CN103128587B - 基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声电机的超精密大行程刀具微动进给装置，超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动，具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、可实现直接驱动和精确定位，超声电机与滚珠丝杠组合在一起，解决了常见的刀具位移进给中进给精度与大行程进给不能同时兼顾问题。本发明中进给采用高精度回转式超声电机与THK导程为2mm的精密滚珠丝杠，检测采用雷尼绍分辨率为5nm高精度测微头与变形系数小的铟钢光栅尺，在导向方面采用THK的直线滚珠导套与光轴保证刀具的直线进给，实现行程为150mm的高精度大行程刀具进给。

Description

基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于超声电机的高精度大行程刀具微动进给及检测装置，属于刀具进给装置技术领域。

背景技术

近年来随着超精密加工、微电子技术、航空宇航等学科的快速发展，对其系统组件的加工精度要求越来越高，而零件的加工精度很大程度上取决于机床位移精度，其中刀具的进给精度又是重中之重。例如在超精密加工中，要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的超光滑，除了必须拥有超精密的机床、高精度和高分辨率的检测仪器、高精度的金刚石刀具和超稳定的加工环境条件以外，还必须具备能够实现精确对刀以及位移误差补偿的精密刀具位移进给装置。

目前，常用的精密刀具微位移进给装置主要有如下几种：

1)基于压电陶瓷的微位移装置，这是一种利用压电陶瓷作为致动元件的微位移装置。与传统的丝杠导轨微位移装置相比，这种微位移装置具有更高的位移精度，同时具有响应速度高、功耗低等优点，因而受到广泛的关注和应用。但由于其柔性铰链结构形式的限制，这种微位移装置工作范围有限，通常在几微米到几十微米范围内，并且切向无承载能力，应用环境比较严格。

2)直线电机，直线电机弥补了前一种微位移装置的不足，同时具有高的精度和大的行程。但是直线电机也存在着不足之处，主要体现在以下两个方面：第一、与同容量旋转电机相比，直线电机(主要是感应式直线电机)的效率和功率因数较小，尤其在低速时比较明显。这一方面是因为直线电机的初次级气隙一般都比旋转电机大，因此所需的磁化电流就较大，损耗增加；另一方面，由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的端部效应，从而引起波形畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，采用直线电机可省去中间传动装置，因此系统总效率往往还是比采用旋转电机要高。第二、直线电机特别是直线感应电机的起动推力受电源电压的影响较大，需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影响。

截至目前，绝大多数实现一维微位移刀具精确进给的位移台都是通过一维位移台组合形成宏微两级位置调整机构，或者通过压电陶瓷+柔性铰链实现刀具精密进给，这样要么极大的增加了二维位移台的体积，要么行程极小。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的不能够实现大行程精密刀具进给及检测的问题。进而提供一种基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置，包括直线滚珠导套、轴套、导向杆、滑动块、刀架框体、连接法兰一，所述导向杆的前后两端固定在刀架框体上，导向杆和刀架框体之间由连接法兰一相连接，滑动块设置在刀架框体内，滑动块两侧的通孔内安装有直线滚珠导套，两个直线滚珠导套通过轴套间隔轴向分布在导向杆上，形成滑动副；所述基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置还包括滚珠丝杠、螺母、连接法兰二、刀具安装杆、刀杆固定环、刀杆锁紧螺母、金刚石刀具、钢珠、刀柄压块、刀柄调整块、读数头安装架、读数头和铟钢光栅尺；所述滚珠丝杠一端伸入滑动块内，滚珠丝杠与滑动块之间设有螺母，滚珠丝杠转动时，螺母带动滑动块沿着滚珠丝杠轴向移动，滚珠丝杠为导程为2mm的精密滚珠丝杠；所述滑动块的前端与连接法兰二的一端相连接，连接法兰二的另一端连接有刀具安装杆，连接法兰二和刀具安装杆之间安装有刀杆固定环和刀杆锁紧螺母；所述金刚石刀具通过钢珠、刀柄压块和刀柄调整块固定在刀具安装杆上，通过钢珠实现了刀具的夹紧与自动调整；所述刀架框体上固定有读数头安装架，读数头安装架上固定有读数头，滑动块上固定有铟钢光栅尺，铟钢光栅尺与读数头相对应。

本发明的有益效果：由于超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动，具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、可实现直接驱动、可实现精确定位的优点，所以超声电机与滚珠丝杠组合在一起，解决了常见的刀具位移进给中进给精度与大行程进给不能同时兼顾问题，安装简单方便。本发明中进给采用高精度回转式超声电机与THK导程为2mm的精密滚珠丝杠，检测采用雷尼绍分辨率为5nm高精度测微头与变形系数小的铟钢光栅尺，在导向方面采用THK的直线滚珠导套与光轴保证刀具的直线进给，通过以上方法实现行程为150mm的高精度大行程刀具进给。

附图说明

图1为基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置主视图；

图2为基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置俯视图；

图3为基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置左视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置，包括直线滚珠导套25、轴套31、导向杆13、滑动块14、刀架框体15和连接法兰一16，所述导向杆13的前后两端固定在刀架框体15上，导向杆13和刀架框体15之间由连接法兰一16相连接，滑动块14设置在刀架框体15内，滑动块14两侧的通孔内安装有直线滚珠导套25，两个直线滚珠导套25通过轴套31间隔轴向分布在导向杆13上，形成滑动副。

进一步的，还包括滚珠丝杠12和螺母11，所述滚珠丝杠12一端伸入滑动块14内，滚珠丝杠12与滑动块14之间设有螺母11，滚珠丝杠12转动时，螺母11带动滑动块14沿着滚珠丝杠12轴向移动。

还包括连接法兰二17、刀具安装杆20、刀杆固定环18和刀杆锁紧螺母19，所述滑动块14的前端与连接法兰二17的一端相连接，连接法兰二17的另一端连接有刀具安装杆20，连接法兰二17和刀具安装杆20之间安装有刀杆固定环18和刀杆锁紧螺母19。

还包括金刚石刀具24、钢珠21、刀柄压块22和刀柄调整块23，所述金刚石刀具24通过钢珠21、刀柄压块22和刀柄调整块23固定在刀具安装杆20上，通过钢珠21实现了刀具的夹紧与自动调整。

还包括轴承座9、超声电机7、角接触球轴承10、电机端盖二5和深沟球轴承4，所述滑动块14后端的刀架框体15上安装有轴承座9，超声电机7的轴与滚珠丝杠12相连接同步转动，超声电机7的轴与轴承座9之间安装有角接触球轴承10，电机端盖二5与超声电机7的轴之间安装有深沟球轴承4。

还包括读数头安装架28、读数头27和光栅尺26，所述刀架框体15上固定有读数头安装架28，读数头安装架28上固定有读数头27，滑动块14上固定有光栅尺26，光栅尺26与读数头27相对应。

还包括刀架转接板29和绝缘片30，所述刀架框体15的下面设有刀架转接板29，刀架框体15和刀架转接板29之间设有绝缘片30，绝缘片30防止外部电源以及信号的干扰。

还包括电机端盖一1、锁紧螺母2和轴承垫圈3，所述锁紧螺母2和轴承垫圈3设置在电机端盖二5后部的凹槽内，所述凹槽外部的电机端盖二5上安装有电机端盖一1。

还包括轴承锁紧环8，所述超声电机7和轴承座9之间连接有轴承锁紧环8。

超声电机7通过锁紧螺钉与滚珠丝杠12上的键槽与滚珠丝杠12连接在一起，带动其进行转动，在转动过程中，超声电机7通过深沟球轴承4、角接触球轴承10防止滚珠丝杠12产生轴向窜动，锁紧螺母和轴承垫圈压紧深沟球轴承4和角接触球轴承10，防止沟球轴承4和角接触球轴承10在运动过程中产生松动或者轴向窜动；螺母11与滚珠丝杠12组成螺纹副，在滚珠丝杠12转动过程中，螺母11带动滑动块14沿轴向方向运动，而导向杆13与直线滚珠导套25所组成的滑动副，则保证了滑动块的滑动方向与直线方向的精度，连接法兰二17通过螺钉与滑动块14连接在一起，而刀具安装杆20则通过连接法兰二17、刀杆固定环18、刀杆锁紧螺母19所组成的螺纹副压紧并锁定刀具安装杆20在轴线方向的位置与周向的转动，超声电机7的外部设有电机外壳6。

在运动过程中的位置检测，通过安装在读数头安装架28上的读数头27读取光栅尺26的数据，形成进给过程的检测和闭环反馈。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置，包括直线滚珠导套、轴套、导向杆、滑动块、刀架框体和连接法兰一，所述导向杆的前后两端固定在刀架框体上，导向杆和刀架框体之间由连接法兰一相连接，滑动块设置在刀架框体内，滑动块两侧的通孔内安装有直线滚珠导套，两个直线滚珠导套通过轴套间隔轴向分布在导向杆上，两个直线滚珠导套与导向杆形成滑动副；其特征在于，所述基于超声电机实现150mm高精度大行程刀具微动进给及检测装置还包括滚珠丝杠、螺母、连接法兰二、刀具安装杆、刀杆固定环、刀杆锁紧螺母、金刚石刀具、钢珠、刀柄压块、刀柄调整块、读数头安装架、读数头、铟钢光栅尺、轴承座、超声电机、角接触球轴承、电机端盖二、深沟球轴承、刀架转接板和绝缘片；所述滚珠丝杠一端伸入滑动块内，滚珠丝杠与滑动块之间设有螺母，滚珠丝杠转动时，螺母带动滑动块沿着滚珠丝杠轴向移动，滚珠丝杠为导程为2mm的精密滚珠丝杠；所述滑动块的前端与连接法兰二的一端相连接，连接法兰二的另一端连接有刀具安装杆，连接法兰二和刀具安装杆之间安装有刀杆固定环和刀杆锁紧螺母；所述金刚石刀具通过钢珠、刀柄压块和刀柄调整块固定在刀具安装杆上，通过钢珠实现了刀具的夹紧与自动调整；所述刀架框体上固定有读数头安装架，读数头安装架上固定有读数头，滑动块上固定有铟钢光栅尺，铟钢光栅尺与读数头相对应；

所述滑动块后端的刀架框体上安装有轴承座，超声电机的轴与滚珠丝杠相连接同步转动，超声电机的轴与轴承座之间安装有角接触球轴承，电机端盖二与超声电机的轴之间安装有深沟球轴承；

所述刀架框体的下面设有刀架转接板，刀架框体和刀架转接板之间设有绝缘片，绝缘片防止外部电源以及信号的干扰。