CN113145941A - 一种带力感知功能的样品微动定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种新型的带力感知功能的样品微动定位装置，其包括主框架、样品定位机构、宏微联动导向机构、第一导向机构以及第二导向机构。其中，宏微联动导向机构包括固定部、运动部、第一导向机构和第二导向机构；固定部和运动部之间设置有压电陶瓷驱动器，施加电压使得压电陶瓷驱动器产生位移并在Z轴方向带动运动部；第一导向机构包括第一柔性铰链组；第二导向机构包括第二柔性铰链组和第三柔性铰链组。与现有集成了力传感器的纳米切削机构相比，本发明所述系统中集成了三轴力传感器，实现了三维切削力的在线检测。

Description

一种带力感知功能的样品微动定位装置

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种新型的带力感知功能的样品微动定位装置。

背景技术

纳米切削技术是纳米精度复杂面型加工的重要手段，对整个先进制造业的发展起着重要的支撑作用。然而，当切削加工量或加工精度进入纳米尺度时，传统切削加工理论难以适用，亟需研究纳米切削理论，进而促进纳米切削技术的发展。在众多纳米切削机理的研究方法中，自主研发纳米切削机构以开展纳米量级切削实验一种能根据设计者意图增添特定功能和实现接近实际纳米切削工艺的研究方法。近年来，已经开发了几种纳米切削机构用于研究纳米切削机理，然而，目前已的机构存在一些刚度较低、操作空间小、环境条件严格等问题，且都不能实时检测三维力。

当切削深度小于20μm时，单位切削深度的切削力会显著增长，这被称之为“尺寸效应”，表明了加工力是纳米切削的一个重要指标，所以切削力需要被精确测量以更好地研究纳米切削过程和相关切削机理。

纳米切削机构的设计关键点在于让样品具有纳米级的精确定位能力、让刀具具有微米级的切削方向的驱动控制能力和纳米级的进给方向的驱动控制能力。此外，由于纳米切削机构本身是一个较大的、复杂的、多功能的系统，具备刀具以执行切削功能、具备样品夹具以执行定位功能、具备力传感器以执行检测功能，所以为设计出一套具备完整功能的纳米切削机构不光要考虑纳米切削所需要的极高精度和力检测灵敏度，还需考虑到进给机构、倾斜度调节机构和主框架等机构设计问题。

发明内容

基于上述背景，本发明提供了一种带力感知功能的样品微动定位装置，可实现对样品的微动精密定位，可对样品被切削过程中的三维力在线检测。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种带力感知功能的样品微动定位装置，包括：

主框架，其具有一方形容腔，并设有将其自身固定于工作平台上的连接部；

样品定位机构，包括副框架和设置在副框架内的夹持平台；所述副框架滑动设置在主框架的方形容腔内；样品定位机构用于检测夹持平台上的样品受到的X轴、Y轴和Z轴方向的力，以及用于调整样品倾斜度。

宏微联动导向机构，包括固定部、运动部、第一导向机构和第二导向机构；所述固定部和运动部之间设置有压电陶瓷驱动器，施加电压使得压电陶瓷驱动器产生位移并在Z轴方向带动所述运动部；

第一导向机构包括第一柔性铰链组，第一柔性铰链组对称布置在固定部和运动部的X轴方向的两侧；

第二导向机构包括第二柔性铰链组和第三柔性铰链组；第二柔性铰链组对称设置在所述第一导向机构的X轴方向的两侧；第三柔性铰链组对称设置在副框架的左右两侧。每组都采用对称柔性设计思想。

优选地，还包括调节螺钉，其安装在主框架壁面上；调节螺钉内端与所述固定部连接，旋动调节螺钉用于驱动所述宏微联动导向机构在Z轴方向移动。当调节螺钉向Z轴方向旋进，第一导向机构和样品定位机构可产生Z方向的位移。

优选地，所述第一柔性铰链组包括第一正向固定端和第一负向固定端；第一正向固定端和第一负向固定端分别位于固定部和运动部的X轴方向的两侧；

第一正向固定端和固定部之间、第一正向固定端和运动部之间、第一负向固定端和固定部之间、第一负向固定端和运动部之间均设置有第一型柔性铰链。

优选地，所述第一型柔性铰链为两个直圆型柔性铰链串联而成。

优选地，所述第二柔性铰链组和第三柔性铰链组分别包括X轴正向柔性铰链和X轴负向柔性铰链；

X轴正向柔性铰链包括X轴正向固定端和X轴正向移动端，

X轴负向柔性铰链包括X轴负向固定端和X轴负向移动端，

X轴负向固定端和X轴负向移动端之间、X轴正向固定端和X轴正向移动端之间均设置有第二型柔性铰链；

所有的X轴正向固定端均固定在主框架上；

第二柔性铰链组的X轴负向移动端和X轴正向移动端分别固定在第一导向机构的两侧；

第三柔性铰链组的X轴负向移动端和X轴正向移动端固定在副框架的两侧。

优选地，所述第二型柔性铰链均为两个并列设置的板簧。

优选地，所述夹持平台包括前端连接部，前端连接部的左右两侧和底部均设置有半球状凸起，，前端连接部的后侧连接有第三型柔性铰链；

所述副框架的内侧表面设置有若干个力检测单元，力检测单元的布置分别对应于X轴、Y轴和Z轴方向；

所述半球状凸起，抵靠在相应的力检测单元上，并传递X轴或Y轴方向的力；

所述第三型柔性铰链的另一端连接在相应的力检测单元上，并传递Z轴方向的力。

优选地，所述力检测单元包括固定块和力传感器，力传感器通过固定块预紧于所述副框架的内壁上；所述力传感器为压电陶瓷，其数量为3～5个，可分别检测X轴、Y轴、Z轴三个方向的力。

第三型柔性铰链为两个串联的双轴直圆型柔性铰链；第三型柔性铰链的末端连接Z轴方向的固定部，并将Z轴方向的力传感器预紧于副框架的内壁上。

优选地，所述夹持平台还包括用于调节倾斜度的运动学耦合器和定位在耦合器上的样品平台。

优选地，所述运动学耦合器包括耦合器固定座和耦合器运动台；耦合器固定座上设置有三个固定座预紧部，耦合器运动台上设置有三个对应的运动台预紧部；固定座预紧部和运动台预紧部通过预紧螺栓连接从而实现耦合器固定座和耦合器运动台的抵接；

所述耦合器固定座的抵接面上开设有三个V型槽，耦合器运动台上对应设置有三个螺纹孔，螺纹孔内安装有钢珠和平衡螺栓，平衡螺栓的内端将钢珠抵紧在对应的V型槽内；调节平衡螺钉的旋入量，即可实现对所述耦合器运动台的倾斜度调节。

本发明的有益效果如下：

(1)与现有集成了力传感器的纳米切削机构相比，本发明所述系统中集成了三轴力传感器，实现了三维切削力的在线检测。

(2)与现有的的纳米切削机构相比，本发明所述系统具备宏微联动导向机构，可在保持高刚度的同时实现mm级大行程驱动和nm级微动，具有更大的操作空间；调节螺丝的用途是Z轴方向的大的进给，主要用途是快速移动副框架到合适的位置，为切削做准备；压电陶瓷驱动器是在副框架移动到位之后，进一步在Z轴方向进行纳米级的进给。

(3)与现有的纳米切削机构相比，本发明所系统具备运动学耦合器，可实现样品端倾斜度的调节以供刀具在样品表面开展平整的切削实验，是使用六个已知的接触点来确定一个组件(耦合器运动台)相对于另一个组件(耦合器固定座)的位置，调节范围精密，可靠。

附图说明

图1为本发明中带力感知功能的样品微动定位装置结构示意图。

图2为本发明中宏微联动导向机构结构示意图。

图3为本发明中样品定位机构安装示意图之一。

图4为本发明中样品定位机构安装示意图之二。

图5为本发明中耦合器固定座结构示意图。

图6为本发明中耦合器运动台结构示意图。

附图标记：

1-主框架；2-调节螺钉；3-X轴正向移动端；4-X轴正向固定端；5-副框架；6-X轴正向移动端；7-X轴正向移动端；8-板簧；9-运动部；10-压电陶瓷驱动器；11-副框架侧板；12-力传感器；13-固定块；14-力传感器；15-固定块；16-耦合器固定座；17-耦合器运动台；18-钢珠；19-耦合器运动台的调节端面；20-样品台；

101-平滑面；102-连接部；103-方形容腔；104-样品定位机构；105-夹持平台；106-宏微联动导向机构；107-固定部；108-；109-第二导向机构；110-第二柔性铰链组；111-第三柔性铰链组；112-X轴负向移动端；161-力传感器；201-第一正向固定端；202-推动面；203-第一型柔性铰链；204-第一负向固定端；205-；206-X轴负向柔性铰链；207-X轴正向柔性铰链；208-X轴负向固定端；209-X轴负向移动端；

301-前端连接部；302-半球状凸起；303-半球状凸起；304-第三型柔性铰链；305-固定块；306-力检测单元；307-力检测单元；

401-固定孔；402-V型槽；403-固定座预紧部；404-固定座预紧部；405-固定座预紧部；406-V型槽；407-V型槽；

501-运动台预紧部；502-螺纹孔；503-样品台安装孔；504-运动台预紧部；505-运动台预紧部；506-螺纹孔；507-螺纹孔。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1-6所示，

一种带力感知功能的样品微动定位装置，包括：

主框架1，其具有一方形容腔103，并设有将其自身固定于工作平台上的连接部102；

样品定位机构104，包括副框架5和设置在副框架5内的夹持平台105；所述副框架5滑动设置在主框架1的方形容腔103内；样品定位机构104用于检测夹持平台105上的样品受到的X轴、Y轴和Z轴方向的力；

宏微联动导向机构106，包括固定部107、运动部9、第一导向机构108和第二导向机构109；所述固定部107和运动部9之间设置有压电陶瓷驱动器10，施加电压使得压电陶瓷驱动器10产生位移并在Z轴方向带动所述运动部9；压电陶瓷驱动器是在副框架移动到位之后，进一步在Z轴方向进行纳米级的进给；

第一导向机构108包括第一柔性铰链组205，第一柔性铰链组205对称布置在固定部107和运动部9的X轴方向的两侧；当压电陶瓷驱动器10断电回缩时，第一导向机构108使得运动部9能够回到初始位置(相对于固定部107的初始位置)；

第二导向机构109包括第二柔性铰链组110和第三柔性铰链组111；第二柔性铰链组110对称设置在所述第一导向机构108的X轴方向的两侧；第三柔性铰链组110对称设置在副框架5的左右两侧。当压电陶瓷驱动器10断电回缩或者调节螺丝2退回时，第二柔性铰链组110使得整个宏微联动导向机构106能够回到初始位置，第三柔性铰链组110使得副框架5能回到初始位置。

优选地，还包括调节螺钉2，其安装在主框架1壁面上；调节螺钉2内端与所述固定部107连接，旋动调节螺钉2用于驱动所述宏微联动导向机构106在Z轴方向移动。调节螺丝的用途是Z轴方向的大的进给，主要用途是快速移动副框架到合适的位置，为切削做准备。

优选地，所述第一柔性铰链组205包括第一正向固定端201和第一负向固定端204；第一正向固定端201和第一负向固定端204分别位于固定部107和运动部9的X轴方向的两侧；

第一正向固定端201和固定部107之间、第一正向固定端201和运动部9之间、第一负向固定端204和固定部107之间、第一负向固定端204和运动部9之间均设置有第一型柔性铰链203。

优选地，所述第一型柔性铰链203为两个直圆型柔性铰链串联而成。

优选地，所述第二柔性铰链组110和第三柔性铰链组111分别包括X轴正向柔性铰链207和X轴负向柔性铰链206；

X轴正向柔性铰链206包括X轴正向固定端4和X轴正向移动端3，

X轴负向柔性铰链207包括X轴负向固定端208和X轴负向移动端209，

X轴负向固定端208和X轴负向移动端209之间、X轴正向固定端4和X轴正向移动端3之间均设置有第二型柔性铰链8；

所有的X轴正向固定端4均固定在主框架1上；

第二柔性铰链组110的X轴负向移动端209和X轴正向移动端3分别固定在第一导向机构205的两侧；

第三柔性铰链组110的X轴负向移动端112和X轴正向移动端7固定在副框架5的两侧。

优选地，所述第二型柔性铰链8均为两个并列设置的板簧，其复位效果更好。

优选地，所述夹持平台105包括前端连接部301，前端连接部301的左右两侧和底部均设置有半球状凸起302，303，前端连接部301的后侧连接有第三型柔性铰链304，第三型柔性铰链304仅能传递Z轴方向的力，使得检测效果准确，同时，将前端连接部301连接在副框架5；

所述副框架5的内侧表面设置有若干个力检测单元306，力检测单元306的布置分别对应于X轴、Y轴和Z轴方向；

所述半球状凸起302，303抵靠在相应的力检测单元306上，并传递X轴或Y轴方向的力；

所述第三型柔性铰链304的另一端连接在相应的力检测单元307上，并传递Z轴方向的力。

优选地，所述力检测单元包括固定块13，15，305和力传感器12，14，10，力传感器通过固定块预紧于所述副框架5的内壁上；所述力传感器为压电陶瓷；

第三型柔性铰链304为两个串联的双轴直圆型柔性铰链；第三型柔性铰链的末端连接Z轴方向的固定部305，并将Z轴方向的力传感器10预紧于副框架5的内壁上。

优选地，所述夹持平台105还包括用于调节倾斜度的运动学耦合器和定位在耦合器上的样品平台20。

优选地，所述运动学耦合器包括耦合器固定座16和耦合器运动台17；耦合器固定座16上设置有三个固定座预紧部403，404，405，耦合器运动台17上设置有三个对应的运动台预紧部501，504，505；固定座预紧部和运动台预紧部通过预紧螺栓连接从而实现耦合器固定座16和耦合器运动台17的抵接；该抵接的紧密程度，以不发生松动为宜；三个固定座预紧部403，404，405大致位于一个等边三角形的三个顶点上；

所述耦合器固定座16的抵接面上开设有三个V型槽402，406，407，耦合器运动台17上对应设置有三个螺纹孔502，506，507，螺纹孔内安装有钢珠18和平衡螺栓(未画出)，平衡螺栓的内端将钢珠18抵紧在对应的V型槽402内，钢珠18的直径可以设计为略大于螺纹孔的直径，便于耦合器固定座16和耦合器运动台17的抵接定位；调节其中一个平衡螺钉的旋入量，即可实现对所述耦合器运动台17的倾斜度调节，虽然耦合器固定座16和耦合器运动台17是相互抵接的，但是调节平衡螺钉的旋入量一样可以略微改变耦合器运动台17的倾斜度，适用于nm级别的检测，平衡螺栓和螺纹孔为细牙螺纹时，其调节效果更好。

三个螺纹孔502，506，507大致位于一个等边三角形的三个顶点上；而且，三个V型槽402，406，407的内端朝向该等边三角形的中心。

运动学耦合器是精确的约束设计耦合器，因为在理想情况下，它们使用六个已知的接触点来确定一个组件(耦合器运动台17)相对于另一个组件(耦合器固定座16)的位置。

样品台20与运动台的固定部503相连实现固定，并固定样品于样品台上。

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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，包括：

主框架(1)，其具有一方形容腔(103)，并设有将其自身固定于工作平台上的连接部(102)；

样品定位机构(104)，包括副框架(5)和设置在副框架(5)内的夹持平台(105)；所述副框架(5)滑动设置在主框架(1)的方形容腔(103)内；样品定位机构(104)用于检测夹持平台(105)上的样品受到的X轴、Y轴和Z轴方向的力；

宏微联动导向机构(106)，包括固定部(107)、运动部(9)、第一导向机构(108)和第二导向机构(109)；所述固定部(107)和运动部(9)之间设置有压电陶瓷驱动器(10)，施加电压使得压电陶瓷驱动器(10)产生位移并在Z轴方向带动所述运动部(9)；

第一导向机构(108)包括第一柔性铰链组(205)，第一柔性铰链组(205)对称布置在固定部(107)和运动部(9)的X轴方向的两侧；

第二导向机构(109)包括第二柔性铰链组(110)和第三柔性铰链组(111)；第二柔性铰链组(110)对称设置在所述第一导向机构(108)的X轴方向的两侧；第三柔性铰链组(110)对称设置在副框架(5)的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，还包括调节螺钉(2)，其安装在主框架(1)壁面上；调节螺钉(2)内端与所述固定部(107)连接，旋动调节螺钉(2)用于驱动所述宏微联动导向机构(106)在Z轴方向移动。

3.根据权利要求2所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，所述第一柔性铰链组(205)包括第一正向固定端(201)和第一负向固定端(204)；第一正向固定端(201)和第一负向固定端(204)分别位于固定部(107)和运动部(9)的X轴方向的两侧；

第一正向固定端(201)和固定部(107)之间、第一正向固定端(201)和运动部(9)之间、第一负向固定端(204)和固定部(107)之间、第一负向固定端(204)和运动部(9)之间均设置有第一型柔性铰链(203)。

4.根据权利要求3所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，所述第一型柔性铰链(203)为两个直圆型柔性铰链串联而成。

5.根据权利要求1所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，所述第二柔性铰链组(110)和第三柔性铰链组(111)分别包括X轴正向柔性铰链(207)和X轴负向柔性铰链(206)；

X轴正向柔性铰链(206)包括X轴正向固定端(4)和X轴正向移动端(3)，

X轴负向柔性铰链(207)包括X轴负向固定端(208)和X轴负向移动端(209)，

X轴负向固定端(208)和X轴负向移动端(209)之间、X轴正向固定端(4)和X轴正向移动端(3)之间均设置有第二型柔性铰链(8)；

所有的X轴正向固定端(4)均固定在主框架(1)上；

第二柔性铰链组(110)的X轴负向移动端(209)和X轴正向移动端(3)分别固定在第一导向机构(205)的两侧；

第三柔性铰链组(110)的X轴负向移动端(112)和X轴正向移动端(7)固定在副框架(5)的两侧。

6.根据权利要求5所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于，所述第二型柔性铰链(8)均为两个并列设置的板簧。

7.根据权利要求1所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于：所述夹持平台(105)包括前端连接部(301)，前端连接部(301)的左右两侧和底部均设置有半球状凸起(302，303)，前端连接部(301)的后侧连接有第三型柔性铰链(304)；

所述副框架(5)的内侧表面设置有若干个力检测单元(306)，力检测单元(306)的布置分别对应于X轴、Y轴和Z轴方向；

所述半球状凸起(302，303)抵靠在相应的力检测单元(306)上，并传递X轴或Y轴方向的力；

所述第三型柔性铰链(304)的另一端连接在相应的力检测单元(307)上，并传递Z轴方向的力。

8.根据权利要求7所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于：所述力检测单元包括固定块(13，15，305)和力传感器(12，14，10)，力传感器通过固定块预紧于所述副框架(5)的内壁上；所述力传感器为压电陶瓷；

第三型柔性铰链(304)为两个串联的双轴直圆型柔性铰链；第三型柔性铰链的末端连接Z轴方向的固定部(305)，并将Z轴方向的力传感器(10)预紧于副框架5的内壁上。

9.根据权利要求1所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于：所述夹持平台(105)还包括用于调节倾斜度的运动学耦合器和定位在耦合器上的样品平台(20)。

10.根据权利要求9所述的一种带力感知功能的样品微动定位装置，其特征在于：所述运动学耦合器包括耦合器固定座(16)和耦合器运动台(17)；耦合器固定座(16)上设置有三个固定座预紧部(403，404，405)，耦合器运动台(17)上设置有三个对应的运动台预紧部(501，504，505)；固定座预紧部和运动台预紧部通过预紧螺栓连接从而实现耦合器固定座(16)和耦合器运动台(17)的抵接；

所述耦合器固定座(16)的抵接面上开设有三个V型槽(402，406，407)，耦合器运动台(17)上对应设置有三个螺纹孔(502，506，507)，螺纹孔内安装有钢珠(18)和平衡螺栓，平衡螺栓的内端将钢珠(18)抵紧在对应的V型槽(402)内；调节平衡螺钉的旋入量，即可实现对所述耦合器运动台(17)的倾斜度调节。

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