CN109759855B - 一种三维超声纳米振动辅助加工平台 - Google Patents
一种三维超声纳米振动辅助加工平台 Download PDFInfo
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Abstract
一种三维超声纳米振动辅助加工平台，包括矩形体基座，所述矩形体基座的一个上端角与所对称的下端角之间贯穿的设置有超声振动平台，所述超声振动平台的平台端嵌在所述的上端角内，所述超声振动平台的尾端通过预紧螺母连接在所述的下端角处，所述平台端与所述的矩形体基座为过盈配合，所述平台端在与所述矩形体基座相邻的面之间分别设置有一组为超声振动平台提供振动的振动机构，各振动机构之间为相互垂直。本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，采用单根悬臂梁支撑，结构简单、紧凑，并通过与基座进行过盈配合，能够有效提高超声振动平台的一阶固有频率，从而保证超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工平台。特别是涉及一种三维超声纳米振动辅助加工平台。
背景技术
随着纳米器件在航空航天、生物医疗、半导体等领域的广泛应用，对纳米加工的能力也提出了更高的要求。在纳米加工领域，光刻加工、电子束加工、聚集离子束加工等加工方法，由于仪器成本、加工环境的限制，更适合于产品的大批量生产。而基于原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)探针的纳米刻划加工方法，由于其原理简单、简单易行、仪器成本低、且可在实验室环境中实现的优势，更适合进行小批量的样件的加工。但原子力显微镜是作为表面的测量表征设备，直接将其用于纳米加工时，存在一些固有的局限性，比如加工精细度有限，仅在数十纳米级别；加工深度有限，在刻划较硬材料时，最深不超过几十纳米；加工速度低等。所以，基于原子力显微镜探针的纳米加工方法在加工能力上的局限性限制了它的加工效率和应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率特性的三维超声纳米振动辅助加工平台。
本发明所采用的技术方案是：一种三维超声纳米振动辅助加工平台，包括矩形体基座，所述矩形体基座的一个上端角与所对称的下端角之间贯穿的设置有超声振动平台，所述超声振动平台的平台端嵌在所述的上端角内，所述超声振动平台的尾端通过预紧螺母连接在所述的下端角处，所述平台端与所述的矩形体基座为过盈配合，所述平台端在与所述矩形体基座相邻的面之间分别设置有一组为超声振动平台提供振动的振动机构，各振动机构之间为相互垂直。
所述的矩形体基座在一个上端角与所对称的下端角之间形成有贯通孔，所述贯通孔的轴线与所述矩形体基座的底面成45度夹角，所述矩形体基座在贯通孔的上端口处形成具有三个相互垂直的端面的凹槽，所述矩形体基座在贯通孔的下端口处为斜面结构，所述超声振动平台的平台端嵌在所述的凹槽内，所述的超声振动平台的尾端从所述贯通孔的上端口贯穿所述的贯通孔伸出所述的斜面结构与位于贯通孔外侧的预紧螺母螺纹连接。
所述矩形体基座的底面形成有用于与外部设备相连的螺孔。
每一组所述的振动机构包括有压电陶瓷片和半球形连接片，所述压电陶瓷片的一侧面与所述的半球形连接片的平面侧连接，所述压电陶瓷片的另一侧面与所述的矩形体基座对接，所述半球形连接片的半球面侧与所述的超声振动平台的平台端形成点接触。
本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，采用单根悬臂梁支撑，结构简单、紧凑，并通过与基座进行过盈配合，能够有效提高超声振动平台的一阶固有频率，从而保证超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围；采用空间正交布置的三个压电陶瓷片对超声振动平台进行X/Y/Z方向的驱动，可为超声振动平台的提供多种可调的一维、二维、甚至三维的高频(最大可达数MHz)的振动形式，适应不同材料、不同机理的加工需求；压电陶瓷片与超声振动平台之间采用半球形垫片连接，可以有效消除由加工或装配误差导致的对压电陶瓷片的弯矩，防止压电陶瓷片在工作过程中发生破坏；采用预紧固定环对超声振动平台的固定进行预紧，可通过拉伸应力强化原理进一步提高超声振动平台的一阶固有频率。
附图说明
图1是本发明一种三维超声纳米振动辅助加工平台的外部结构示意图；
图2是本发明一种三维超声纳米振动辅助加工平台的内部结构示意图。
图中，
1：矩形体基座 2：超声振动平台
2.1：平台端 2.2：尾端
3：压电陶瓷片 4：半球形连接片
5：压电陶瓷片 6：半球形连接片
7：压电陶瓷片 8：半球形连接片
9：预紧螺母 10：凹槽
11：贯通孔 12：螺孔
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，包括矩形体基座1，所述矩形体基座1的一个上端角与所对称的下端角之间贯穿的设置有超声振动平台2，所述超声振动平台2的平台端2.1嵌在所述的上端角内，所述超声振动平台2的尾端2.2通过预紧螺母9连接在所述的下端角处，所述平台端2.1与所述的矩形体基座1为过盈配合，所述平台端2.1在与所述矩形体基座1相邻的面之间分别设置有一组为超声振动平台2提供振动的振动机构，各振动机构之间为相互垂直。所述矩形体基座1的底面形成有用于与外部设备相连的螺孔12。
如图2所示，所述的矩形体基座1在一个上端角与所对称的下端角之间形成有贯通孔11，所述贯通孔11的轴线与所述矩形体基座1的底面成45度夹角，所述矩形体基座1在贯通孔11的上端口处形成具有三个相互垂直的端面的凹槽10，所述矩形体基座1在贯通孔11的下端口处为斜面结构，所述超声振动平台2的平台端2.1嵌在所述的凹槽10内，所述的超声振动平台2的尾端2.2从所述贯通孔11的上端口贯穿所述的贯通孔11伸出所述的斜面结构与位于贯通孔11外侧的预紧螺母9螺纹连接。
如图1、图2所示，每一组所述的振动机构包括有压电陶瓷片3/5/7和半球形连接片4/6/8，所述压电陶瓷片3/5/7的一侧面与所述的半球形连接片4/6/8的平面侧连接，所述压电陶瓷片3/5/7的另一侧面与所述的矩形体基座1对接，所述半球形连接片4/6/8的半球面侧与所述的超声振动平台2的平台端2.1形成点接触。在超声振动平台2工作过程中，所述压电陶瓷片3/5/7分别对超声振动平台2三个方向上的振动单独或配合地提供振动输入，从而实现一维/二维/三维振型的超声振动的输出。半球形连接片4/6/8与超声振动平台2的点接触，实现压电陶瓷片3/5/7与超声振动平台之间的点接触，从而消除由于加工或装配误差导致的压电陶瓷片3/5/7的弯矩，并对三个方向上的输入振动进行解耦。
本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，可有效提高超声振动平台的一阶固有频率，以及超声振动平台辅助加工的可调频率范围。
本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台的工作原理：
三个所述压电陶瓷片3、5、7相互垂直的布置于超声振动平台2的X/Y/Z三个方向上，在超声振动平台工作过程中，所述压电陶瓷片分别对超声振动平台三个方向上的振动单独或配合地提供振动输入，从而实现一维/二维/三维振型的超声振动的输出。
三个所述压电陶瓷片3、5、7与所述超声振动平台2之间采用三个半球形连接片4、6、8进行连接，实现压电陶瓷片与超声振动平台之间的点接触，从而消除由于加工或装配误差导致的对压电陶瓷片的弯矩，并对三个方向上的输入振动进行解耦。
综上所述，本发明的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，能够提供高精度、高频率的三维超声纳米振动，具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率的特性。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种三维超声纳米振动辅助加工平台，包括矩形体基座(1)，其特征在于，所述矩形体基座(1)的一个上端角与所对称的下端角之间贯穿的设置有超声振动平台(2)，所述超声振动平台(2)的平台端(2.1)嵌在所述的上端角内，所述超声振动平台(2)的尾端(2.2)通过预紧螺母(9)连接在所述的下端角处，所述平台端(2.1)与所述的矩形体基座(1)为过盈配合，所述平台端(2.1)在与所述矩形体基座(1)相邻的面之间分别设置有一组为超声振动平台(2)提供振动的振动机构，各振动机构之间为相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，其特征在于，所述的矩形体基座(1)在一个上端角与所对称的下端角之间形成有贯通孔(11)，所述贯通孔(11)的轴线与所述矩形体基座(1)的底面成45度夹角，所述矩形体基座(1)在贯通孔(11)的上端口处形成具有三个相互垂直的端面的凹槽(10)，所述矩形体基座(1)在贯通孔(11)的下端口处为斜面结构，所述超声振动平台(2)的平台端(2.1)嵌在所述的凹槽(10)内，所述的超声振动平台(2)的尾端(2.2)从所述贯通孔(11)的上端口贯穿所述的贯通孔(11)伸出所述的斜面结构与位于贯通孔(11)外侧的预紧螺母(9)螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，其特征在于，所述矩形体基座(1)的底面形成有用于与外部设备相连的螺孔(12)。
4.根据权利要求1所述的一种三维超声纳米振动辅助加工平台，其特征在于，每一组所述的振动机构包括有压电陶瓷片(3/5/7)和半球形连接片(4/6/8)，所述压电陶瓷片(3/5/7)的一侧面与所述的半球形连接片(4/6/8)的平面侧连接，所述压电陶瓷片(3/5/7)的另一侧面与所述的矩形体基座(1)对接，所述半球形连接片(4/6/8)的半球面侧与所述的超声振动平台(2)的平台端(2.1)形成点接触。
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