CN111299703A - 加工装置及精密加工机床 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种加工装置，用于加工多层次微纳结构，包括宏动组件和微动组件，所述宏动组件包括基台、执行平台和多个联动件，所述多个联动件间隔连接于所述基台和所述执行平台之间，通过控制所述多个联动件配合控制所述执行平台相对所述基台移动，所述微动组件设于所述执行平台上，所述微动组件包括刀具平台，所述刀具平台用于设置所述刀具。本申请的加工装置解决了现有超精密加工机床存在的无法用于多层次微纳结构的加工制造的问题以及解决多层次微纳结构表面高精度、高柔性、高效率、大尺度加工的技术瓶颈问题。

Description

加工装置及精密加工机床

技术领域

本申请涉及高精密加工领域，尤其涉及一种加工装置及精密加工机床。

背景技术

超精密加工技术是机械制造的重要领域，直接影响尖端技术和国防、航天航空等重要领域的发展。超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中有着重要地位。当前机械加工的面型不再是单一的平面或者曲面，更有复杂的型面结构，为了实现相应复杂型面结构的特殊性能，需要非常高的加工质量和表面精度。而现有的超精密加工机床无法用于多层次微纳结构的加工制造。

发明内容

本申请提供一种加工装置及精密加工机床，解决了现有超精密加工机床存在的无法用于多层次微纳结构的加工制造的问题。

本申请提供一种加工装置，用于加工多层次复合微纳结构，包括宏动组件和微动组件，所述宏动组件包括基台、执行平台和多个联动件，所述多个联动件间隔连接于所述基台和所述执行平台之间，通过控制所述多个联动件配合控制所述执行平台相对所述基台移动，所述微动组件设于所述执行平台上，所述微动组件包括刀具平台，所述刀具平台用于设置所述刀具。

其中，所述微动组件包括三个伸缩件，其中相邻两个伸缩件的伸缩方向相垂直，三个所述伸缩件的一端连接于所述执行平台上，三个所述伸缩件的另一端共同连接至所述刀具平台上，三个所述伸缩件通过配合控制所述刀具平台的运动方向。

其中，所述刀具平台包括第一表面、第二表面和第三表面，所述第一表面与第二表面连接，所述第三表面连接所述第一表面和第二表面，三个所述伸缩件分别设于所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面。

其中，所述微动组件还包括连接件，所述连接件包括第一连接部、第二连接部和第三连接部，所述第一连接部位于同一平面，所述第三连接部位于的平面与所述第二连接部和第三连接部垂直，三个所述伸缩件远离所述刀具平台的一端分别连接于与其对应的所述第一连接部、所述第二连接部和所述第三连接部，所述连接件远离所述第一表面的面连接于所述执行平台上。

其中，所述伸缩件包括连接的伸缩体和驱动器，所述驱动器连接于所述连接件，所述伸缩体连接于所述刀具平台，所述驱动器用于驱动所述伸缩体在所述伸缩方向移动。

其中，所述驱动器为压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器背离所述连接件的一端与所述伸缩体连接。

其中，所述微动组件还包括用于检测位移信息的位移传感器，所述位移传感器与所述刀具平台连接。

其中，所述加工装置包括控制器，所述控制器与所述位移传感器和所述压电陶瓷驱动器电连接，用于控制所述加工装置定位。

其中，所述刀具平台包括用于装配所述刀具的刀具安装部，所述刀具安装部设于所述刀具平台背向任一所述伸缩件的面上。

本申请还提供一种精密加工机床，包括第一运动组件和第二运动组件，所述第一运动组件和所述第二运动组件相对设置，所述第二运动组件包括支座和设于所述支座上的上述的加工装置，所述刀具与所述第一运动组件相对设置。

本申请的加工装置包括宏动组件和微动组件，所述宏动组件通过多个所述联动件配合控制所述执行平台相对所述基台移动，多个所述联动件使得所述执行平台具有多个自由度，能有效提高加工行程，也即，有效增大刀具的工作范围，以使刀具在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工同时使刀具能够跟随基础面型运动，所述微动组件具有高精度，从而能用于更高层次微纳结构的快速加工，通过将宏动组件跟随基础面型运动和微动组件进行更高层次微纳结构加工的运动配合，在实现大范围加工的同时能有效提高超精密加工机床的精度，从而所述加工装置能用于多层次微纳结构的加工制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种精密加工机床的结构示意图。

图2是刀具的结构示意图。

图3是图2提供的精密加工机床的部分结构示意图。

图4是图3提供的加工装置的宏动组件的结构示意图。

图5是图4提供的宏动组件的联动件的结构示意图。

图6是图5提供的联动件的部分结构示意图。

图7是图3提供的加工装置的微动组件的结构示意图。

图8是图7提供的微动组件的另一角度的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的精密加工机床中，多自由度机器人具有较大的工作范围，存在着精度较差，频带较低，快速响应不足，跟踪薄臂曲面加工能力较差等缺陷。基于柔性铰链的微操作机器人具有高精度，频带较高的优点，但是工作范围小。而只有同时具备工作范围大和高精度两种特性，才能实现复杂多层次微纳结构的加工制造。因此，上述两种机器人均无法单一实现多层次微纳结构的加工制造。

鉴于此，本申请提供了一种精密加工机床100，请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种精密加工机床100的结构示意图。精密加工机床100用于加工复杂的型面结构，也即用于多层次微纳结构。本申请提供的精密加工机床100能有效提高加工行程，也即，有效增大刀具的工作范围，以使刀具在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工，同时精密加工机床100具有高精度，频带较高，从而能用于多层次微纳结构的快速加工，通过本申请实施例提供的精密加工机床100能实现多层次微纳结构的快速加工制造，解决多层次微纳结构表面高精度、高柔性、高效率、大尺度加工的技术瓶颈问题，从而加工出超高精度和质量的多层次微纳结构产品。

请结合参阅图2，图2是刀具的结构示意图。所述精密加工机床100包括第一运动组件10和第二运动组件20，所述第一运动组件10可沿机床X轴方向移动，所述第一运动组件10上设有轴线垂直机床X轴方向的转动轴11，所述转动轴11端部用于装设工件(图未示)。所述第二运动组件20可沿机床Z轴方向移动，所述第二运动组件20包括支座21和设于所述支座21上的加工装置22，所述第一运动组件10和所述第二运动组件20相对设置，设于所述加工装置22上的刀具30与所述工件相对设置。

第一运动组件10包括第一驱动装置(图未示)、第一导轨(图未示)、第一平台12、转动轴承载架13和第二驱动装置(图未示)。所述第一导轨与所述第一平台12连接，所述转动轴承载架13设于所述第一平台12上，所述第一驱动装置驱动第一导轨移动进而带动第一平台12以及设于第一平台12上的转动轴承载架13沿机床X轴方向移动。转动轴11安装于转动轴承载架13上，且转动轴11轴线方向沿所述机床Z轴方向延伸。第二驱动装置电连接于转动轴11，用于驱动转动轴11以一定的角速度进行转动，并调节转动轴11的角速度。

工件通过工件固定装置14装设于转动轴11的端部，工件固定装置14包括固定盘141和工件固定部142，所述工件固定部142可拆卸地装于固定盘141上，固定盘141装于转动轴11的端部。本实施例中，工件固定部142包括且不限于真空吸盘。

第二运动组件20还包括第三驱动装置、第二导轨和第二平台23。所述第二导轨与所述第二平台23连接，所述支座21设于第二平台23上。所述第三驱动装置电连接于第二导轨，用于驱动第二导轨移动进而带动第二平台23和设于第二平台23上的支座21沿机床Z轴方向移动。

所述支座21包括第一板体211、第二板体212和支撑板213，所述第一板体211和所述第二板体212连接且垂直设置，即支座21大体呈“L”型，所述支撑板213设于所述第一板体211和所述第二板体212之间，以提高所述支座21的支撑强度。所述第一板体211垂直于所述第二板体212的表面并且所述第一板体211的底面连接于所述第二平台23上，所述加工装置22设于所述第二板体212背向所述第一板体211的表面上并远离所述第一板体211。本实施例中，所述支撑板213为两个，两个支撑板213间隔设于所述第一板体211和第二板体212之间。所述第一板体211、所述第二板体212和所述支撑体一体成型，以增加所述支座21的整体强度。当前，其他实施例中，所述支撑板213的数量可根据实施需要设置，所述支座21还可以是其他结构，只要能将加工装置22固定在所述第二平台23上即可。

请参阅图3，图3是图1提供的精密加工机床100的部分结构示意图。加工装置22包括宏动组件221和微动组件222，所述宏动组件221包括基台2211、执行平台2212和多个联动件2213，所述多个联动件2213间隔连接于所述基台2211和所述执行平台2212之间，通过控制所述多个联动件2213配合控制所述执行平台2212相对所述基台2211移动。所述基台2211设于所述第二板体212上。所述微动组件222设于所述执行平台2212上，所述微动组件222包括刀具平台2221，所述刀具平台2221用于设置所述刀具30(图2)。本实施例中，所述联动件2213为六个，能有效提高加工行程，也即，有效增大刀具的工作范围，以使刀具在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工刀具30为金刚石刀具30，所述金刚石刀具30具有极高的硬度和耐磨性，能在所述工件的表面加工出精细度较高的型面结构。

当使用精密加工机床100对工件进行多层次微纳结构加工时，首选将刀具30装于微动组件222上，然后通过所述宏动组件221和所述微动组件222配合实现对所述刀具30的自动对刀及刀具6个自由度方向的误差调整，然后对工件进行加工。在对工件进行加工过程中，所述宏动组件221主要负责对所述工件进行型面跟随，可沿着复杂型面的表面运动，也就是说，宏动组件221主要用于基础面型的加工，如自由曲面的加工。所述微动组件222实现对工件型面上微结构的加工，通过微动组件222高频振动在相应自由度方向上产生相应位移，带动刀具30进行小进给量的切削，从而加工出所需型面微结构产品。也即，通过宏动组件221和微动组件222的协同联合致动的方式加工出具有超高精度和质量的多层次微纳结构产品。

本申请的加工装置22包括宏动组件221和微动组件222，所述宏动组件221通过多个所述联动件2213配合控制所述执行平台2212相对所述基台2211移动，多个所述联动件2213并联使得所述执行平台2212具有六个自由度，能有效提高加工行程，也即，有效增大刀具30的工作范围，以使刀具30在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工，同时改善刀具沿X、Y、Z轴的直线偏置及绕这三轴的旋转偏置，所述微动组件222具有高精度，频带较高，从而能用于多层次微纳结构的快速加工。本申请提供的精密加工机床100通过将宏动组件221和微动组件222配合，微动组件222行程范围覆盖宏动组件221的精度范围，也就是说，微动组件222的高速度和高精度补偿了宏动组件221的精度和速度不高的缺陷，宏动组件221补偿了微动组件222工作范围小的缺陷，这样微动组件222可以实现宏动组件221的精度和速度误差补偿，宏动组件221可以实现微动组件222的工作范围补偿，从而提高整个精密加工机床100的速度、精度和工作范围。在实现大范围加工的同时能有效提高超精密加工机床100的速度和精度，从而所述加工装置22能用于多层次微纳结构的加工制造，加工出超高精度和质量的多层次微纳结构产品。且，宏动组件221还能改善刀具30绕各方向(X轴、Y轴和Z轴)的旋转偏置及沿各方向(X轴、Y轴和Z轴)的直线偏置，进一步提高所述精密加工机床100的加工精度。

请参阅图4和图5，图4是图3提供的加工装置22的宏动组件221的结构示意图。图5是图4提供的宏动组件221的联动件2213的结构示意图。本实施例中，所述基台2211和所述执行平台2212均为圆盘状，所述联动件2213包括第一万向节22131、第二万向节22132、活动机构22133和电机22134。所述活动机构22133设于所述第一万向节22131和所述第二万向节22132之间，所述电机22134与所述活动机构22133电连接，以控制所述活动机构22133的伸缩或转动。具体的，所述活动机构22133包括导轨a1、滚珠丝杆a2和滑板a3，所述滑板a3一端滑动连接于所述导轨a1上，另一端与所述第一万向节22131连接，所述电机22134通过带轮b(图6)与所述滚珠丝杆a2连接，通过带轮b的转动以实现所述滚珠丝杆a2的旋转运动，从而所述滚珠丝杆a2带动所述滑板a3在所述导轨a1上滑动，以实现所述活动机构22133的伸缩。所述第一万向节22131连接于所述基台2211上，所述第二万向节22132连接于所述执行平台2212上。所述宏动组件221通过六个联动件2213并联间隔设于所述基台2211和所述执行平台2212之间，通过六个联动件2213配合实现所述执行平台2212相对所述基台2211移动。宏动组件221具有六个自由度，可移动距离大，也即，刀具30的工作范围大，以使刀具30在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工，同时，宏动组件221还能改善刀具30绕各方向(X轴、Y轴和Z轴)的旋转偏置及沿各方向(X轴、Y轴和Z轴)的直线偏置，进一步提高所述精密加工机床100的精度。

请参阅图7和图8，图7是图3提供的加工装置22的微动组件222的结构示意图。图8是图7提供的微动组件222的另一角度的结构示意图。所述微动组件222还包括连接件2222、三个伸缩件，其中相邻两个伸缩件的伸缩方向相垂直，三个所述伸缩件的一端连接于所述执行平台2212上，三个所述伸缩件的另一端共同连接至所述刀具平台2221上，三个所述伸缩件通过配合控制所述刀具平台2221的运动方向。具体的，三个所述伸缩件背向所述刀具平台2221的一端连接于所述连接件2222上，所述连接件2222具有安装面22220，所述安装面22220连接于所述执行平台2212上。换言之，三个所述伸缩件背离所述刀具平台2212的一端通过所述连接件2222连接于所述执行平台2212上。本实施例中，所述安装面22220通过固定件c(图8)固定设于所述执行平台2212上。

本实施例中，三个伸缩件分别为第一伸缩件2223a、第二伸缩件2223b和第三伸缩件2223c，第一伸缩件2223a的伸缩方向为所述机床的X轴方向，第二伸缩件2223b的伸缩方向为所述机床的Z轴方向，第三伸缩件2223c的伸缩方向为所述机床的Y轴方向。本实施例中的微动组件222具有高精度，频带较高，从而能用于多层次微纳结构的快速加工。同时，微动组件222具有三个不同方向上的自由度，从而在工件加工过程中所述微动组件222能补偿宏动组件221及系统运行出现的多方位的误差，有效提高刀具30的精度，进而加工出超高精度和质量的多层次微纳结构产品。也即，微动组件222能在X轴、Y轴和Z轴方向进行更为精准的调整，从而改善刀具30偏置，精度高，大大提高加工质量。

具体的，所述刀具平台2221包括第一表面22211、第二表面22212和第三表面22213，所述第一表面22211与第二表面22212连接，所述第三表面22213连接所述第一表面22211和第二表面22212，三个所述伸缩件分别设于所述第一表面22211、所述第二表面22212和所述第三表面22213，且三个伸缩件相互正交。所述连接件2222包括第一连接部22221、第二连接部22222和第三连接部22223，所述第一连接部22221与所述第二连接部22222位于同一平面，所述第三连接部22223位于的平面与所述第一连接部22221和第二连接部22222垂直，三个所述伸缩件远离所述刀具平台2221的一端分别连接于与其对应的所述第一连接部22221、所述第二连接部22222和所述第三连接部22223，所述连接件2222远离所述第一表面22211的面连接于所述执行平台2212上，即所述连接件2222远离所述第一表面22211的所述安装面22220连接于所述执行平台2212上。换言之，所述第一伸缩件2223a连接于所述第一表面22211和所述第一连接部22221之间，所述第二伸缩件2223b连接于所述第二表面22212和所述第二连接部22222之间，所述第三伸缩件2223c连接于所述第三表面22213和所述第三连接部22223之间。

所述连接件2222与所述第一表面22211相对的位置设有缺口22224，所述缺口22224用于避让所述刀具平台2221以便于所述刀具平台2221在X轴方向的移动。本实施例中，所述刀具平台2221与所述第二表面22212相背的面朝向工件设置，换言之，所述刀具平台2221背离所述连接件2222的表面面向工件设置，以便于所述刀具平台2221在操作时不受所述连接件2222的限制，更便于所述刀具平台2221操作。

本实施例中，每个所述伸缩件的结构均相同，以所述第一伸缩件2223a为例，所述第一伸缩件2223a包括连接的伸缩体22231和驱动器22232，所述驱动器22232连接于所述连接件2222，所述伸缩体22231连接于所述刀具平台2221，所述驱动器22232用于驱动所述伸缩体22231在所述伸缩方向移动。本实施例中，连接件2222、三个伸缩件和刀具平台2221采用弹性材料一体成型，以保证所述微动组件222的整体强度。伸缩体22231为平行四边形的柔性铰链结构。所述驱动器22232为压电陶瓷驱动器22232，所述压电陶瓷驱动器22232背离所述连接件2222的一端与所述伸缩体22231连接。每个伸缩件在驱动器22232的驱动下，实现高频振动，配合宏动组件221的工作范围大的特性，能够快速加工出高精度高质量的多层次微纳结构。可以理解的是，伸缩体22231也可以为柔性弹片等与柔性铰链作用类似的结构。所述驱动器22232还可以是除压电陶瓷驱动其以外的其他驱动器。

所述刀具平台2221包括用于装配所述刀具30的刀具安装部22214，本实施例中，所述刀具安装部22214设于所述刀具平台2221背向所述第三表面22213的表面上，所述刀具安装部22214为凹设于所述刀具平台2221背向所述第三表面22213的表面上的安装槽，所述刀具30通过螺钉锁持于所述刀具平台2221上。换言之，所述刀具30设于所述刀具平台2221未设有伸缩件的表面，从而便于所述刀具30伸出所述刀具平台2221与所述工件相对设置。当然，其他实施例中，所述刀具安装部22214设于所述刀具平台2221背向任一所述伸缩件的面上，所述刀具安装部22214还可以是其他的安装结构。

所述微动组件222还包括用于检测位移信息的位移传感器2224，所述位移传感器2224与所述刀具平台2221连接。具体的，所述位移传感器2224具有三个，三个位移传感器2224分别用于获取刀具平台2221在X轴、Y轴和Z轴上的移动的位移，从而对刀具平台2221的移动进行反馈控制。具体的，通过宏动组件221进行初步定位之后，刀具30接近预定位置，驱动压电陶瓷驱动器22232实现对伸缩体22231控制以将刀具平台2221移动到预定位置，然后位移传感器2224获取刀具平台2221的位移信息，根据其位移信息对刀具平台2221进行微调，以使刀具平台2221准确移动到预定位置。通过位移传感器2224对刀具平台2221的位移进行检测从而保证在加工工程中，刀具平台2221能带动刀具30准确移动到预定位置，有效提高精密加工机床100的精度，进而加工出超高精度和质量的多层次微纳结构产品。

所述加工装置22还包括控制器(图未示)，所述控制器与所述位移传感器2224和所述压电陶瓷驱动器22232电连接，用于控制所述加工装置22定位，实现精密加工机床100的自动化，提高生产效率降低人工成本。

本申请的加工装置22包括宏动组件221和微动组件222，所述宏动组件221通过多个所述联动件2213配合控制所述执行平台2212相对所述基台2211移动，多个所述联动件2213使得所述执行平台2212具有多个自由度，能有效提高加工行程，也即，有效增大刀具30的工作范围，以使刀具30在加工过程中能实现更大范围的基础面型的加工，所述微动组件222具有高精度，频带较高，从而能用于多层次微纳结构的快速加工。本申请提供的精密加工机床100通过将宏动组件221跟随基础面型运动和微动组件222进行更高层次微纳结构加工的运动配合，微动组件222行程范围覆盖宏动组件221的精度范围，也就是说，微动组件222的高速度和高精度补偿了宏动组件221的精度和速度不高的缺陷，宏动组件221补偿了微动组件222工作范围小的缺陷，这样微动组件222可以实现宏动组件221的精度和速度误差补偿，宏动组件221可以实现微动组件222的工作范围补偿，从而提高整个精密加工机床100的速度、精度和工作范围。在实现大范围加工的同时能有效提高超精密加工机床100的速度和精度，从而所述加工装置22能用于更高层次微纳结构的加工制造，加工出超高精度和质量的多层次微纳结构产品。且，宏动组件221还能改善刀具30绕各方向(X轴、Y轴和Z轴)的旋转偏置，进一步提高所述精密加工机床100的精度。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种加工装置，用于加工多层次微纳结构，其特征在于，包括宏动组件和微动组件，所述宏动组件包括基台、执行平台和多个联动件，所述多个联动件间隔连接于所述基台和所述执行平台之间，通过控制所述多个联动件配合控制所述执行平台相对所述基台移动，所述微动组件设于所述执行平台上，所述微动组件包括刀具平台，所述刀具平台用于设置所述刀具。

2.如权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述微动组件包括三个伸缩件，其中相邻两个伸缩件的伸缩方向相垂直，三个所述伸缩件的一端连接于所述执行平台上，三个所述伸缩件的另一端共同连接至所述刀具平台上，三个所述伸缩件通过配合控制所述刀具平台的运动方向。

3.如权利要求2所述的加工装置，其特征在于，所述刀具平台包括第一表面、第二表面和第三表面，所述第一表面与第二表面连接，所述第三表面连接所述第一表面和第二表面，三个所述伸缩件分别设于所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面。

4.如权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述微动组件还包括连接件，所述连接件包括第一连接部、第二连接部和第三连接部，所述第一连接部位于同一平面，所述第三连接部位于的平面与所述第二连接部和第三连接部垂直，三个所述伸缩件远离所述刀具平台的一端分别连接于与其对应的所述第一连接部、所述第二连接部和所述第三连接部，所述连接件远离所述第一表面的面连接于所述执行平台上。

5.如权利要求4所述的加工装置，其特征在于，所述伸缩件包括连接的伸缩体和驱动器，所述驱动器连接于所述连接件，所述伸缩体连接于所述刀具平台，所述驱动器用于驱动所述伸缩体在所述伸缩方向移动。

6.如权利要求5所述的加工装置，其特征在于，所述驱动器为压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器背离所述连接件的一端与所述伸缩体连接。

7.如权利要求6所述的加工装置，其特征在于，所述微动组件还包括用于检测位移信息的位移传感器，所述位移传感器与所述刀具平台连接。

8.如权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置包括控制器，所述控制器与所述位移传感器和所述压电陶瓷驱动器电连接，用于控制所述加工装置定位。

9.如权利要求8所述的加工装置，其特征在于，所述刀具平台包括用于装配所述刀具的刀具安装部，所述刀具安装部设于所述刀具平台背向任一所述伸缩件的面上。

10.一种精密加工机床，其特征在于，包括第一运动组件和第二运动组件，所述第一运动组件和所述第二运动组件相对设置，所述第二运动组件包括支座和设于所述支座上的如权利要求1-9任一项所述的加工装置，所述刀具与所述第一运动组件相对设置。

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