一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台

摘要

本发明涉及一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台，属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域。分别有两对直圆型柔性铰链和两对直梁型柔性铰链相互对称分布在工件基座和工件基座外圈两侧，X和Y轴方向上的压电叠堆通过压电叠堆预紧孔由预紧螺钉安装在柔性铰链平台上，Z轴方向上压电叠堆通过两个锲形块安装在底座上，工件基座在Z轴方向上的初始高度可调。本发明利用柔性铰链平台来完成微位移的传递，最大限度的减少微位移传递过程中在精度上的损失从而弥补压电陶瓷进给步幅小的缺点，压电驱动的三维椭圆微进给运动平台运动平滑,分辨率高,刚度好。

说明书

技术领域

本发明属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别是涉及一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台。

背景技术

精密、超精密加工技术是适应现代高技术发展需要而发展起来的先进制造技术。它综合现代电子技术、测量技术和计算机技术等，是尖端技术产品发展中不可缺少的关键环节,更是机械制造业中最重要的组成部分之一。它不论是在国防军事工业的发展中，还是在国民经济的建设中都有其极其广泛的应用前景。

高精度、高分辨率的精密微进给系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。所以对开展精密进给系统的研究是十分迫切的,有十分重要的现实意义。有利于缩小与先进国家同行业的差距,促进我国精密仪器仪表、精密超精密加工水平的提高。微进给技术可应用到各种微小零部件及模具的切削加工、可应用于各种微腔模具的铣削加工、可应用于电子元器件的加工(例如硅晶片的加工)、可应用于航空航天精密钦合金结构件的加工等,具有很大的市场及应用领域,有利于推动我国制造技术的发展,促进我国纳米技术方面的研究。

国内外大量科技工作者多年来致力于微进给技术的研究,使微进给技术取得了长足的发展。微进给的实现方法多种多样，主要分为机械式和机电式两大类。机械传动采用精密传动装置或增加减速装置的方法,这只是一种改良的办法，它不能克服机械机构中存在的摩擦、间隙、运动中爬行及分辨率不高等问题。因此实现高精度的微进给非常困难,效果也不理想。采用弹性变形的方式虽没有磨擦、间隙和爬行，但只能工作在低频状态，且由于弹性机构需要外力驱动，在大多数情况下不便于控制。

近年来,柔性铰链已成为炙手可热的话题，由于其体积小、无机械摩擦、无间隙且运动灵敏度高已成为提高精密、超精密加工进给精度的一个重要方面，开创了工作台进入纳米级的新时代。

以压电陶瓷为驱动器件的微进给技术是超精密加工中普遍使用的技术。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。1984年日本人E.Kouno设计了用于加工误差伺服补偿的微进给系统。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，主要用于提高超精密车床的进给分辨率和精度。1990年日本人Y.Okazaki发表文章介绍了一种新型的微进给刀架,其结构较新颖，有较好的性能。1991年美国人ThomasA.Dowrj提出了一种用于加工无旋转对称中心表面的快速刀架，该刀架优点是有较高频响速度，ThomasA.Dowrj认为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，该刀架开环频响速度好于2KHz。我国80年代也开始了利用压电陶瓷驱动微量进给技术的研究。1985年长沙国防科技大学研制了压电陶瓷车削微进给系统。哈尔滨工业大学研制的车削用微进给刀架，采用电致伸缩陶瓷驱动，支承刀头部分是一对弹性膜，其受力状态可简化为双固定端梁在中间加载，中间部分为刚体，不产生变形。该刀架采用整体化结构设计，结构简单、紧凑，体积小，易于控制，使用方便。其最大行程为5um，进给分辨率0.02um。

提高机床的进给精度，是目前亟需解决的问题,是适应现代工业加工要求的必然趋势，对提高现代制造业的竞争力有着重要意义。所以如何在现有机床上提高机床的加工精度，满足日益增长的加工精度要求，成为制造业的一个核心问题。

发明内容

本发明提供一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台，从而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：右侧板和左侧板底部分别与底座固定连接，柔性铰链平台与右侧板和左侧板上方连接，直圆型柔性铰链一和直圆型柔性铰链二一端分别与直圆型柔性铰链和直圆型柔性铰链一端对称分布连接在工件基座的两侧，该四个直圆型柔性铰链的另一端分别与工件基座外圈连接，直梁型柔性铰链一和直梁型柔性铰链二一端分别与直梁型柔性铰链三和直梁型柔性铰链四一端对称分布连接工件基座外圈的两侧，该四个直梁型柔性铰链的另一端分别与柔性铰链平台外圈连接，X轴方向上的压电叠堆和Y轴方向上的压电叠堆分别由螺栓通过孔一、孔二预紧安装在柔性铰链平台外圈上，Z轴方向上的压电叠堆上部与工件基座下部连接、底部与锲形组合块连接，该锲形组合块位于微调导轨中，锲形组合块的顶杆穿过微调顶板上的微调螺孔。

本发明底座上有用于联接机床的底座固定孔；

本发明工件基座上有用于固定工件的螺孔。

本发明利用了压电陶瓷材料的压电效应产生微位移，因为其具有的位移分辨率高、体积小、出力大的特点，同时能够保证系统具有较高的精度、驱动能力和相对简单的控制方式。本发明利用柔性铰链所具备的结构紧凑、无磨损、无传动空程的特点，设计了柔性铰链平台来完成微位移的传递，最大限度的减少微位移传递过程中在精度上的损失从而弥补压电陶瓷进给步幅小的缺点。通过对X、Y和Z方向上的压电叠堆输入信号直接驱动柔性铰链平台，使位于微进给运动平台上的工件产生三维椭圆运动轨迹，实现超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工。

本发明的优点是：

(1)压电驱动的三维椭圆微进给运动平台运动平滑,分辨率高,刚度好。本发明的柔性铰链平台由压电叠堆直接驱动，柔性铰链作为导向机构。

(2)整体柔性装置为柔性铰链运动平台，整体结构相对简单，易于制造，柔性装置的体积小，质量小，易于实现柔性装置的高频加工，同时减小了由于装配造成的误差。

(3)X向、Y向和Z向的压电叠堆分别由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，预紧过程皆相互独立，简单可靠，易于实现。

(4)本发明的三维椭圆柔性装置由三个压电叠堆驱动，三维椭圆可以由压电叠堆驱动信号的参数来调整，空间三维椭圆的位置，不受压电配置方式的限制，能够任意调整。

(5)本发明的三维椭圆柔性装置中三个压电叠堆驱动互相垂直，分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明底座的结构示意图；

图3是本发明锲形组合块的结构示意图；

图4是本发明柔性铰链平台的结构示意图；

图5是本发明控制框图。

具体实施方式

右侧板2和左侧板底部3分别与底座1固定连接，柔性铰链平台4与右侧板2和左侧板3上方连接，直圆型柔性铰链一401a和直圆型柔性铰链二401b一端分别与直圆型柔性铰链401c和直圆型柔性铰链401d一端对称分布连接在工件基座403的两侧，该四个直圆型柔性铰链的另一端分别与工件基座外圈404连接，

直梁型柔性铰链一402a和直梁型柔性铰链二402b一端分别与直梁型柔性铰链三402c和直梁型柔性铰链四402d一端对称分布连接工件基座外圈404的两侧，该四个直梁型柔性铰链的另一端分别与柔性铰链平台外圈407连接，X轴方向上的压电叠堆501和Y轴方向上的压电叠堆502分别由螺栓通过孔一4b、孔二4a预紧安装在柔性铰链平台外圈407上，Z轴方向上的压电叠堆503上部与工件基座403下部连接、底部与锲形组合块6连接，该锲形组合块6位于微调导轨103中，锲形组合块6的顶杆穿过微调顶板102上的微调螺孔101。

底座上有用于联接机床的底座固定孔104；

工件基座403上有用于固定工件的螺孔406。

工作时，通过底座1，把三维椭圆微进给运动平台安装在机床上，工件安装在柔性铰链平台上，由三个互相垂直的压电叠堆驱动产生高频的三维椭圆运动，三个压电叠堆的驱动信号如下：

根据(1)式，通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号y₁,y₂,y₃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三维椭圆运动轨迹。

图5示出了本发明采用的简化的控制系统框图，其中主要包括有：PMAC运动控制器、压电叠堆、柔性铰链平台、微位移传感器等几个环节组成。

根据图1-图5，本发明所述装置的具体实施方式如下：

1.用紧固螺钉将三维椭圆微进给运动平台通过底座1上的联接螺孔固定在机床上，将待加工工件放置在柔性铰链平台上，并由紧固螺钉将待加工工件固定在工件基座403上，通过位于底座上的微调机构对柔性铰链平台4进行初始位置的调整。

2.通过给三个压电叠堆驱动施加控制信号，调整压电叠堆施加信号的参数，使柔性铰链平台产生理想的空间三维椭圆轨迹，进行激光加工。

3.通过PMAC运动控制器用来设定和显示三维椭圆微进给运动平台要进给的位移值,运动控制器发出信号经过功率放大器，传递给压电叠堆，使压电叠堆产生高频振动，在三个互相垂直的压电叠堆的作用下，驱动微进给工作台产生椭圆运动轨迹，微位移传感器将检测到的位移再反馈到运动控制器进行修正，直到稳定在设定的控制精度范围内。