CN103170650A - 介观尺度对象加工用微型车削机床 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种介观尺度对象加工用微型车削机床，机座上设置有两个Z方向进给导轨和两个X方向进给导轨，所述两个Z方向进给导轨之间的机座上设置有凹槽，所述两个X方向进给导轨之间的机座上也设置有凹槽；所述微滑台为两个，一个微滑台与Z方向进给导轨连接，另一个微滑台与X方向进给导轨连接，二者均由压电换能式螺杆机构驱动；主轴座设置在所述Z方向进给导轨的微滑台上；所述电主轴设置在所述主轴座上；所述筒夹设置在所述电主轴的一端；所述刀座设置在所述X方向进给导轨的微滑台上；所述刀具设置在所述刀架上。通过本发明的介观尺度对象加工用微型车削机床，实现了微型车削机床微滑台进给的稳定，且能够在较小空间内实现对微小型工件进行高效率、高精度的车削加工。
Description
技术领域
本发明涉及微型切削加工技术领域，具体涉及一种介观尺度对象加工用微型车削机床。
背景技术
MEMS问世之初，制造加工几乎全部采用硅微工艺和光刻电铸工艺（LIGA），可以批量生产尺度在微米甚至纳米级的微结构和器件，其缺点是体加工能力尤其是高深度比微细结构加工能力有限，需要非常的超净条件和受线宽尺寸的限制，同时LIGA加工需要强射线源，且工艺复杂加工时间长，成本极高。
随着现代制造技术的发展，以传统机械制造技术为背景的微制造技术逐渐进入MEMS制造领域，主要解决微小型系统承载结构件或有特定功能要求结构件的加工制造问题，优势在于能加工包括钢在内的多种材料，能加工任意三维特征的零件，生产效率高且手段灵活。在很多的MEMS中，为提高性能或得到特定性能，必须部分或全部采用金属微结构或器件代替硅微结构来实现，如微小型柔性接触探针、电加工微小电极、微小模具等。这类加工的对象为金属Meso结构或器件，需要解决的问题是在成熟的切削加工、放电加工理论和方法基础上推陈出新，以传统制造工艺技术难以直接实现的机械结构及机械系统完成加工任务。
介观尺度制造作为连接超精密宏观加工和MEMS微观加工的桥梁的观点，已被人们广泛接受。日本MEL研究了机床大幅度小型化的节能效果后发现，机床尺度缩小十倍，动力消耗约降低百倍。同时，制造设备的微型化使得与体积相关的热变形误差、运动部件惯性等都会极大地减小，从而易于达到高速加工和高精度、高刚度运动控制，有利于提高介观尺度加工的精度、质量和生产率。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种介观尺度对象加工用微型车削机床，解决了传统微型车削机床进给单元微滑台通过电机驱动的局限性，具有能够实现在较小空间内对微小型工件进行高效率、高精度的切削加工。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种介观尺度对象加工用微型车削机床，包括：
机座，所述机座上设置有两个Z方向进给导轨和两个X方向进给导轨，所述两个Z方向进给导轨之间的机座上设置有凹槽，所述两个X方向进给导轨之间的机座上也设置有凹槽；
微滑台，所述微滑台为两个，一个微滑台与Z方向进给导轨连接，另一个微滑台与X方向进给导轨连接；
螺杆机构，所述螺杆机构为两个，各与一个微滑台连接，且螺杆机构位于相应的凹槽内，所述螺杆机构用于驱动微滑台移动；
主轴座，所述主轴座设置在所述Z方向进给导轨的微滑台上；
电主轴，所述电主轴设置在所述主轴座上；
筒夹，所述筒夹设置在所述电主轴的一端；
刀座，所述刀座设置在所述X方向进给导轨的微滑台上；
刀架，所述刀架设置在所述刀座上；
刀具，所述刀具设置在所述刀架上。
根据本发明的一个实施例，所述微滑台的两端各设置一个挡板，所述螺杆机构设置在两个挡板之间，所述两个挡板上各设置有一个豁口，所述螺杆机构包括定子和转子，所述定子设置在转子上，所述转子两端通过钢球顶住挡板上的豁口，所述定子的一侧设置有支撑架，所述支撑架设置在所述机座的凹槽内，通过所述定子和转子的相对移动，以实现微滑台的进给。
根据本发明的一个实施例，所述螺杆机构包括定子和转子，所述定子设置在转子上，所述定子相对所述微滑台固定连接，所述转子两端通过设置的支撑架固定在所述机座的凹槽内。
根据本发明的一个实施例，所述定子至少三个，所述至少三个定子形成的整体的两侧各设置有一个支撑板，所述支撑板与所述微滑台连接。
根据本发明的一个实施例，还包括预紧定子，所述一个定子与一个预紧定子错一个角度同轴粘在一起。
根据本发明的一个实施例，所述转子为螺杆，所述定子包括螺母及其螺母套，所述螺母套通过螺母设置在螺杆上。
根据本发明的一个实施例，所述定子与转子之间通过弹性装置预压紧。
根据本发明的一个实施例，所述弹性装置为弹簧或U形弹性片或磁性元件。
根据本发明的一个实施例，所述螺母套的一端设置有压电振子，所述压电振子在受到电压激励的情况下使所述螺母套振动，通过所述螺母套的振动以推动所述螺杆旋转移动。
根据本发明的一个实施例，所述螺母套上设置有4片模式压电晶片，相对设置的2片模式压电晶片为一组，同一组的极化方向相反；所述模式压电晶片在受到电压激励的情况下，通过所述螺母套及其螺母推动所述螺杆旋转移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的介观尺度对象加工用微型车削机床，采用了螺杆机构推动微滑台实现进给，突破了传统驱动电机微型化的瓶颈，从而实现微型车削机床微滑台进给的稳定，能够在较小空间内实现对微小型工件进行高效率、高精度的车削加工。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1示意出了根据本发明一个实施例的介观尺度对象加工用微型车削机床示意图；
图2示意出了根据本发明一个实施例的定子固定的螺杆机构与微滑台的连接方式示意图；
图3示意出了根据本发明一个实施例的转子固定的螺杆机构与微滑台的连接方式示意图；
图4示意出了根据本发明一个实施例的采用面内超声振动驱动的螺杆型进给机构示意图；
图5示意出了根据本发明一个实施例的采用面外超声振动驱动的螺杆型进给机构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例中将以面内超声振动定子固定的螺杆驱动型微型车床为例进行说明，如图1所示，该机床包括主轴单元4、进给单元、控制单元、刀架单元及机座12等。具体而言，所述机座12上设置有两个Z方向进给导轨6和两个X方向进给导轨6，所述两个Z方向进给导轨6之间的机座12上设置有凹槽，所述两个X方向进给导轨6之间的机座12上也设置有凹槽；微滑台11为两个，一个微滑台11与Z方向进给导轨6连接，另一个微滑台11与X方向进给导轨6连接；所述主轴座3设置在所述Z方向进给导轨6的微滑台11上；主轴单元4采用电主轴，提高了切削速度，所述电主轴设置在所述主轴座3上；在电主轴前端安装有筒夹5，用于夹紧工件。
电主轴通过主轴座3固定在微滑台11上。在微滑台11的下方凹槽1内放置螺杆机构2，在微滑台11的底部也开两个凹槽，两个导轨6嵌入微滑台11的凹槽内，导轨6固定在机座12上，起着导向作用。导轨6通过润滑油来润滑，减小摩擦阻力。通过螺杆机构2驱动微滑台11，使得微滑台11实现Z方向进给。
刀架单元由刀架9、刀具8及微滑台11组成，刀架9固定在刀座7上，刀座7通过螺栓固定在微滑台11上。在微滑台11下方凹槽内放置螺杆机构10，在微滑台11的底部开两个凹槽，两个导轨6嵌入微滑台11的凹槽内，导轨6固定在机座12上，起着导向作用。导轨6通过润滑油来润滑，减小摩擦阻力。通过螺杆机构10驱动微滑台11，使得微滑台11实现X方向进给。
如图2所示的实施例中，螺杆机构自身的固定方式为定子固定，螺杆机构与微滑台的连接具体为：在微滑台203两端各加做一个挡板202，在挡板202中间放置一个螺杆机构，螺杆机构的转子207两端通过钢球顶住挡板202上的豁口。螺杆机构的定子205通过双定子206对定子205、转子207之间的螺纹副预紧。在螺杆机构定子205的一侧加做一个支撑架204，将支撑架204通过支撑座209用螺栓固定在机座的凹槽内。将螺杆机构定子205固定后，驱动螺杆机构转子207相对于定子205边旋转边移动。通过螺杆机构转子207相对于定子205的转动和移动，使得微滑台203实现X（Z）方向的进给。
如图4所示的实施例中，螺杆机构定子驱动方式采用面内超声振动驱动，具体而言：螺母套404通过第一螺母403、第二螺母406设置在螺杆402上，螺杆402两端设置有钢球401，螺母套404右端为一组d33模式的压电振子405，每片分为4块两组，相对2块为一组，极化方向相反，受到同一交变电压激励时，一块伸长、一块缩短，使螺母套404产生摇摆振动，左端振幅最大。当全部两组压电片405受2路相差90°的电压激励时，螺母套404左端面会产生盘旋振动，从而驱动精密螺杆402边旋转边移动。改变激励电压的超前滞后关系，螺杆的旋转和移动方向也随之改变。
螺杆机构施加预紧的方式为弹性预紧，采用弹簧或U形弹性片或磁性元件，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。螺杆机构施加预紧的方式为双驱动，在每个微滑台前后各置一套混合驱动机构，采取同步进退方式工作，预紧力预先调整好，恒为常值。螺杆机构定子的驱动方式为面内超声振动驱动或面外超声振动驱动，只要达到共振即可，不一定是超声频率范围，可以是低频（<20000Hz）驱动。
控制单元采用电压-转速、频率-转速双闭环结构。电压-转速控制器调节电压幅值，实现转速稳态控制；频率-转速控制器实现宽调速，并提高响应速度。
实施例2
本实施例中将以面内超声振动转子固定的螺杆驱动型微型车床为例进行说明，如图3所示，将螺杆机构的转子302两端加做一个支撑架307，将支撑架307固定在机座的凹槽内。在螺杆机构转子302上安装三个（或多个）定子305，螺杆机构定子305的预紧方式采用的是双定子预紧，即在定子305的两侧各安装一个定子306，将两个定子错一个小角度同轴粘在一起，对定、转子之间的螺纹副预紧。在螺杆机构定子305两端的预紧定子306两端各加做一个支撑板304，将支撑板304固定在微滑台303上。将螺杆机构转子302固定，驱动螺杆机构使得定子305相对于转子302边旋转边移动。在微滑台303底部开两个凹槽，将导轨301嵌入微滑台303的凹槽内。通过螺杆机构驱动微滑台303，使得微滑台303沿着导轨301实现X（Z）方向进给。
实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中的螺杆机构自身的固定方式为转子固定，而实施例1中螺杆机构自身的固定方式采用的是定子固定，其余则类似于实施例1。
实施例3
本实施例将以面外超声振动定子固定的螺杆驱动型微型车床为例进行说明：
图5给出了该实施例中螺杆机构定子的驱动方式——面外超声振动驱动。如图5所示，4片d31模式压电晶片504均布在螺母套505四周，相对为一组。同组振子极化方向相反，受到同一交变电压激励时，一个伸长、一个缩短，使螺母套505产生同频的摇摆振动。于是，固定在螺母套505左端处的精密细牙螺母503便会推动精密螺杆502边旋转边移动。改变激励电压的超前滞后关系，螺杆的旋转和移动方向也随之改变。
实施例3与实施例2的不同之处在于，实施例2中的螺杆机构定子的驱动方式采用的是面内超声振动驱动，其余则类似于实施例1。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，包括：
机座，所述机座上设置有两个Z方向进给导轨和两个X方向进给导轨，所述两个Z方向进给导轨之间的机座上设置有凹槽，所述两个X方向进给导轨之间的机座上也设置有凹槽；
微滑台，所述微滑台为两个，一个微滑台与Z方向进给导轨连接，另一个微滑台与X方向进给导轨连接；
螺杆机构，所述螺杆机构为两个，各与一个微滑台连接，且螺杆机构位于相应的凹槽内，所述螺杆机构用于驱动微滑台移动；
主轴座，所述主轴座设置在所述Z方向进给导轨的微滑台上；
电主轴，所述电主轴设置在所述主轴座上；
筒夹，所述筒夹设置在所述电主轴的一端；
刀座，所述刀座设置在所述X方向进给导轨的微滑台上；
刀架，所述刀架设置在所述刀座上；
刀具，所述刀具设置在所述刀架上。
2.根据权利要求1所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述微滑台的两端各设置一个挡板，所述螺杆机构设置在两个挡板之间，所述两个挡板上各设置有一个豁口，所述螺杆机构包括定子和转子，所述定子设置在转子上，所述转子两端通过钢球顶住挡板上的豁口，所述定子的一侧设置有支撑架，所述支撑架设置在所述机座的凹槽内，通过所述定子和转子的相对移动，以实现微滑台的进给。
3.根据权利要求1所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述螺杆机构包括定子和转子，所述定子设置在转子上，所述定子相对所述微滑台固定连接，所述转子两端通过设置的支撑架固定在所述机座的凹槽内。
4.根据权利要求3所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述定子至少三个，所述至少三个定子形成的整体的两侧各设置有一个支撑板，所述支撑板与所述微滑台连接。
5.根据权利要求4所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，还包括预紧定子，所述一个定子与一个预紧定子错一个角度同轴粘在一起。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述转子为螺杆，所述定子包括螺母及其螺母套，所述螺母套通过螺母设置在螺杆上。
7.根据权利要求6所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述定子与转子之间通过弹性装置预压紧。
8.根据权利要求7所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述弹性装置为弹簧或U形弹性片或磁性元件。
9. 根据权利要求6所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述螺母套的一端设置有压电振子，所述压电振子在受到电压激励的情况下使所述螺母套振动，通过所述螺母套的振动以推动所述螺杆旋转移动。
10.根据权利要求6所述的介观尺度对象加工用微型车削机床，其特征在于，所述螺母套上设置有4片模式压电晶片，相对设置的2片模式压电晶片为一组，同一组的极化方向相反；所述模式压电晶片在受到电压激励的情况下，通过所述螺母套及其螺母推动所述螺杆旋转移动。
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