專利名稱：一種基于雙平行柔性鉸鏈的超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺。
背景技術(shù)：
超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代航天軍工、光電通訊及遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)； 并已成為儀表制造、天文望遠(yuǎn)鏡、激光打印機(jī)、光學(xué)醫(yī)療儀器等技術(shù)密集型產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。因此精密的生產(chǎn)設(shè)備及量測儀器相對的越來越多地得到人們的重視，而要提升設(shè)備的精度其關(guān)鍵技術(shù)在于平臺的微位移進(jìn)給技術(shù)。壓電陶瓷致動器具有位移分辨率高、響應(yīng)快、剛變大、可微小化等優(yōu)點(diǎn)，克服了以往機(jī)械式、液壓式、氣動式、電磁式等執(zhí)行器慣性大、響應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等不足，被廣泛應(yīng)用于微定位技術(shù)之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于雙平行柔性鉸鏈的超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺，以解決驅(qū)動平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分辨率低、高應(yīng)力、精度低的問題。發(fā)明采取的技術(shù)方案是刀架工作臺、鉸鏈組及刀架安裝底座三者為一體結(jié)構(gòu)，該鉸鏈組包括X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、Y向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與刀架安裝底座固定連接，Y向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與刀架工作臺固定連接，χ向壓電驅(qū)動器自由端與χ向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)頂接、χ向壓電驅(qū)動器固定端與刀架安裝底座固定連接，Y向壓電驅(qū)動器自由端與刀架工作臺頂接、Y向壓電驅(qū)動器固定端刀架安裝底座固定連接。本發(fā)明利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計微位移平臺，利用壓電驅(qū)動器及驅(qū)動電壓控制系統(tǒng)，建立具有微米級的微位移技術(shù)，并運(yùn)用于精密切削加工技術(shù)之中。機(jī)構(gòu)設(shè)計依據(jù)材料彈性變形的原理，利用壓電驅(qū)動器作為動力源，當(dāng)壓電驅(qū)動器本身產(chǎn)生伸長或收縮變形時，材料受到外力作用，工作平臺即可以產(chǎn)生平移的精密位移運(yùn)動機(jī)理。結(jié)合工程實(shí)際需要，為實(shí)現(xiàn)二維自由度微位移平臺，利用兩個壓電驅(qū)動器分別驅(qū)動X、Y向平行鉸鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩個方向的精密位移運(yùn)動，以滿足超精密加工技術(shù)及定位等方面的需要。實(shí)現(xiàn)一種精確實(shí)現(xiàn)二維自由度的微位移平臺，在行程方面微動平臺主要實(shí)現(xiàn) X、Y方向的位移量33 μ m,實(shí)現(xiàn)分辨率度士 0. 02 μ nm、系統(tǒng)剛度為14. 5N/ μ m、并能承受一定程度的負(fù)載能力的二自由度精密定位平臺。柔性鉸鏈作為微位移平臺主要的基本組件，可替代傳統(tǒng)的機(jī)械軸承，當(dāng)柔性鉸鏈連結(jié)兩個剛體時，可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或平移運(yùn)動，且在彈性特性上有幾個優(yōu)點(diǎn)高精確度、不產(chǎn)生摩擦力、沒有磁滯現(xiàn)象、不會磨耗、無余隙、生熱少、不需要潤滑、若經(jīng)適當(dāng)設(shè)計對溫度變化不敏感、沒有反沖力、一體成形的加工制造、不需配件的設(shè)計而可減少系統(tǒng)的誤差。因此， 對柔性鉸鏈的分析和設(shè)計尤為重要。應(yīng)用柔性結(jié)構(gòu)制作的精密微動定位平臺，其優(yōu)點(diǎn)如下1)不會產(chǎn)生磨耗與高穩(wěn)定
3性。2)動作平順且連續(xù)性。3)降低機(jī)構(gòu)對溫度變化的敏感度。4)其結(jié)構(gòu)是屬于一體機(jī)構(gòu)， 由單一塊母材加工制作而成，沒有夾持、焊接所造成的高應(yīng)力情況或接合點(diǎn)潛變等問題。采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，即能較好地實(shí)現(xiàn)上述要求，其緣由是平臺由一對上下對稱的平行四桿機(jī)構(gòu)組成，當(dāng)水平方向受到外力作用時，因其結(jié)構(gòu)的對稱性，在垂直方向產(chǎn)生的內(nèi)力可以相互抵消，垂直方向引起的交叉耦合便由柔性鉸鏈桿長受拉后產(chǎn)生的彈性變形來彌補(bǔ)，這在理論上就克服了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)因產(chǎn)生交叉耦合位移的缺陷。由此可見，該機(jī)構(gòu)不僅很好地保證了工作臺在壓電陶瓷驅(qū)動下的平動特性，而且提高了運(yùn)動方向的精度。從圖3 中可以觀察到，當(dāng)受Y方向外力時產(chǎn)生位移，對稱的兩個四桿機(jī)構(gòu)在X方向產(chǎn)生的交叉耦合恰好相反而相互抵消，從而避免了交叉耦合誤差。此外，正是由于這種結(jié)構(gòu)的對稱性，大大提高該方向的系統(tǒng)剛度，使其分辨率極高。因此只要確保驅(qū)動控制的分辨率高，則整個機(jī)電系統(tǒng)的分辨率極高，這樣為實(shí)現(xiàn)超精密定位創(chuàng)造了更為有利的條件，這也為此本結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益的理論依據(jù)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎、簡單，以壓電驅(qū)動器為動力源，通過雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、并以該鉸鏈結(jié)構(gòu)做導(dǎo)軌，分別由兩個致動器驅(qū)動X、Y向的各自雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)精確地控制二維自由度微位移平臺。本發(fā)明為壓電陶瓷致動器微位移加工的方法提供了可借鑒的技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有助于推動面向微細(xì)作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明絞鏈的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明當(dāng)Y向壓電驅(qū)動器受到電壓作用后，刀架工作臺的運(yùn)動原理圖。
具體實(shí)施例方式刀架工作臺1、鉸鏈組2及刀架安裝底座3三者為一體結(jié)構(gòu)，該鉸鏈組2包括X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)201、Y向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)202，X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)201與刀架安裝底座3固定連接，Y向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)202與刀架工作臺1 固定連接，X向壓電驅(qū)動器5自由端與X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)201頂接、X向壓電驅(qū)動器5固定端與刀架安裝底座3固定連接，Y向壓電驅(qū)動器5自由端與刀架工作臺1頂接、 Y向壓電驅(qū)動器5固定端刀架安裝底座3固定連接。本發(fā)明的工作臺用于微定位，產(chǎn)生微米乃至納米級的位移，要求導(dǎo)軌運(yùn)動副間無摩擦、無間隙，位移精度高，在保證最大期望輸出位移的情況下具有較好的剛度，且只有沿著驅(qū)動方向作微位移的直線運(yùn)動，而不在其他方向采上產(chǎn)生交叉耦合位移。為此選擇雙平行柔性四連桿結(jié)構(gòu)是較為合理的方案，本專利正是采用這樣的一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)壓電陶瓷致動器受到驅(qū)動電壓作用時，便沿著該方向產(chǎn)生位移，從而驅(qū)動工作臺運(yùn)動，如果不考慮加工和裝配的誤差，在理想狀態(tài)完全對稱，微動工作便能夠產(chǎn)生嚴(yán)格的直線運(yùn)動。如圖1所示，在該結(jié)構(gòu)中采用雙驅(qū)動壓電陶瓷致動器，即X、Y向分別由兩個驅(qū)動器控制兩個方向的微位移，當(dāng)Y向壓電陶瓷致動器受到電壓作用后，該方向的運(yùn)動部分同時帶動X方向運(yùn)動部分作一起沿X向作微平移運(yùn)動，但決不會朝X向作微位移；當(dāng)X向壓電陶瓷致動器受到電壓作用后，僅驅(qū)動X方向運(yùn)動部分產(chǎn)生微平移運(yùn)動。
為實(shí)現(xiàn)雙平行柔性鉸鏈作為微動工作臺的導(dǎo)向與傳動機(jī)構(gòu)，雙平行彈性鉸鏈具有較高的位移分辨率和導(dǎo)向精度，無機(jī)械摩擦和間隙、不需要潤滑、無爬行現(xiàn)象，且結(jié)構(gòu)緊湊， 體積小，重量輕，易于加工和裝配。材料選擇對于微定位平臺來說，選擇一個適當(dāng)、最好的材料來設(shè)計平臺是相當(dāng)重要的一環(huán)。為了能增加結(jié)構(gòu)剛性、提高振動頻率，需選擇楊氏模量較高的材料。為了讓材料保持在彈性限度內(nèi)，材料屈服強(qiáng)度與楊氏模量的比值較大者，具有比較大的可容許變形能力；選擇高楊氏模量與密度比值的材料，可以避免負(fù)載平臺自重所造成的潛變；挑選高(E/ P)172的材料，可提高系統(tǒng)的振動頻率。在設(shè)計該結(jié)構(gòu)過程中，鉸鏈采用304不銹鋼材料線切割加工制作而成，其材料特性為楊氏模量E為206GPii，泊松比0.3，密度7.93Kg/m3，屈服強(qiáng)度205 MPa。工作時，壓電驅(qū)動器被施加電壓信號，壓電驅(qū)動器前端的驅(qū)動部分變形伸長，從而驅(qū)動工作臺運(yùn)動。當(dāng)電壓信號被撤消時，壓電驅(qū)動器回復(fù)原來長度；而鉸鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性回復(fù)力保證工作臺恢復(fù)到通電前的狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)刀架工作臺的重復(fù)精密定位。
權(quán)利要求
1. 一種基于雙平行柔性鉸鏈的超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺，其特征在于刀架工作臺、鉸鏈組及刀架安裝底座三者為一體結(jié)構(gòu)，該鉸鏈組包括X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、 Y向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與刀架安裝底座固定連接，Y 向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與刀架工作臺固定連接，χ向壓電驅(qū)動器自由端與χ向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)頂接、X向壓電驅(qū)動器固定端與刀架安裝底座固定連接，Y向壓電驅(qū)動器自由端與刀架工作臺頂接、Y向壓電驅(qū)動器固定端刀架安裝底座固定連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙平行柔性鉸鏈的超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺，屬于超精密加工車床刀架驅(qū)動平臺。刀架工作臺、鉸鏈組及刀架安裝底座三者為一體結(jié)構(gòu)，X向壓電驅(qū)動器自由端與X向雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)頂接、X向壓電驅(qū)動器固定端與刀架安裝底座固定連接，Y向壓電驅(qū)動器自由端與刀架工作臺頂接、Y向壓電驅(qū)動器固定端刀架安裝底座固定連接。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎、簡單，實(shí)現(xiàn)精確地控制二維自由度微位移平臺。
文檔編號B23Q5/34GK102380788SQ201110348899
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者丁金福, 鄂世舉 申請人:浙江師范大學(xué)