述实施例中的弹簧，此外也可以采用其他弹性材料代替，只要能够起到和弹簧类似的效果即可。采用弹簧时，弹簧可以位于导向轴和蘑菇状支撑杆之间，也可以位于其它位置，比如套在导向轴的外部。弹簧套在导向轴的外部时，则可依靠导向轴固定弹簧，而不再需要图1所示的用于固定弹簧两端的凸台。弹簧的数量除上述实施例中的四个外，也可以是其它数量，理论上至少为三个，在工作台和底座之间均匀布置即可。
3)支撑杆：上述实施例采用的是蘑菇状支撑杆，也可以采用其它形状，比如图7中所示的接触方式，只要使得工作台能够以支撑杆的上端为支点在一定范围内摆动就可以。
4)导向轴、支撑杆与底座的连接方式：除采用螺钉/螺杆等螺纹连接外，也可以是其它固定连接方式，比如导向轴、支撑杆与底座一体成型。但这种方式需要制作模具，成本较高。
5)千分表：采用千分表能够节省成本，实际使用中，只要位置测量精度达到1μm的量具都可以使用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。