CN101157183B - 两自由度车削刀具精密伺服驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超精密金属切削加工机床中的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置。该装置由基座(1)、刀架(2)和驱动元件组成，所说的刀架(2)由多个薄壁柔性铰链连接到刚性基座(1)上，所说的基座(1)由三层结构(15、16、17)组成，每层之间通过柔性铰链(11、12)连接；所说的驱动元件由压电叠堆(3、7、8)组成，其中的压电叠堆(3)整体安装于基座(1)第一层结构(15)的U型槽中，通过预紧机构预紧，支架(6)整体置于基座(1)尾端的矩形槽内，并与基座(1)的第二层结构(16)过盈配合，压电叠堆(7、8)安装于支架(6)上。本发明可实现加工刀具的直线、回转混合的多自由度精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统、精密光学元件加工、超精密机械加工设备、汽车制造业、航空航天等领域，特别是涉及超精密金属切削加工机床中的车削刀具的精密定位技术领域。
技术背景
近年来，随着微电子学、生物医学、半导体、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对微纳米级精度的超精密切削加工技术和复杂曲面超精密切削加工技术及装备有着越来越多的需求。因此各种具有精密定位或有精密驱动功能的机床辅件被开发研制出来。传统的刀架一般采用步进电机带动滚珠丝杠实现精密定位或精密驱动，或者采用手动细牙螺纹视线定位或驱动。近年来，随着智能材料技术的发展，以压电陶瓷为核心元件的另一种精密定位或精密驱动的刀架系统脱颖而出。
传统的刀架受限于其自身的结构原理，往往存在结构尺寸大、定位精度低、而且往返重复定位精度低等缺点，这严重制约了机械零部件的加工精度，进而阻碍了制造业的发展水平；同时，传统的车削加工中刀具系统只能实现单自由度运动输出，无法实现刀具实时的精密摆动(回转)运动，进而无法加工复杂形状表面。因此有必要设计一种定位精度较高，同时可输出精密直线运动和精密回转运动的伺服刀具驱动装置，以满足现代制造对复杂表面超精密加工的要求。
发明内容
为了解决上述问题和不足，本发明的目的在于提供了一种两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，使之具有定位精度高、响应迅速、可实现精密直线与旋转两自由度的运动输出，并能实现微纳米级精密定位的功能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
该装置由基座1、刀架2和驱动元件组成，所说的刀架2由多个薄壁柔性铰链连接到刚性基座1上，所说的基座1由三层结构15、16、17组成，每层之间通过柔性铰链11、12连接；所说的驱动元件由压电叠堆3、7、8组成，其中的压电叠堆3整体安装于基座1第一层结构15的U型槽中，通过预紧机构预紧，支架6整体置于基座1尾端的矩形槽内，并与基座1的第二层结构16过盈配合，压电叠堆7安装于支架6与基座的第一层结构15之间，压电叠堆8安装于支架6和基座的第三层结构17之间，基座1尾端为连接装置9，它与基座第三层结构17是同一整体。
所说的预紧机构采用自锁式楔形块4，其预紧力由螺栓5提供，并可沿y方向移动对压电叠堆3正向预紧反向自锁。
所说的薄壁柔性铰链采用三组：薄壁柔性铰链10、13、14，薄壁柔性铰链与所连接的基座1和刀架2是同一整体，薄壁柔性铰链通过电火花线切割方式加工而成，在压电叠堆3的推动作用下，可发生微小弯曲变形，驱动力撤销，回到初始位置，进而使刀架2产生沿x向的精密直线运动。由于基座1和刀架2是一整体，故无需装配，且刀架2受到压电叠堆3的推动而与基座1发生相对运动时不产生摩擦和磨损，可大大提高定位精度和使用寿命。
所说的柔性铰链11、12为两组结构相同的薄壁柔性铰链，柔性铰链11、12与基座1的各层结构为同一整体，各层结构受压电叠堆7或8驱动力分别作用或受压电叠堆7和8驱动力同时作用而发生相对运动时，柔性铰链11、12发生相应的扭转变形，撤销压电叠堆驱动力作用，柔性铰链回到初始位置。
所说的压电叠堆3、7、8为可控面型的精密致动元件，通过对压电叠堆3施加电压时，刀架2沿x方向的精密直线运动；分别对压电叠堆7、8施加电压时，刀架2绕z轴的顺时针转动或逆时针转动。
通过对所说的压电叠堆7施加电压可以使基座1的第一层结构带动刀具相对于静止的第二、三层发生顺时针微小角度的转动；对压电叠堆8施加电压可以使基座1的第一、二两层相对于静止的第三层发生逆时针微小角度的转动。
对所说的精密直线运动和精密回转运动的实现完全依赖相应压电叠堆3、7、8的推力作用。
对所说的支座1与运动输出单元刀架2之间的直线传动元件-薄壁柔性铰链10、13、14和回转传动元件-扭转薄壁柔性铰链11、12是浑然一体的机械结构。
对所说的驱动元件为在电压作用下将输出精确变形的压电叠堆元件或其它智能元件。
该两自由度车削刀具精密伺服驱动装置采用薄壁柔性铰链与基座连接，以提高刀具直线方向定位精度和重复定位精度；为了提高转动精度，本装置采用驱动叠堆与基座直接过盈配合，从而避免传动机构误差，保证转动角度的准确性。基座的三层结构之间用两组柔性铰链连接，使结构紧凑并且响应迅速。支架6形似十字架，以过盈配合方式固定在基座的中间层，两个旋转驱动用压电叠堆安装于支架与基座的第一、三层之间，在相应压电叠堆推力作用下，推动刀架可实现顺时针和逆时针的精密转动，通过电压调整压电叠堆的伸长量进而可以精确控制刀架的旋转角度。为了达到加工复杂曲面的目的，可以随时调节刀具直线运动位移和旋转角度，以达到复杂表面超精密加工的要求。
本发明的积极效果是：可大大提高刀具系统的定位精度，配合直线运动和回转运动能实现复杂合成运动的精密输出，从而完成复杂曲面的超精密加工，同时具有结构简单紧凑，动态特性优良，成本低、投资少、见效快、效益高等优点。
附图说明
图1是两自由度车削刀具精密伺服驱动装置结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是图1的左视图；
图5是柔性铰链结构原理图；
图6是用于装配扭转驱动压电叠堆的支架图。
图中1.基座 2.刀架 3.直线驱动压电叠堆 4.楔形块 5.螺栓 6.用于装配旋转驱动压电叠堆的支架 7、8.压电叠堆 9.连接装置 10、11、12、13、14柔性铰链 15、16、17.基座的三层结构
图5中的δ＝F/K，K为柔性铰链的弯曲刚度，δ为柔性铰链微变形，F为是加载柔性铰链自由端的外力。
具体实施方式
下面结合附图所示实施实例进一步说明本发明的具体内容。
参见图1、2、3，基座1与刀架2通过柔性铰链10、13、14连成一体，有利于提高系统刚性，避免传动摩擦和磨损，从而增加系统运行的稳定性。压电叠堆3整体安装于基座1第一层结构15的U型槽中，通过预紧机构的楔形块4，利用螺钉5实现对压电叠堆3预紧。压电叠堆7、8安装于支架6上，支架6整体置于基座1尾端的矩形槽内，并与基座1的第二层结构16过盈配合。刀架2在压电叠堆3推力作用下，可以实现沿x方向精密直线运动；刀架2在压电叠堆7、8作用下，可以实现绕z轴的正、反向精密旋转运动。具体工作过程如下：
初始状态：压电叠堆3、7、8均不带电，系统处于自由状态，基座1第三层的后端连接装置9被固定于机床工作台或转塔刀架上。此时通过旋转螺栓5对压电叠堆3进行预紧调节；当压电叠堆3通电伸长时，柔性铰链10、13、14在其作用下发生弹性变形而推动刀架2沿x方向输出精密直线运动，当压电叠堆3断电回缩时，柔性铰链10、13、14在其自身反向回复力作用下带动刀架2回到原来位置。当压电叠堆7带电伸长时，在其作用下，基座1的第一层结构受到驱动力作用(该力为系统内力)，与此同时基座1第一二两层之间的柔性铰链11发生变形，从而使该两层结构发生相对转动。但基座1的第二、三两层之间无相互作用力，故保持相对静止。可见，当压电叠堆7带电伸长时，基座第一层结构将带动刀架相对于第二层，以及尾端的连接装置9沿顺时针方向旋转相应的微小角度；如需要刀具做逆时针方向转动，可使压电叠堆7缩短至原来位置，使压电叠堆8带电伸长，此时柔性铰链12发生扭转变形，即可带动基座一、二两层结构相对第三层结构、亦即固定端连接装置9逆时针旋转相应的微小角度(此时基座1的第一、二两层相对静止)。当加工自由曲面时，需要刀架按相应规律做直线进给与旋转运动相结合的较复杂的合成运动，此时需按照一定逻辑顺序控制压电叠堆3、7、8的伸长、缩短量来调节整个运动。
整个伺服刀具驱动装置的工作过程具有严格的时序逻辑，其精密直线运动和精密回转运动的实现完全依赖相应压电叠堆的推力作用。
Claims (6)
1.一种两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，由基座(1)、刀架(2)和驱动元件组成，其特征在于所说的刀架(2)由多个薄壁柔性铰链连接到刚性基座(1)的第一层结构(15)上，所说的基座(1)由三层结构(15、16、17)组成，每层之间通过柔性铰链(11、12)连接；所说的驱动元件由压电叠堆(3、7、8)组成，其中第一压电叠堆(3)平行于刀架的直线进给方向安装，整体安装于基座(1)第一层结构(15)的U型槽中，通过预紧机构预紧，支架(6)为十字架，两个旋转驱动用压电叠堆安装于支架和基座的第一、三层之间，支架(6)沿y轴方向即垂直于刀架的直线进给方向整体置于基座(1)尾端的矩形槽内，并与基座(1)的第二层结构(16)过盈配合，第二压电叠堆(7)沿y轴方向安装于支架(6)与基座的第一层结构(15)之间，第三压电叠堆(8)沿y轴方向安装于支架(6)和基座的第三层结构(17)之间，基座(1)尾端为连接装置(9)，它与基座第三层结构(17)是同一整体。
2.根据权利要求1所述的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其特征在于所说的预紧机构采用自锁式楔形块(4)，其预紧力由螺栓(5)提供，并可沿y方向移动同时产生x方向位移对第一压电叠堆(3)正向预紧反向自锁。
3.根据权利要求1所述的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其特征在于所说的薄壁柔性铰链采用三组，该三组薄壁柔性铰链(10、13、14)与所连接的基座(1)和刀架(2)是同一整体，薄壁柔性铰链通过电火花线切割方式加工而成，在第一压电叠堆(3)的推动作用下，可发生微小弯曲变形，驱动力撤销，回到初始位置。
4.根据权利要求1所述的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其特征在于所说的柔性铰链(11、12)为两组结构相同的薄壁柔性铰链，柔性铰链(11、12)与基座(1)的各层结构为同一整体，各层结构受第二压电叠堆(7)或第三压电叠堆(8)驱动力分别作用而发生相对运动时，柔性铰链(11、12)发生相应的扭转变形，撤销压电叠堆驱动力作用，柔性铰链回到初始位置。
5.根据权利要求1所述的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其特征在于所说的压电叠堆(3、7、8)为可控面型的精密致动元件，通过对第一压电叠堆(3)施加电压时，刀架(2)沿x方向的精密直线运动；分别对第二压电叠堆(7)，第三压电叠堆(8)施加电压时，刀架(2)绕z轴的顺时针转动或逆时针转动。
6.根据权利要求1或4所述的两自由度车削刀具精密伺服驱动装置，其特征在于通过对所说的第二压电叠堆(7)施加电压可以使基座(1)的第一层结构带动刀具相对于静止的第二、三层发生顺时针微小角度的转动；对第三压电叠堆(8)施加电压可以使基座(1)的第一、二两层相对于静止的第三层发生逆时针微小角度的转动。
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