CN110757250B - 一种超高精度的定位调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高精度的定位调节装置，包括：横截面呈环形的压电陶瓷、柔性铰链、垫块和位移传感器，所述柔性铰链、垫块上均开设有与压电陶瓷外径相匹配的环形凹槽，所述环形凹槽用于限位支撑所述压电陶瓷的端部以对压电陶瓷进行轴向、径向定位，还包括调节支架，所述调节支架上安装有固定盖，所述固定盖的中部设有的柱体部，所述柱体部与贯穿在压电陶瓷内的位移传感器的端部接触，用于对所述位移传感器进行轴向定位。通过上述方式，本发明能够实现对压电陶瓷和位移传感器的轴向、径向定位，确保位移传感器的轴心线与压电陶瓷的轴心线平行，从而提高位移传感器的检测精度。

Description

一种超高精度的定位调节装置

技术领域

本发明涉及超高精度机械加工技术领域，特别是涉及一种超高精度的定位调节装置。

背景技术

由于精确运动控制和测量/高精度加工刀具的进步，当前的超精度切割/研磨加工技术已经能够容易地以亚微米级以下的精度来执行加工。基于该高精度加工技术，申请号为200810188113.3的中国专利公开了一种加工装置，包括刀具，使刀具轻微转动的致动器、支撑致动器的壳体、设置在壳体内并向致动器施加预载荷的预载荷机构(头部件和弹性支撑件)、设置在刀具和预载荷机构之间的力传感器、检测刀具相对于壳体的位移的位移传感器以及驱动致动器的控制器。然而在实际运用中发现，该技术还存在如下缺陷：如图1所示，安装致动器时在径向没有定位基准：仅仅依靠预载荷机构的头部件接触面和壳体内部端面径向轴向定位和锁紧，同时预载荷机构的头部件接触面和壳体内部端面提供摩擦力在径向固定致动器，此时摩擦固定不能保证致动器轴心和刀具受力方向同心，切割加工时致动器受到弯矩作用，降低其使用寿命；如图2所示，位移传感器在轴向上没有定位：加工过程中的振动、冲击、温升等因素容易导致位移传感器位置变动，使得测量读书不准确；现有技术方案中位移传感器安装在末端盖件的通孔中，位移传感器外径和通孔内径“轴孔”配合安装，由于高精度传感器不能使用木槌等敲击安装，位移传感器和通孔为间隙配合，该配合下仅有少量摩擦对位移传感器进行轴向固定，在加工装置搬运以及正常加工时，位移传感器位置会发生变动，导致读数不准确。

鉴于此，需要进一步改进现有加工装置结构，降低装配难度，并提高检测精准度及提高致动器使用寿命。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种超高精度的定位调节装置，便于安装定位，能够实现对致动器的径向定位及位移传感器的轴向定位，以更可靠地确保检测精度，并能够提高致动器使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超高精度的定位调节装置，包括：基座，安装在基座内的致动器、位移传感器，以及安装在基座一侧面上的预载荷机构，所述预载荷机构用于向所述致动器施加预载荷，所述位移传感器用于检测所述致动器的振动位移量，所述致动器为横截面呈环形的压电陶瓷，所述预载荷机构为柔性铰链，所述基座内还固定有垫块，所述柔性铰链、垫块上均开设有与压电陶瓷外径相匹配的环形凹槽，所述环形凹槽用于限位支撑所述压电陶瓷的端部以对压电陶瓷进行轴向、径向定位，所述基座的另一侧面上还安装有调节支架，所述调节支架上安装有固定盖，所述固定盖的中部设有延伸至基座内部的柱体部，所述柱体部与贯穿在压电陶瓷内的位移传感器的端部接触，用于对所述位移传感器进行轴向定位。

在本发明一个较佳实施例中，所述基座内开设有水平向贯通的安装孔，所述安装孔内设有柔性铰链安装部、垫块安装部、压电陶瓷安装部、调节支架安装部，所述基座的壳壁上开设有第一调节螺纹孔，所述第一调节螺纹孔与安装孔贯通。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一调节螺纹孔有若干个，分别垂直正对于柔性铰链安装部和垫块安装部。

在本发明一个较佳实施例中，所述柔性铰链呈圆形，其中部设有凸台，所述凸台外径与所述柔性铰链安装部的孔径相匹配，其中一个所述环形凹槽开设在所述凸台上。

在本发明一个较佳实施例中，所述柔性铰链的端面上还开设有引线过孔和定位销孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述垫块也呈圆形，所述垫块的外径与垫块安装部的孔径相匹配，所述垫块的圆周壁上开设有一组沿中心对称的冷却回路过孔，所述垫块的中部开设有容位移传感器贯穿的通孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述调节支架包括端面及从端面中部延伸至调节支架安装部内的套筒部，所述固定盖的柱体部伸入在所述套筒部内并与套筒部配合形成夹紧间隙。

在本发明一个较佳实施例中，所述位移传感器安装在位移传感器套筒内，所述位移传感器套筒贯穿在所述压电陶瓷内，其端部伸入至调节支架安装部内并插入至所述夹紧间隙。

在本发明一个较佳实施例中，所述调节支架的端面的同一圆周上开设有三个第二调节螺纹孔和三个连接孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述超高精度的定位调节装置还包括冷却回路，所述冷却回路缠绕在所述压电陶瓷上。

本发明的有益效果是：本发明通过柔性铰链、垫块上的环形凹槽对压电陶瓷进行轴向、径向定位，能够保证压电陶瓷和刀具同心，切削时压电陶瓷不受弯矩作用，提高使用寿命；通过固定盖上的柱体部对位移传感器的端部进行轴向支撑，即实现对位移传感器的轴向定位，从而能够避免加工过程中位移传感器位置变动而影响读数的情况；

此外本发明还在基座壳壁上开设第一调节螺纹孔，在调节支架端面上开设三个第二调节螺纹孔，通过调节螺钉可以分别微调柔性铰链、垫块在基座内的安装位置以及微调调节支架相对于基座的安装位置，从而实现对压电陶瓷、位移传感器的微调，降低压电陶瓷、位移传感器的装配难度，确保压电陶瓷的轴心线与位移传感器的轴心线平行；

另外，可以通过在压电陶瓷外壁上设置冷却回路，从而降低压电陶瓷高频振动时的热量，提高压电陶瓷的寿命和保证加工效果。

附图说明

图1是现有加工装置中致动器(压电陶瓷)径向无定位安装状态图；

图2是现有加工装置中位移传感器轴向无定位安装状态图；

图3是本发明一种超高精度的定位调节装置的主视图；

图4是图3所示A-A面剖视图；

图5是图3所示的基座的立体结构示意图；

图6是图3所示的基座内部结构爆炸图；

图7是图6所示的柔性铰链的主视图；

图8是图7所示的A-A面剖视图；

图9是图6所示的垫块的主视图；

图10是图9所示的A-A面剖视图；

图11是图6所示的调节支架的立体结构示意图；

图12是图11的主视图；

图13是图6所示的固定盖的立体结构示意图；

图14是图13的主视图；

图15是图6所示的冷却回路示意图；

附图中各部件的标记如下：1、基座，11、安装孔，12、第一调节螺纹孔，2、压电陶瓷，3、位移传感器，4、柔性铰链，41/51、环形凹槽，42、引线过孔，43、定位销孔，5、垫块，52、冷却回路过孔，53、通孔，6、调节支架，61、套筒部，62、端面，621、第二螺纹孔，622、连接孔7、固定盖，71、柱体部，8、位移传感器套筒，9、冷却回路，100、调节螺钉，200、紧固螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参考图3～图6，本发明包括：

一种超高精度的定位调节装置，包括：基座1，安装在基座1内的致动器、位移传感器3，以及安装在基座1一侧面上的预载荷机构，所述预载荷机构用于向所述致动器施加预载荷，所述位移传感器3用于检测所述致动器的振动位移量；

本实施例中，所述致动器为横截面呈环形的压电陶瓷2，所述预载荷机构为柔性铰链4，所述基座1内还固定有垫块5，所述柔性铰链4、垫块5上均开设有与压电陶瓷2外径相匹配的环形凹槽41、51，所述环形凹槽41、51用于限位支撑所述压电陶瓷2的端部以对压电陶瓷2进行轴向、径向定位，所述基座1的另一侧面上还安装有调节支架6，所述调节支架6上安装有固定盖7，所述固定盖7的中部设有延伸至基座内部的柱体部71，所述柱体部71与贯穿在压电陶瓷2内的位移传感器3的端部接触，用于对所述位移传感器3进行轴向定位。

继续参考图5，所述基座1内开设有水平向贯通的安装孔11，所述安装孔11内设有柔性铰链安装部、垫块安装部、压电陶瓷安装部、调节支架安装部，所述基座1的壳壁上还开设有第一调节螺纹孔12，所述第一调节螺纹孔12与安装孔11贯通；

具体地，所述第一调节螺纹孔12有若干个，分别垂直正对于柔性铰链安装部和垫块安装部，通过调节螺钉穿入所述第一调节螺纹孔12，可以分别微调安装在柔性铰链安装部上的柔性铰4、安装在垫块安装部上的垫块5的装配位置，以确保压电陶瓷2的装配水平度。

参考图7、图8，所述柔性铰链4呈圆形，其中部设有凸台，所述凸台外径小于柔性铰链安装部的孔径，凸台安装在所述柔性铰链安装部内并用螺丝与基座1固定在一起，其中一个所述环形凹槽41开设在所述凸台上；所述柔性铰链4的端面上还开设有引线过孔42和定位销孔43；所述定位销孔43用于连接刀具并对刀具进行定位。

参考图9、图10，所述垫块5也呈圆形，所述垫块5的外径与垫块安装部的孔径相匹配，所述垫块5的圆周壁上开设有一组沿中心对称的冷却回路过孔52，所述垫块5的中部开设有容位移传感器3贯穿的通孔53。

参考图11～图14，所述调节支架6包括端面62及从端面62中部延伸至调节支架安装部内的套筒部61，所述固定盖7的柱体部71伸入在所述套筒部61内并与套筒部61配合形成夹紧间隙。

继续参考图4、图8，所述位移传感器3安装在位移传感器套筒8内，所述位移传感器套筒8贯穿在所述压电陶瓷2内，其端部伸入至调节支架安装部内并插入至所述夹紧间隙，由所述夹紧间隙对所述位移传感器套筒8进行径向限位，以实现对位移传感器3的径向限位；而位于位移传感器套筒8内的位移传感器3的端面抵触在固定盖7的柱体部71上，由所述柱体部71实现对位移传感器3的轴向定位；以此通过套筒部61、柱体部71以及位移传感器套筒8相互配合的结构设计，完成对位移传感器3的轴向、进行定位。

继续参考图11和图12，所述调节支架6的端面62的同一圆周上开设有三个第二螺纹孔621和三个连接孔622；调节螺钉穿过所述第二螺纹孔621用于调节所述调节支架6的配置位置，以确保套筒部61及柱体部71处于水平状态下，确保由套筒部61及柱体部71定位的位移传感器3的轴心线与压电陶瓷2的轴心线相平行，从而进一步提高位移传感器3读数的精准性。

继续参考图13，现有技术中没有冷却回路设计，压电陶瓷3在中高频工作状态的升热会降低使用寿命、影响加工效果，本实施例中，所述超高精度的定位调节装置还包括冷却回路9，所述冷却回路9缠绕在所述压电陶瓷2上，从而降低压电陶瓷高频振动时的热量，提高压电陶瓷的寿命和保证加工效果。

下面继续参考图4～6，阐述本发明超高精度的定位调节装置的配装，具体包括如下步骤：

步骤一、将垫块5安装于基座1中，并通过螺钉紧固，然后装入压电陶瓷2；垫块5上设有环形凹槽51，压电陶瓷2的端部限位在所述环形凹槽51内，并且所述压电陶瓷2的端部与环形凹槽51间隙配合；然后将柔性铰链4安装在基座1的一侧壁上，并使压电陶瓷2的另一端部限位在柔性铰链4上的环形凹槽41内，然后采用调节螺钉旋入基座1壳体上的第一调节螺纹孔12内，分别对柔性铰链4、垫块5进行微调，确保柔性铰链4的轴心线和压电陶瓷2的轴心线在同一水平直线上，以确保后续在柔性铰链4上固定的刀具的切割力方向与压电陶瓷2的轴心线在同一直线上，使切割时压电陶瓷2不受弯矩作用；

步骤二、将位移传感器3装在位移传感器套筒8内，然后将位移传感器套筒8装入调节支架6的套筒部61中，再将固定盖7也装入套筒部61，并使固定盖7上的柱体部71与套筒部61相配合夹紧固定位移传感器套筒8，此时位移传感器3的端部抵触在柱体部71上，完成位移传感器3的轴向定位；最后将调节支架6安装到基座1的另一侧壁上，即完成本发明装置的装配。

此外，现有技术中不能实现位移传感器3、压电陶瓷2在装配过程中的微调，对于装置中有装配关系的零件尺寸要求很高，但是如果位移传感器3的轴心线不平行于压电陶瓷2轴心线，位移传感器3会产生读数误差，基于此，下面具体阐述利用调节支架6对位移传感器3进行精度调整方法，包括：

将步骤一、二安装好的装置水平固定在大理石平台或光学平台上，设置外部位移传感器探测刀具水平位移；

给压电陶瓷2信号使之振动以带动刀具产生位移，此时外部位移传感器读出刀具位移，位移传感器3读出柔性铰链4位移，当位移传感器3的轴心线与压电陶瓷2的轴心线保持同一水平度时，外部位移传感器读数与位移传感器3读数相同；

如外部位移传感器读数与位移传感器3读数不同时，需要通过调节支架6微调位移传感器3，以确保位移传感器3的轴心线与压电陶瓷2的轴心线相平行，具体为：

旋动调节支架6上面的三个调节螺钉100，使三个调节螺钉100头部均与基座1侧面接触，然后通过紧固螺钉200将调节支架固定在基座1上，通过这种方式可以纠正调节支架6上套筒部61加工时公差较大而导致位移传感器3的轴心线不平行于压电陶瓷2的轴心线的情况，基于此微调纠偏功能，可以降低对装置上用于配套位移传感器3处的结构的加工精度，以降低对装置的加工成本。

综上所述，本发明具有如下创新及效果：

①结构上增加压电陶瓷安装时的径向定位基准，保证了刀具和压电陶瓷同心，切削时压电陶瓷不受弯矩作用，提高使用寿命；

②结构上增加位移传感器的轴向定位基准，不会在装置搬运和加工过程中产生位移传感器位置变动影响读数的情况；

③实现传感器、压电陶瓷在装配过程的微调，降低装配难度；并且可以适当降低装置中有装配关系的零件尺寸公差要求，降低加工成本；

④设计的冷却回路可以维持促动元件恒温，提高装备使用寿命和保障加工效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超高精度的定位调节装置，包括：基座，安装在基座（1）内的致动器、位移传感器（3），以及安装在基座（1）一侧面上的预载荷机构，所述预载荷机构用于向所述致动器施加预载荷，所述位移传感器（3）用于检测所述致动器的振动位移量，其特征在于，所述致动器为横截面呈环形的压电陶瓷（2），所述预载荷机构为柔性铰链（4），所述基座（1）内还固定有垫块（5），所述柔性铰链（4）、垫块（5）上均开设有与压电陶瓷（2）外径相匹配的环形凹槽（41、51），所述环形凹槽（41、51）用于限位支撑所述压电陶瓷（2）的端部以对压电陶瓷（2）进行轴向、径向定位，所述基座（1）的另一侧面上还安装有调节支架（6），所述调节支架（6）上安装有固定盖（7），所述固定盖（7）的中部设有延伸至基座（1）内部的柱体部（71），所述柱体部（71）与贯穿在压电陶瓷（2）内的位移传感器（3）的端部接触，用于对所述位移传感器（3）进行轴向定位；所述基座（1）内开设有水平向贯通的安装孔（11），所述安装孔（11）内设有柔性铰链安装部、垫块安装部、压电陶瓷安装部、调节支架安装部，所述基座（1）的壳壁上开设有第一调节螺纹孔（12），所述第一调节螺纹孔（12）与安装孔（11）贯通；所述第一调节螺纹孔（12）有若干个，分别垂直正对于柔性铰链安装部和垫块安装部；

所述调节支架（6）包括端面（62）及从端面（62）中部延伸至调节支架安装部内的套筒部（61），所述固定盖（7）的柱体部（71）伸入在所述套筒部（61）内并与套筒部（61）配合形成夹紧间隙；

所述位移传感器（3）安装在位移传感器套筒（8）内，所述位移传感器套筒（8）贯穿在所述压电陶瓷（2）内，其端部伸入至调节支架安装部内并插入至所述夹紧间隙。

2.根据权利要求1所述的超高精度的定位调节装置，其特征在于，所述柔性铰链（4）呈圆形，其中部设有凸台，所述凸台外径与所述柔性铰链安装部的孔径相匹配，其中一个所述环形凹槽（41）开设在所述凸台上。

3.根据权利要求2所述的超高精度的定位调节装置，其特征在于，所述柔性铰链（4）的端面上还开设有引线过孔（42）和定位销孔（43）。

4.根据权利要求1所述的超高精度的定位调节装置，其特征在于，所述垫块（5）也呈圆形，所述垫块（5）的外径与垫块安装部的孔径相匹配，所述垫块（5）的圆周壁上开设有一组沿中心对称的冷却回路过孔（52），所述垫块（5）的中部开设有容位移传感器（3）贯穿的通孔（53）。

5.根据权利要求1所述的超高精度的定位调节装置，其特征在于，所述调节支架（6）的端面（62）的同一圆周上开设有三个第二调节螺纹孔（621）和三个连接孔（622）。

6.根据权利要求1~5之一所述的超高精度的定位调节装置，其特征在于，还包括冷却回路（9），所述冷却回路（9）缠绕在所述压电陶瓷（2）上。