宏微雙重驅(qū)動精密楔形進給工作臺及運動產(chǎn)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種宏微雙重驅(qū)動精密楔形進給工作臺及運動產(chǎn)生方法，屬于數(shù)控加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度和高分辨率的超精密進給機構(gòu)在超精密加工領(lǐng)域具有極其重要的地位，是保證零件尺寸加工精度的重要因素和實現(xiàn)精密和超精密加工的必要手段。目前的超精密加工中所涉及的進給工作臺一般采用直線電機、滾珠絲桿加伺服電機、壓電陶瓷等形式的單驅(qū)動方式，這些單驅(qū)動形式不能同時兼顧高精度和大行程的實際需求。為此，采用宏微雙重驅(qū)動實現(xiàn)工作臺的高精度和大行程，但存在以下問題:
(I)在每一個運動方向都需要一個與其運動方向相對應(yīng)的驅(qū)動源，造成一定的經(jīng)濟浪費；(2)微位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計上，采用串聯(lián)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)可以消除耦合，缺點是工作效率不高，需要一一調(diào)整，采用并聯(lián)設(shè)計柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)容易效率比串聯(lián)設(shè)計高，不足之處是耦合很嚴重；(3)宏微驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計主要實現(xiàn)二維方向上進給運動，對二維以上加工難以滿足加工要求。
[0003]為此，本發(fā)明基于直線電機和壓電換能器宏微雙重驅(qū)動的形式，結(jié)合楔形臺和并行柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工作臺的高精度和大行程。本次發(fā)明的基于宏微雙重驅(qū)動精密楔形工作臺采用直線電機作為宏動結(jié)構(gòu)驅(qū)動，采用壓電換能器驅(qū)動作為微動結(jié)構(gòu)驅(qū)動，實現(xiàn)X、Y、Z超精密運動以及繞X、Y微轉(zhuǎn)動，在X方向直線電機上連接兩個楔形結(jié)構(gòu)，減少了 Z方向的驅(qū)動源，工作面板設(shè)計的并行柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)X和Y同時微進給，同時還能夠消除耦合作用，支撐桿上靠近裝夾工作臺設(shè)計多軸直圓型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，能夠讓裝夾工作臺實現(xiàn)一定的微轉(zhuǎn)動，采用四根支撐桿減緩重力作用，對連接板上的壓電換能器起到預(yù)緊作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，在于提供一種基于宏微雙重驅(qū)動精密楔形工作臺，安裝需要加工的零件或切削刀具裝置，對零件實現(xiàn)精密與超精密加工。
[0005]為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
一種宏微雙重驅(qū)動實現(xiàn)進給運動的精密楔形工作臺，其特征在于:該工作臺包括X向?qū)к墶向直線電機、X向第一楔形塊、X向第二楔形塊;X向直線電機包括X向磁軌、X向第一動子、X向第二動子;所述X向磁軌安裝于X向?qū)к壣?，X向第一動子和X向第二動子分別安裝于X向磁軌上，并分別連接于X向第一楔形塊、X向第二楔形塊的下方，X向第一楔形塊、X向第二楔形塊安裝于X向?qū)к壣希琗向第一楔形塊的斜面與X向第二楔形塊的斜面位置相對;X向?qū)к墏?cè)面還安裝有X向光柵尺，X向光柵尺上面X向均安裝有與X向第一楔形塊和X向第二楔形塊對應(yīng)的X向第一讀數(shù)頭和X向第二讀數(shù)頭。該工作臺還包括安裝在X向第一楔形塊的斜面與X向第二楔形塊的斜面上且可沿所述斜面移動的移動板，還包括位于移動板上的Y向?qū)к墶向直線電機、Y向滑塊;Y向直線電機包括Y向磁軌、Y向動子;所述Y向磁軌固定于移動板上，Y向動子安裝于Y向磁軌上，并連接于Y向滑塊下方;Y向滑塊安裝于Y向?qū)к壣线€安裝有Y向光柵尺，以及在Y向光柵尺上方檢測Y向滑塊運動的Y向讀數(shù)頭。該工作臺還包括安裝于Y向滑塊上的工作面板、X向壓電換能器、Y向壓電換能器，其中在工作面板加工并行柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，該并行柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)包括第一柔性鉸鏈單元，第二柔性鉸鏈單元，第三柔性鉸鏈單元以及第四柔性鉸鏈單元。其中X向壓電換能器、Y向壓電換能器型號完全相同可以相互互換。采用楔形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換功能，采用上述并行柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)既能提高效率，又能消除親合。
[0006]定義工作面板的Y向中心軸，是指與Y向平行的工作面板上的軸對稱線；定義工作面板的X向中心軸，是指與X向平行的工作面板上的軸對稱線。
[0007]其中第一柔性鉸鏈單元和第三柔性鉸鏈單元關(guān)于Y向中心軸對稱;第二柔性鉸鏈單元和第四柔性鉸鏈單元關(guān)于Y向中心軸對稱。
[0008]其中第一柔性鉸鏈單元由沿X向中心軸對稱的兩個類“幾”字型結(jié)構(gòu)組成;每個類“幾”字型結(jié)構(gòu)均由五個條塊組成，其中條塊一、條塊二、條塊三、條塊四、條塊五依次首尾垂直相連，整體呈類“幾”字型結(jié)構(gòu)；其中條塊一與條塊五在一條直線上，條塊三與條塊一平行，條塊二與條塊四平行且長度相等;其中條塊一、條塊三、條塊五平行X向中心軸，條塊二、條塊四平行Y向中心軸;條塊一的首端與工作面板的連接處靠近工作面板外側(cè)，條塊五的末端與工作面板的連接處靠近工作面板內(nèi)側(cè)。其中第二柔性鉸鏈單元由沿Y向中心軸對稱的兩個類“幾”字型結(jié)構(gòu)組成;每個類“幾”字型結(jié)構(gòu)均由五個條塊組成，其中條塊六、條塊七、條塊八、條塊九、條塊十依次首尾垂直相連，整體呈側(cè)躺類“幾”字型結(jié)構(gòu);其中條塊六與條塊十在一條直線上，條塊八與條塊六平行，條塊七與條塊九平行且長度相等;其中條塊六、條塊八、條塊十平行Y向中心軸，條塊六、條塊九平行X向中心軸;條塊六的首端與工作面板的連接處靠近工作面板外側(cè)，條塊十的末端與工作面板的連接處靠近工作面板內(nèi)側(cè)。
[0009]Y向壓電換能器安裝在第一柔性鉸鏈單元處，位于工作面板的Y向中心軸上;X向壓電換能器安裝在第二柔性鉸鏈單元處，位于工作面板的X向中心軸上；
所述的工作臺，其特征在于:上述X向?qū)к?、Y向?qū)к壘鶠樘菪螌?dǎo)軌，采用梯形導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高和精度保持性好。
[0010]所述的工作臺，其特征在于:上述X向第一楔形塊的斜面和X向第二楔形塊的斜面上，均具有順著斜面從上到下的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌截面形狀為矩形，優(yōu)點是:導(dǎo)軌剛度高，具有較大的承載能力;上述移動板兩側(cè)具有與所述導(dǎo)軌的導(dǎo)向開口槽。
[0011]所述工作面板上還安裝有連接板，連接板上安裝有裝夾工作臺；其中連接板上對稱分布四個槽口，每個槽口內(nèi)安裝有一個壓電換能器，分別為第一壓電換能器、第二壓電換能器、第三壓電換能器、第四壓電換能器，每個壓電換能器與一個支撐桿相連，分別為第一支撐桿、第二支撐桿、第三支撐桿、第四支撐桿，支撐桿的一端通過單軸直圓型鉸鏈結(jié)構(gòu)與壓電換能器相連，支撐桿的另一端與裝夾工作臺通過多軸直圓型鉸鏈結(jié)構(gòu)相連；
第一壓電換能器、第二壓電換能器、第三壓電換能器、第四壓電換能器型號完全相同，可以任意互換，第一支撐桿、第二支撐桿、第三支撐桿、第四支撐桿結(jié)構(gòu)形式完全相同，可以任意互換，靠近裝夾工作臺加工多軸直圓型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)點是可以讓裝夾工作臺在多個自由度旋轉(zhuǎn)，直圓型柔性鉸鏈可以減小應(yīng)力集中。
[0012]定義連接板的Y向中心軸，是指連接板上的與所述Y向?qū)к壠叫械妮S對稱線；定義連接板的X向中心軸，是指連接板上的與所述X向?qū)к壠叫械妮S對稱線；
第一壓電換能器和第三壓電換能器位于X向中心軸上，第二壓電換能器、第四壓電換能器位于Y向中心軸上；
四個壓電換能器通入電信號，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能，當(dāng)四個壓電換能器通入相同的信號時，能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺沿著Z向精密進給運動；當(dāng)?shù)谝粔弘姄Q能器和第三壓電換能器通入相同的電信號時，第二壓電換能器和第四壓電換能器通入不同的電信號能夠?qū)崿F(xiàn)繞X向精密運動；當(dāng)?shù)诙弘姄Q能器和第四壓電換能器通入相同的電信號時，第一壓電換能器和第三壓電換能器通入不同的電信號能夠?qū)崿F(xiàn)繞Y向精密運動。
[0013]所述的工作臺，其特征在于:第一支撐桿、第二支撐桿、第三支撐桿、第四支撐桿與水平角度成75度，優(yōu)點是能夠有效的減緩支撐桿水平力，防止單軸直圓型柔性鉸鏈損壞。
[0014]所述的宏微雙重驅(qū)動精密楔形進給工作臺的運動產(chǎn)生方法，其特征在于包括以下過程:
l)x向直線電機通過X向第一動子和X向第二動子帶動X向第一斜楔塊和X向第二斜楔塊運動，沿著X向?qū)к壪嗤较蚧蛘呦喾催\動移動；當(dāng)X向第一動子和X向第二動子通入相同的電流時，X向第一斜楔塊和X向第二斜楔塊同向運動，X向第一斜楔塊、X向第二斜楔塊及中間的移動板三者的相對位置不變，三者一起沿著X方向運動；當(dāng)兩個動子通入相反的電流時，X向第一斜楔塊和X向第二斜楔塊引起相向運動或者相反運動，移動板的位置相對于沿著斜面上的運動，使得移動板上所有部件沿著Z方向上升或者下降，當(dāng)X向第一斜楔塊和X向第二斜楔塊引起相向運動時，移動板上所有部件沿著Z方向上升；當(dāng)X向第一斜楔塊和X向第二斜楔塊引起相反運動時，移動板上所有部件沿著Z方向下降，從而實現(xiàn)工作臺在Z方向運動；
2) Y向直線電機通過Y向動子帶動Y向滑塊運動，這樣使得Y向滑塊和其上面的部件能夠沿著Y方向運動，實現(xiàn)了工作臺在Y方向上的運動；
3)x向壓電換能器和Y向壓電換能器，通入電信號，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能，通過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)形成具有回復(fù)作用，對工作臺實現(xiàn)X和Y向精密進給運動，運動過程中由激光干涉儀檢測并反饋；
4)通過光柵尺和讀數(shù)頭檢測以及激光干涉儀的反饋作用，該工作臺是由宏微進給運動，相互協(xié)調(diào)構(gòu)成，X向直線電機實現(xiàn)X方向和Z方向上的宏進給運動和大行程，Y向直線電機實現(xiàn)Y方向上的宏進給和大行程，在宏進給的基礎(chǔ)上，給X向壓電換能器、Y向上壓電換能器，第一壓電換能器、第二壓電換能器、第三壓電換能器、第四壓電換能器通入電信號，經(jīng)過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)作用，可以實現(xiàn)X、Y、Z三個方向上運動以及繞X向和Y向進給運動，將工作臺的精度等級由微米級提升到微納級。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中基于雙驅(qū)動的宏微雙進給進給的高精密楔形工作臺等軸視圖；