CN202639966U - 基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台。包括桥式柔性铰链、压电陶瓷拉杆、压电陶瓷、X轴金刚石刀片，能实现微位移运动的桥式柔性铰链固定在车床的工作平台上，压电陶瓷及压电陶瓷拉杆的两端均装设在桥式柔性铰链的Y方向的相对两边，压电陶瓷拉杆的设有钩头的一端卡在压电陶瓷的端部与桥式柔性铰链之间，且通过连接件固定在桥式柔性铰链上，X轴金刚石刀片固定在桥式柔性铰链的X方向的活动端，桥式柔性铰链的X方向的活动端A固定在桥式柔性铰链的X方向的一端，桥式柔性铰链的X方向的另一固定端固定在桥式柔性铰链的X方向的另一端，桥式柔性铰链的固定端固定在车床的工作平台上。本实用新型可实现高频响、高加速度、高精度的加工要求。

Description

基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台

技术领域

本实用新型是一种用于快速刀架伺服系统（FTS）中的压电陶瓷放大机构中的高频超精密加工车床刀架驱动平台，特别是一种基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，属于高频超精密加工车床刀架驱动平台的创新技术。

背景技术

作为精密机械与精密仪器关键技术之一，加工过程在高频高加速时的微位移技术随着光电通讯、微电子、宇航军工和生物工程等学科的发展而迅速发展。以压电陶瓷驱动的柔性铰链的车床刀架驱动平台具有体积小无摩擦损失、无间隙、无润滑、易于加工制造、运动平稳和分辨率高等优点，无需维修直到过载或疲劳原因产生失效为止。该技术被广泛应用在微位移工作平台过程中。

1978年，E.SCIRE等人首先采用基于柔性铰链的导向机构和压电陶瓷驱动器设计了用于航天领域的微操作工作台。该平台具有结构紧凑，不需要润滑、无间隙、位移分辨率高等优点。设计尺寸为100mm×100mm×20mm，具有1nm的位移分辨率和50μm的位移行程。1991年，K.NISHIMURA等人利用杠杆原理在单平行四杆机构的基础上，设计了一种用于扫描隧道显微镜的微位移机构，在获得了0.1nm的位移分辨率的同时，具有7.8μm的微行程。2002年，哈尔滨工业大学孙立宁教授设计了一种用于光学调整的二维微位移平台。由于在X、Y二维方向均采用压电陶瓷驱动器直接驱动，因而该平台存在较大的维间耦合作用。

北京航空航天大学的宗光华教授将两个Roberts柔性机构并联在一起，设计了一种直线型微操作平台，该平台可以在毫米级的行程上保证垂直运动方向上的偏差小于1μm，该直线型导向机构及其原理图。

平面3自由度并联微操作平台是加拿大Saskatchewan大学于2002年研制的，该3-RRR微位移平台采用3个均匀布置的压电陶瓷驱动器作为激励器，采用杠杆式放大机构作为运动支链。该平台可以实现77.28μm和71.02μm的平移运动以及2.16mrad的旋转运动。当采用精度高于0.01μm的压电陶瓷激励器驱动时，微操作平台的终端执行器的定位精度分别为13.2nm、3.4nm和0.6μrad。

2004年，一种用于光纤对接的HexFlex平面式六轴纳米级并联微操作平台在美国麻省理工学院诞生。该平台采用磁电式激励器驱动，在100nm×100nm×100nm的工作空间内，其终端执行器的定位精度在5nm以下；当工作空间大于上述范围时，终端执行器的定位误差不大于最大工作行程的0.2%。

发明内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种解决加工超精密微纳结构时的高频响、小行程，有时伴有耦合运动的问题的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台。本实用新型设计巧妙，方便实用。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，包括有桥式柔性铰链、压电陶瓷拉杆、压电陶瓷、X轴金刚石刀片，其中利用设有缺口能在外力的作用下实现微位移运动的桥式柔性铰链固定在车床的工作平台上，压电陶瓷的两端及压电陶瓷拉杆的两端均装设在桥式柔性铰链的Y方向的相对两边，且压电陶瓷拉杆的设有钩头的一端卡在压电陶瓷的端部与桥式柔性铰链之间，且通过连接件固定在桥式柔性铰链上，X轴金刚石刀片固定在桥式柔性铰链的X方向的活动端，桥式柔性铰链的X方向的活动端A固定在桥式柔性铰链的X方向的一端，桥式柔性铰链的X方向的另一固定端固定在桥式柔性铰链的X方向的另一端，桥式柔性铰链的固定端固定在车床的工作平台上。

上述X轴金刚石刀片通过刀具固定板固定在刀柄上，刀柄通过连接件固定在桥式柔性铰链上。

上述桥式柔性铰链的固定端通过连接件固定在车床的工作平台上。

上述压电陶瓷装设在桥式柔性铰链的Y轴上，金刚石刀片装设在X轴上。

上述压电陶瓷拉杆的设有钩头的一端与桥式柔性铰链之间的间隙为0.5～3mm。

上述桥式柔性铰链所设的缺口为直角缺口。

本实用新型由于采用利用压电陶瓷进行驱动、柔性铰链作为整个高频超精密加工车床刀架驱动平台的基本组件的结构，本实用新型利用桥式对称分布的原理，体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高、没有磁滞现象、生热少、不需要润滑，且利用柔性铰链的回弹性，有助于加快压电陶瓷的回程速度。本实用新型结构新颖，可以实现高频响、高加速度、高精度的加工要求。本实用新型是一种结构新颖、简单，实现高精度、高放大倍数、无耦合性的方便实用的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型铰链的结构示意图； 

图3为本实用新型的爆炸装配图；

图4为本实用新型压电陶瓷驱动柔性铰链的示意图。

具体实施方式

实施例：

本实用新型的结构示意图如图1、2、3、4所示，本实用新型的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，包括有桥式柔性铰链1、压电陶瓷拉杆5、压电陶瓷6、X轴金刚石刀片7，其中利用设有缺口（C）能在外力的作用下实现微位移运动的桥式柔性铰链（1）固定在车床的工作平台上，压电陶瓷6的两端及压电陶瓷拉杆5的两端均装设在桥式柔性铰链1的Y方向的相对两边，且压电陶瓷拉杆（5）的设有钩头61的一端卡在压电陶瓷6的端部与桥式柔性铰链1之间，且通过连接件2固定在桥式柔性铰链1上，X轴金刚石刀片7固定在桥式柔性铰链1的X方向的活动端A，桥式柔性铰链1的X方向的活动端A固定在桥式柔性铰链1的X方向的一端，桥式柔性铰链1的X方向的另一固定端B固定在桥式柔性铰链1的X方向的另一端，桥式柔性铰链1的固定端B固定在车床的工作平台上。

本实施例中，为便于安装，上述X轴金刚石刀片7通过刀具固定板8固定在刀柄9上，刀柄9通过连接件4固定在桥式柔性铰链1上。上述桥式柔性铰链1的固定端B通过连接件3固定在车床的工作平台上。

本实施例中，上述压电陶瓷6装设在桥式柔性铰链1的Y轴上，金刚石刀片7装设在X轴上。

上述压电陶瓷拉杆5的设有钩头51的一端与桥式柔性铰链2之间的间隙D为0.5～3mm。本实施例中，上述压电陶瓷拉杆5的设有钩头51的一端与桥式柔性铰链1之间的间隙D为2mm。

本实施例中，上述桥式柔性铰链1所设的缺口C为直角缺口。

本实用新型的工作原理如下：本实用新型平台主要安装在精密车床上，本实用新型的微动平台是利用压电陶瓷6和驱动控制器，改变电压和电流等参数，本实用新型压电陶瓷6在1KHZ的工作频率下，利用压电陶瓷拉杆5拉动桥式柔性铰链1，使桥式柔性铰链1在Y轴方向同时向中心轴方向移动，造成其在X轴方向上同时远离中心轴,本实用新型通过桥式柔性铰链的柔度可以实现变形，达到当压电陶瓷6在Y轴运动时，X方向的刀架可以带动金刚石刀片7实现运动。实现桥式柔性铰链的具有良好的对称性和无耦合性的特性，最大行程为80μm的高频响、高加速度的运行平台。本实用新型是一种当高频响时压电陶瓷运动行程短的放大机构，X轴金刚石刀片7由Y轴方向高频运动的压电陶瓷6通过桥式柔性铰链的与水平方向不同角度，实现其放大倍数达到2倍的驱动效果，压电陶瓷所驱动的放大倍数为2倍的位移通过直角柔性铰链传递到固定刀架上，直角柔性铰链的结构尺寸、柔度和刀具本身在负载时的切削力直接决定了压电陶瓷的驱动力，也直接决定了刀具切削时的尺寸精度和表面粗糙度。当压电陶瓷伸长时，利用压电陶瓷拉杆5的钩头51带动桥式柔性铰链向两边移动，通过改变桥式柔性铰链的不同角度，可实现压电陶瓷的移动位移与两边移动位置的比例。当非安装刀架边固定时，安装刀架边相当于放大2倍位移的高速移动，实现车床精度加工时的高加速度、高精度的加工要求。

本实用新型以高精密度的压电陶瓷作驱动源，以桥式柔性铰链和直角柔性铰链适中的柔度作关键传递机构和位移放大机构，利用桥式柔性铰链的对称性，当压电陶瓷驱动位移时，使压电陶瓷拉杆带动柔性铰链反向移动，致使刀架上的刀具能实现无耦合的高速运行，实现高频响、高加速度、高精度的加工要求。本实用新型是一种结构新颖、简单，实现高精度、高放大倍数、无耦合性的方便实用的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台。

Claims (6)

1.一种基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于包括有桥式柔性铰链（1）、压电陶瓷拉杆（5）、压电陶瓷（6）、X轴金刚石刀片（7），其中利用设有缺口（C）能在外力的作用下实现微位移运动的桥式柔性铰链（1）固定在车床的工作平台上，压电陶瓷（6）的两端及压电陶瓷拉杆（5）的两端均装设在桥式柔性铰链（1）的Y方向的相对两边，且压电陶瓷拉杆（5）的设有钩头（61）的一端卡在压电陶瓷（6）的端部与桥式柔性铰链（1）之间，且通过连接件（2）固定在桥式柔性铰链（1）上，X轴金刚石刀片（7）固定在桥式柔性铰链（1）的X方向的活动端(A)，桥式柔性铰链（1）的X方向的活动端(A)固定在桥式柔性铰链（1）的X方向的一端，桥式柔性铰链（1）的X方向的另一固定端(B)固定在桥式柔性铰链（1）的X方向的另一端，桥式柔性铰链（1）的固定端(B)固定在车床的工作平台上。

2.根据权利要求1所述的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于上述X轴金刚石刀片（7）通过刀具固定板（8）固定在刀柄（9）上，刀柄（9）通过连接件（4）固定在桥式柔性铰链（1）上。

3.根据权利要求1所述的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于上述桥式柔性铰链（1）的固定端（B）通过连接件（3）固定在车床的工作平台上。

4.根据权利要求1所述的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于上述压电陶瓷（6）装设在桥式柔性铰链（1）的Y轴上，金刚石刀片（7）装设在X轴上。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于上述压电陶瓷拉杆（5）的设有钩头（51）的一端与桥式柔性铰链（2）之间的间隙（D）为0.5～3mm。

6.根据权利要求5所述的基于桥式柔性铰链的高频超精密加工车床刀架驱动平台，其特征在于上述桥式柔性铰链（1）所设的缺口（C）为直角缺口。

Images