CN204818295U - 基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置，该装置包括支撑机构、柔顺导向机构和驱动机构，所述柔顺导向机构和驱动机构固定在支撑机构上，所述驱动机构以点接触方式驱动柔顺导向机构，所述驱动机构驱动柔顺导向机构在x方向做往复运动，在yz面上做椭圆轨迹运动。本实用新型所述技术方案在水平方向上采用复合双平行四杆机构模式，该模式不仅使的水平方向的位移大大增加，而且使得水平方向运动的柔性铰链上的应力大大减小，提高了机构的使用寿命；本实用新型所述技术方案在yz面内采用两端串联中间复合的组合柔性铰链与两个平行压电配合，实现了低耦合运行下的高频率运动；本方案采用柔顺导向单元一体化，减小了传统装配的误差。

Description

基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置

技术领域

本实用新型涉及超精密切削加工，特别是涉及一种三压电驱动的大行程椭圆振动切削辅助装置。

背景技术

随着生产与科技的发展，近年来，一些硬脆材料，特别是一些非金属材料，由于其具有优良的性能而被广泛应用在电子、光学、仪器仪表、航天和民用工业等领域，硬脆材料的精密和超精密加工非常困难，传统的加工方法如磨削等已经不能够满足现代工业发展对精度的要求，因此具有优良性能的硬脆材料精密、超精密加工技术作为一个新的课题已经成为众多学者普遍关注的焦点。

众多学者的研究表明，寻求一种新的加工方法对于改善硬脆材料的精密、超精密加工是十分可行的。1927年美国物理学家R.W.Wood及L.A.Loomis发表的全世界第一篇关于超生加工原理的论文揭开了超声加工的序幕，日本在20世纪50年代初期，为了研究超声振动切削还专门成立了振动切削研究所，50年代末60年代初苏联和美国也开始了超声加工的研究工作。这些国家的研究成果表明超声振动切削在对改善一些材料的加工上具有显著的效果。随着1993年名古屋大学的社本英二教授等人首次提出二维振动切削(即椭圆振动切削EllipticalVibrationCutting，以下简称EVC)，为难加工材料找到了一种相比一维振动切削更加有效的切削方式，相比于一维振动切削，EVC具有降低切削温度，更好改善刀具寿命，抑制毛刺生成等一系列优点，因此一些超声EVC装置应运而生，超声EVC一般是利用两个相互平行或垂直的变幅杆驱动刀具，虽然超声EVC利用共振的特性能够达到很高的振动切削频率，但是受限于变幅杆的设计、缺乏柔性等特点使其相对较难控制，利用压电叠堆(PZT)驱动柔性铰链的非共振型EVC虽然实现了参数的可调，但是对于一些自由曲面的加工方面具有一定的局限性，基于上述这些不足，学者们设计了三维椭圆振动切削(3DEVC)，3DEVC同样分为共振型和非共振型两种，共振型3DEVC同样存在由于刀杆设计的问题难以获得高阶模态、采用开环控制无法获得真椭圆运动轨迹、振动频率和椭圆运动参数依赖于刀杆的非线性结构动力学参数等不足，相比于共振型3DEVC非共振型3DEVC能够通过控制压电叠堆的输入信号来得到不同轨迹的三维椭圆运动，在继承EVC优点的基础上，非共振3DEVC实现了参数可控，能够实现空间任意椭圆运动等优点，被学者们认为是目前最有前途的一种切削加工方式。

目前已有部分学者针对非共振型3DEVC装置进行了设计，其设计原理主要包括四压电驱动型和三压电驱动型。针对本实用新型的设计原理三压电驱动的非共振三维椭圆振动切削装置专利可查的有：专利(CN102059575A)提及的一种金刚石切削刀具椭圆运动生成装置，虽然在三垂直压电的驱动下刀尖处形成了三维椭圆运动轨迹，但是由于其刀座人工装配问题，在压电直接高频驱动刀座的情况下容易使得刀座跑偏，稳定性不强。专利(CN102371359A)提及的一种三维椭圆振动切削装置由于采用了双轴柔性铰链，使得工作过程中双轴柔性铰链两个运动方向存在较大的运动串扰。专利(CN104001943A)提及的一种三维椭圆振动车削刀架采用了截面为正方形的柔顺单元，虽然通过x/y两向旋转与z向移动实现了三维椭圆运动轨迹，但是难以保证装置的柔性。专利(CN103611988A)提及的一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，虽然具有较好的装配精度与运动单向性，但是采用的平行四杆机构在高频往复运动过程中由于应力存在而容易产生疲劳失效，很难保证装置的使用寿命。

因此，虽然已经有学者设计出了相应的非共振3DEVC切削装置，但是三维EVC领域还处于待深入研究阶段，所研制的装置依然存在着稳定性差，使用寿命短，行程小，振动频率低等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于三压电驱动的大行程椭圆振动切削辅助装置，以解决现有技术中椭圆振动切削辅助装置使用寿命短、加工行程小、振动频率低等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：

基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置，该装置包括支撑机构1、柔顺导向机构2和驱动机构3，所述柔顺导向机构2和驱动机构3固定在支撑机构1上，所述驱动机构3以点接触方式驱动柔顺导向机构2；

所述柔顺导向机构2包括第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29；第一铰链组26的一端和第二铰链组27的一端固定在矩形支撑框21上，第一铰链组26的另一端和第二铰链组27的另一端固定在第一铰链支撑块24上；第三铰链组28的一端和第四铰链组29的一端固定在矩形支撑框21上，第三铰链组28的另一端和第四铰链组29的另一端固定在第二铰链支撑块25上，所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25固定在支撑机构1上；第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29形成复合双平行四杆机构；所述矩形支撑框21进一步设有带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22，所述刀具卡槽23位于矩形支撑框21的几何中心，所述组合柔性铰链22包括串联柔性铰链221和复合柔性铰链222，所述串联柔性铰链221和复合柔性铰链222的一端的连接点位于所述刀具卡槽23处，复合柔性铰链222的另一端固定在矩形支撑框21上；优选的，所述柔顺导向机构为线切割加工的一体结构；

所述驱动机构3包括固定在支撑机构1上的第一压电叠堆31、第二压电叠堆32和第三压电叠堆33；

所述第一压电叠堆31驱动柔顺导向机构2在x方向做往复运动，所述第二压电叠堆32和第三压电叠堆33以交错驱动的方式驱动柔顺导向机构2合成yz面上的椭圆轨迹。

优选的，所述第一铰链组26包括第一铰链261和第二铰链262；所述第一铰链261的一端和第二铰链262的一端固定连接，所述第一铰链261的另一端和第二铰链262的另一端分别固定在第一铰链支撑块24和矩形支撑框21上，所述第一铰链261和第二铰链262平行放置；

所述第二铰链组27包括第三铰链271和第四铰链272，所述第三铰链271的一端和第四铰链272的一端固定连接，所述第三铰链271的另一端和第四铰链272的另一端分别固定在第一铰链支撑块24和矩形支撑框21；所述第三铰(27)和第四铰(272平行放置；

所述第三铰链组28包括第五铰链281和第六铰链282，所述第五铰链(281)的一端和第六铰链282的一端固定连接，所述第五铰链281的另一端和第六铰链282的另一端分别固定在第二铰链支撑块25和矩形支撑框21；所述第五铰链281和第六铰链282平行放置；

所述第四铰链组29包括第七铰链291和第八铰链292，所述第七铰链291的一端和第八铰链292的一端固定连接，所述第七铰链291的另一端和第八铰链292的另一端分别固定在第二铰链支撑块25和矩形支撑框21；所述第七铰链291和第八铰链292平行放置。

优选的，所述支撑机构1包括底座11、顶盖板12以及设置在底座11和顶盖板12之间的用于固定柔顺导向机构2的左侧立板13和右侧立板14；所述左侧立板13和右侧立板14靠近柔顺导向机构2的一侧设有用于定位支撑所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25的定位凸台；所述右侧立板14上设有用于放置第一压电叠堆31的第一压电叠堆定位螺孔141。

优选的，所述底座11与左侧立板13和右侧立板14形成U型的支撑结构，所述底座11上设有与外部设备固定的至少三个底座定位孔111。

优选的，所述支撑机构1进一步包括固定在左侧立板13和右侧立板(14)上的前盖板15，所述前盖板15设置有用于容纳所述刀具卡槽的空口153。

优选的，所述支撑机构1进一步包括固定在所述左侧立板13和右侧立板14上的后盖板16，所述后盖板上设有用于放置第二压电叠堆32的第二压电叠堆定位螺孔161和用于放置第三压电叠堆33的第三压电叠堆定位螺孔163。

优选的，该装置进一步包括用于检测三组压电叠堆位移的检测单元4。

优选的，该检测单元4包括第一电容位移传感器41、第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43。

优选的，所述支撑机构1进一步包括

设置在左侧立板13上的用于放置第一电容位移传感器41的第一固定卡盘133；

设置在后盖板16上用于放置第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43的第二固定卡盘167和第三固定卡盘168。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述技术方案与现有技术相比优点在于：

(1)水平方向采用复合双平行四杆机构模式，该结构模式不仅使的水平方向的位移大大增加，而且使的水平方向运动的柔性铰链上的应力大大减小，提高了机构的使用寿命；

(2)yz面内采用的是两压电平行的二维EVC结构方式，但由于在两端使用了串联的柔性铰链，中间采用一复合柔性铰链牵引，不仅实现了低耦合运行下的高频率运动，而且结构简单，易于实现；

(3)柔顺导向单元为一个整体，由线切割一次加工成型，减小了传统装配的误差，并且该柔顺导向单元为框架结构，大大减小了结构的质量，节省了材料；

(4)本装置结构简单，除去柔顺导向单元、压电叠堆和电容传感器，其他均为简单的板型实体，易于加工制造；

(5)本装置能够通过电容传感器实时检测位移的变化并进行反馈，有利于用户的主动控制。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本实用新型所述装置的内部整体结构示意图；

图2示出本实用新型所述装置的前部立体结构示意图；

图3示出本实用新型所述装置的后部立体结构示意图；

图4示出本实用新型所述装置的顶盖板的示意图；

图5示出本实用新型所述装置的后盖板的示意图；

图6示出本实用新型所述装置的前盖板的示意图；

图7示出本实用新型所述装置的柔顺导向单元的示意图；

图8示出本实用新型所述装置的去除柔顺导向单元的内部结构示意图；

图9示出本实用新型所述装置的x向复合双平行四杆机构的运动示意图；

图10示出本实用新型所述装置的yz面二维椭圆振动的示意图；

图11示出本实用新型所述装置的三维椭圆振动合成运动的示意图。

附图标号

1、支撑机构，11、底座，12、顶盖板，13、左侧立板，14、右侧立板，15、前盖板，16、后盖板，111、底座定位孔，121、顶盖板固定螺纹孔，122、顶盖板固定螺钉，131、定位螺孔，132、定位螺钉，133、通孔，134、第一固定卡盘，135、定位凸台，141、第一压电叠堆定位螺孔，142、第一压电叠堆定位螺钉，143、定位螺孔，144、定位螺钉，145、定位凸台，151、前盖板固定螺孔，152、前盖板固定螺钉，153、刀具卡槽空口，161、第二压电叠堆定位螺孔，162、第二压电叠堆定位螺钉，163，第三压电叠堆定位螺孔，164、第三压电叠堆定位螺钉，165、后盖板固定螺孔，166、后盖板固定螺钉，167，第二固定卡盘，168、第三定位卡盘；

2、柔顺导向机构，21、矩形支撑框，22、柔性铰链，23、刀具卡槽，24、第一铰链支撑块，25、第二铰链支撑块，26、第一铰链组，27、第二铰链组，28、第三铰链组，29、第四铰链组，211、矩形支撑框外边框，221，串联柔性铰链，222，复合柔性铰链，261、第一铰链，262、第二铰链，271、第三铰链，272、第四铰链，281、第五铰链，282、第六铰链，291、第七铰链，292、第八铰链；

3、驱动机构，31、第一压电叠堆，32、第二压电叠堆，33、第三压电叠堆；

4、检测单元，41、第一电容位移传感器，42、第二电容位移传感器，43、第三电容位移传感器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1至图3所示，本实用新型公开了基于三压电驱动的大行程椭圆振动切削辅助装置，该装置包括支撑机构1、柔顺导向机构2和驱动机构3，所述柔顺导向机构2和驱动机构3固定在支撑机构1上，所述驱动机构3以点接触方式驱动柔顺导向机构2。

如图3至图6所示，所述支撑机构1包括底座11、顶盖板12以及设置在底座11和顶盖12之间的用于固定柔顺导向单元2的左侧立板13和右侧立板14，所述底座与左侧立板和右侧立板形成一U型支撑结构，所述底座上设有与外部设备固定的至少三个定位孔，本实用新型优选3个定位孔来与外部设备定位；本实用新型为了使柔顺导向机构2中的“工”型铰链支撑块24固定的更加牢固，定位更加准确，在所述左侧立板13和右侧立板14靠近柔顺导向机构2的一侧均设有分别用于定位支撑所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25的定位凸台134和定位凸台145，通过该定位凸台134和定位凸台145分别将第一铰链支撑块和第二铰链支撑块卡在凸台与立板之间行程稳定支撑和定位。所述右侧立板14上还设有用于放置第一压电叠堆31的T形的第一压电叠堆定位螺孔141。所述支撑机构1进一步包括固定在左侧立柱13和右侧立柱14上的前盖板15，该前盖板15上设置有4个前盖板固定螺孔151，通过前盖板固定螺钉152固定在左侧立柱13和右侧立柱14上，所述前盖板15还设置有用于容纳所述刀具卡槽的方形空口153。所述支撑机构1进一步包括固定在所述左侧立柱13和右侧立柱14上的后盖板16，所述后盖板16上设有用于放置第二压电叠堆32的T形的第二压电叠堆定位螺孔161和用于放置第三压电叠堆33的T形的第三孔压电叠堆定位螺孔163。

如图7所示，所述柔顺导向机构2包括第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29；第一铰链组26的一端和第二铰链组27的一端固定在矩形支撑框21的外边框211上，第一铰链组26的另一端和第二铰链组27的另一端固定在第一铰链支撑块24上；第三铰链组28的一端和第四铰链组29的一端固定在矩形支撑框21的外边框211上，第三铰链组28的另一端和第四铰链组29的另一端固定在第二铰链支撑块25上，所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25固定在支撑机构1上；第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29形成复合双平行四杆机构；所述矩形支撑框21进一步设有带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22，所述刀具卡槽23位于矩形支撑框21的几何中心，所述组合柔性铰链22包括以刀具卡槽为对称轴对称的垂直方向上的直圆串联柔性铰链221和y轴向上的复合柔性铰链222，所述串联柔性铰链221和复合柔性铰链222的一端的连接点位于所述刀具卡槽处，复合柔性铰链222的另一端固定在矩形支撑框21的外边框211上。本实施例中铰链支撑块设计为“工”型的。所述第一铰链组26包括第一铰链261和第二铰链262；所述第一铰链261的一端和第二铰链262的一端固定连接，所述第一铰链261的另一端和第二铰链262的另一端分别固定在“工”型第一铰链支撑块24的一端和矩形支撑框21的外边框211上，所述第一铰链261和第二铰链262平行放置；所述第二铰链组27包括第三铰链271和第四铰链272，所述第三铰链271的一端和第四铰链272的一端固定连接，所述第三铰链271的另一端和第四铰链272的另一端分别固定在“工”型第一铰链支撑块24的另一端和矩形支撑框21的外边框211上；所述第三铰链271和第四铰链272平行放置；通过定位螺钉132将所述“工”型第一铰链支撑块24与第一铰链261和第三铰链271固定的端部，固定在设置在左侧立板13上的定位螺孔131上。所述第三铰链组28包括第五铰链281和第六铰链282，所述第五铰链281的一端和第六铰链282的一端固定连接，所述第五铰链281的另一端和第六铰链282的另一端分别固定在“工”型第二铰链支撑块25的一端和矩形支撑框21的外边框211上；所述第五铰链281和第六铰链282平行放置；所述第四铰链组29包括第七铰链291和第八铰链292，所述第七铰链291的一端和第八铰链292的一端固定连接，所述第七铰链291的另一端和第八铰链292的另一端分别固定在“工”型第二铰链支撑块25的另一端和矩形支撑框21的外边框211上；所述第七铰链291和第八铰链292平行放置；通过定位螺钉144将所述“工”型第二铰链支撑块24与第五铰链281和第七铰链291固定的端部，固定在设置在右侧立板14上的定位螺孔143上。本实用新型为了保证装置的加工精度，降低装配难度和装配误差，采用线切割的方式对柔顺导向单元2进行加工，使柔顺导向机构2形成一体结构。

如图8所示，所述驱动机构3包括固定在支撑机构1上的第一压电叠堆31、第二压电叠堆32和第三压电叠堆33；所述第一压电叠31堆驱动柔顺导向机构2在x方向做往复运动，所述第二压电叠堆32和第三压电叠堆33以交错驱动的方式驱动柔顺导向机构2合成yz面上的椭圆轨迹。

如图8本实用新型所述装置为超精密辅助加工装置，需要对于加工过程中的位移检测与反馈进行实时的检测与监控，因此，该装置进一步设置有用于检测三组压电叠堆位移的检测单元4，该检测单元4包括第一位电容位移传感器41、第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43；第一电容位移传感器41的检测端对矩形支撑框21的x向位移进行实时检测，第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43分别对柔性铰链22上部分铰链和下部分铰链进行位移的实时检测，最终将实时测得的位移信号呈现到计算机上以便对驱动压电的输入信号进行再控制。为方便容纳用于检测的电容位移传感器，所述支撑机构1进一步包括设置在左侧立板13上的用于放置第一电容位移传感器41的第一固定卡盘134，设置在后盖板16上用于放置第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43的第二固定卡盘167和第三固定卡盘168，以提供传感器的稳定支撑。

本实用新型所述技术方案利用该装置所述驱动机构3中的第一压电叠堆31给柔顺导向机构2中的矩形支撑框21以高频振动的驱动力，使矩形支撑框21在x方向做往复运动，利用第二压电叠堆32和第三压电叠堆33给设置在矩形支撑框21上的带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22以交错的高频振动的驱动力，使矩形支撑框21在yz面上合成椭圆轨迹，从而实现本实用新型所述椭圆振动切削辅助装置的椭圆振动切削轨迹。

下面通过一组实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，该辅助切削装置包括支撑机构1、柔顺导向机构2、驱动单元3和检测单元4；柔顺导向机构2、驱动机构3和检测单元4位于支撑机构内。

如图1至图6所示，该装置中支撑机构包括底座11、顶盖板12、左侧立板13、右侧立板14、前盖板15和后盖板16。其中，如图1所示，左侧立板13和右侧立板14与底座11形成一U型支撑结构，本实施例中左侧立板13和右侧立板14为一体结构；如图3所示，底座11上均布有3个底座定位孔111；如图4所示，顶盖板12上设有4各顶盖板固定螺纹孔121，并通过顶盖板固定螺钉122与左侧立板13和右侧立板14固定；如图2所示，前盖板15上设置有4个前盖板固定螺孔151，通过前盖板固定螺钉152固定在左侧立板13和右侧立板14上，前盖板15上还包括一个方形的刀具卡槽空口153。如图3所述，后盖板16上设有第二压电叠堆定位螺孔161和第三压电叠堆定位螺孔163，并分别通过第二压电叠堆定位螺钉162和第三压电叠堆定位螺钉164将第二压电叠堆32和第三压电叠堆33固定；后盖板16还设置有后盖板固定螺孔165，通过后盖板固定螺钉166固定在左侧立板13和右侧立板14上；后盖板16上还设置有用于固定第二电容位移传感器42的第二固定卡盘167和固定第三电容位移传感器43的第三定位卡盘168。如图2所示，左侧立板13上设置有用于固定第一铰链支撑块24的两个定位螺孔131，通过定位螺钉132将第一铰链支撑块24固定在左侧立板13上，左侧立板13上还设有通孔133用于放置与第一电容位移传感器41电连接的数据传输线。如图3所示，右侧立板14上设有第一压电叠堆定位螺孔141，通过第一压电叠堆定位螺钉142将第一压电叠堆31固定；该右侧立板14还设有用于固定第二铰链支撑块25的两个定位螺孔143，通过定位螺钉144将第二铰链支撑块25固定在右侧立板14上。本实例中，在所述左侧立板13和右侧立板14靠近柔顺导向机构2的一侧均设有分别用于定位支撑所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25的定位凸台134和定位凸台145，通过该定位凸台134和定位凸台145分别将第一铰链支撑块和第二铰链支撑块卡在凸台与立板之间行程稳定支撑和定位。

如图7所示，该装置中所述柔顺导向机构2包括第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29；第一铰链组26的一端和第二铰链组27的一端固定在矩形支撑框21的外边框211上，第一铰链组26的另一端和第二铰链组27的另一端固定在第一铰链支撑块24上；第三铰链组28的一端和第四铰链组29的一端固定在矩形支撑框21的外边框211上，第三铰链组28的另一端和第四铰链组29的另一端固定在第二铰链支撑块25上，所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25固定在支撑机构1上；第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形支撑框21以及对称设置在矩形支撑框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29形成复合双平行四杆机构；所述矩形支撑框21进一步设有带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22，所述刀具卡槽23位于矩形支撑框21的几何中心，所述组合柔性铰链22包括以刀具卡槽为对称轴对称的垂直方向上的直圆串联柔性铰链221和y轴向上的复合柔性铰链222，所述串联柔性铰链221和复合柔性铰链222的一端的连接点位于所述刀具卡槽处，复合柔性铰链222的另一端固定在矩形支撑框21的外边框211上。所述第一铰链组26包括第一铰链261和第二铰链262；所述第一铰链261的一端和第二铰链262的一端固定连接，所述第一铰链261的另一端和第二铰链262的另一端分别固定在第一铰链支撑块24和矩形支撑框21上，所述第一铰链261和第二铰链262平行放置；所述第二铰链组27包括第三铰链271和第四铰链272，所述第三铰链271的一端和第四铰链272的一端固定连接，所述第三铰链271的另一端和第四铰链272的另一端分别固定在第一铰链支撑块24和矩形支撑框21；所述第三铰链271和第四铰链272平行放置；所述第三铰链组28包括第五铰链281和第六铰链282，所述第五铰链281的一端和第六铰链282的一端固定连接，所述第五铰链281的另一端和第六铰链282的另一端分别固定在第二铰链支撑块25和矩形支撑框21；所述第五铰链281和第六铰链282平行放置；所述第四铰链组29包括第七铰链291和第八铰链292，所述第七铰链291的一端和第八铰链292的一端固定连接，所述第七铰链291的另一端和第八铰链292的另一端分别固定在第二铰链支撑块25和矩形支撑框21；所述第七铰链291和第八铰链292平行放置。本实用新型为了保证装置的加工精度，降低装配难度和装配误差，采用线切割的方式对柔顺导向单元2进行加工，使柔顺导向机构2形成一体结构。本实例中所述柔顺导向结构2通过4个铰链组、两个“工”型铰链支撑块和矩形支撑框21形成一复合双平行四杆机构。矩形支撑框21的内部设有一个上下结构对称的且中间带有刀具卡槽的柔性铰链，该刀具卡槽位于矩形支撑框21的几何中心，该部分采用杠杆的原理，利用设置在右侧立板14上与x轴平行的第一压电叠堆31驱动矩形支撑框21实现x方向的往复运动，利用设置在后盖板16上与y轴平行的第二压电叠堆32和第三压电叠堆33驱动矩形支撑框设置的具有刀具卡槽的柔性铰链在yz面上合成椭圆振动，分别利用第一电容位移传感器41、第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43对矩形支撑框21的位移进行检测。

如图8所示，该装置中驱动单元3由三个型号相同的圆柱形的第一压电叠堆31、第二压电叠堆32和第三压电叠堆33组成；第一压电叠堆31给柔顺导向机构2中的矩形支撑框21以高频振动的驱动力，使矩形支撑框21在x方向做往复运动，利用第二压电叠堆32和第三压电叠堆33给设置在矩形支撑框21上的带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22以交错的高频振动的驱动力，使矩形支撑框21在yz面上合成椭圆轨迹，从而实现本实用新型所述椭圆振动切削辅助装置的椭圆振动切削轨迹。

如图8所示，该装置中检测单元4包括第一电容位移传感器41、第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43，第一电容位移传感器41位于左侧立板13上的第一固定卡盘134上，第二电容位移传感器42固定在位于后盖板16上的第二固定卡盘167上，第三电容位移传感器43位于后盖板16上的第三固定卡盘168上，第一电容位移传感器41的检测端对矩形支撑框21的x向位移进行实时检测，第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43分别对柔性铰链22上部分铰链和下部分铰链进行位移的实时检测，最终将实时测得的位移信号呈现到计算机上以便对驱动压电的输入信号进行再控制。

装置装配完毕，利用定位螺钉，通过底座11上的定位螺孔111将该辅助装置固定在超精密车床的滑动导轨上。分别给三个压电叠堆施加如下信号：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=a_{1}sin(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_1)\\ u_{y1}\left(t\right)=a_{2}sin(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_2)\\ u_{y2}\left(t\right)=a_{3}sin(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_3)\end{array}\right.$

式中，a₁、a₂和a₃为输入正弦信号的振动幅值，f为输入正弦信号的振动频率，φ₁、φ₂、φ₃为输入正弦信号的初始相位。x向正弦信号驱动第一压电叠堆31伸缩变化，进而推动柔顺导向机构2的矩形支撑框21在x方向上做往复运动，其往复运动的原理如图9所示，利用复合双平行四杆机构克服垂直方向的运动耦合，并且复合平行四杆机构的一半刚度，采用该结构使水平方向的位移大大增加。y向的两个正弦信号分别驱动第二压电叠堆32和第三压电叠堆33推动对称直圆串联柔性铰链221，并在复合柔性铰链222的牵引下，在yz平面上做椭圆轨迹运动，此运动的原理如图10所示，通过第二压电叠堆32对串联柔性铰链221的上半部分施加Fy1的力，通过第三压电叠堆33对串联柔性铰链221的下半部分施加Fy2的力，通过上述提供的具有相位差的正弦信号，使刀具卡槽23沿如图10中虚线所描述的位置，沿椭圆轨迹运动，可以通过调节a₂和a₃的大小以及相位φ₂、φ₃的大小，进而调节yz面内形成的椭圆轨迹的形状。通过上述x向的正弦驱动信号驱动的x向往复运动，以及y向的两个正弦驱动信号驱动的yz面内的椭圆运动，可以合成空间三维椭圆运动，其原理如图11所示，通过第一压电叠堆31对矩形支撑框21施加Fx的力，通过第二压电叠堆32对串联柔性铰链221的上半部分施加Fy1的力，通过第三压电叠堆33对串联柔性铰链221的下半部分施加Fy2的力，最终实现如图11右侧所述的三维椭圆运动。同样，可以通过调节三个振动幅值a₁、a₂和a₃的大小以及三个相位φ₁、φ₂、φ₃的大小来调节三维空间内形成的椭圆运动轨迹的形状。根据三个压电叠堆布置的具体位置，在每个压电叠堆的附近设置与其相对应的电容位移传感器对压电叠堆进行实时检测，第一电容位移传感器41的检测端对矩形支撑框21的x向位移进行实时检测，第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43分别对柔性铰链22上部分铰链和下部分铰链进行位移的实时检测，最终将实时测得的位移信号呈现到计算机上以便对驱动压电的输入信号进行再控制。

综上所述，本实用新型所述技术方案在水平方向上采用复合双平行四杆机构模式，该模式不仅使的水平方向的位移大大增加，而且使得水平方向运动的柔性铰链上的应力大大减小，提高了机构的使用寿命；本实用新型所述技术方案在yz面内采用的是两压电平行的二维EVC结构方式，但由于在两端使用了串联的柔性铰链，中间采用一复合柔性铰链牵引，不仅实现了低耦合运行下的高频率运动，而且结构简单，易于实现；本实用新型所述技术方案中柔顺导向单元采用线切割加工的板型一体机构，减小了传统装配的误差。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (8)

1.基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，该装置包括支撑机构(1)、柔顺导向机构(2)和驱动机构(3)，所述柔顺导向机构(2)和驱动机构(3)固定在支撑机构(1)上，所述驱动机构(3)以点接触方式驱动柔顺导向机构(2)；

所述柔顺导向机构(2)包括第一铰链支撑块(24)、第二铰链支撑块(25)、矩形支撑框(21)以及对称设置在矩形支撑框(21)上的第一铰链组(26)、第二铰链组(27)、第三铰链组(28)和第四铰链组(29)；第一铰链组(26)的一端和第二铰链组(27)的一端固定在矩形支撑框(21)上，第一铰链组(26)的另一端和第二铰链组(27)的另一端固定在第一铰链支撑块(24)上；第三铰链组(28)的一端和第四铰链组(29)的一端固定在矩形支撑框(21)上，第三铰链组(28)的另一端和第四铰链组(29)的另一端固定在第二铰链支撑块(25)上，所述第一铰链支撑块(24)和第二铰链支撑块(25)固定在支撑机构(1)上；第一铰链支撑块(24)、第二铰链支撑块(25)、矩形支撑框(21)以及对称设置在矩形支撑框(21)上的第一铰链组(26)、第二铰链组(27)、第三铰链组(28)和第四铰链组(29)形成复合双平行四杆机构；所述矩形支撑框(21)进一步设有带有刀具卡槽(23)的组合柔性铰链(22)，所述刀具卡槽(23)位于矩形支撑框(21)的几何中心，所述组合柔性铰链(22)包括串联柔性铰链(221)和复合柔性铰链(222)，所述串联柔性铰链(221)和复合柔性铰链(222)的一端的连接点位于所述刀具卡槽(23)处，复合柔性铰链(222)的另一端固定在矩形支撑框(21)上；所述柔顺导向机构为线切割加工的一体结构；

所述驱动机构(3)包括固定在支撑机构(1)上的第一压电叠堆(31)、第二压电叠堆(32)和第三压电叠堆(33)；

所述第一压电叠堆(31)驱动柔顺导向机构(2)在x方向做往复运动，所述第二压电叠堆(32)和第三压电叠堆(33)以交错驱动的方式驱动柔顺导向机构(2)合成yz面上的椭圆轨迹。

2.根据权利要求1所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，

所述第一铰链组(26)包括第一铰链(261)和第二铰链(262)；所述第一铰链(261)的一端和第二铰链(262)的一端固定连接，所述第一铰链(261)的另一端和第二铰链(262)的另一端分别固定在第一铰链支撑块(24)和矩形支撑框(21)上，所述第一铰链(261)和第二铰链(262)平行放置；

所述第二铰链组(27)包括第三铰链(271)和第四铰链(272)，所述第三铰链(271)的一端和第四铰链(272)的一端固定连接，所述第三铰链(271)的另一端和第四铰链(272)的另一端分别固定在第一铰链支撑块(24)和矩形支撑框(21)；所述第三铰链(271)和第四铰链(272)平行放置；

所述第三铰链组(28)包括第五铰链(281)和第六铰链(282)，所述第五铰链(281)的一端和第六铰链(282)的一端固定连接，所述第五铰链(281)的另一端和第六铰链(282)的另一端分别固定在第二铰链支撑块(25)和矩形支撑框(21)；所述第五铰链(281)和第六铰链(282)平行放置；

所述第四铰链组(29)包括第七铰链(291)和第八铰链(292)，所述第七铰链(291)的一端和第八铰链(292)的一端固定连接，所述第七铰链(291)的另一端和第八铰链(292)的另一端分别固定在第二铰链支撑块(25)和矩形支撑框(21)；所述第七铰链(291)和第八铰链(292)平行放置。

3.根据权利要求2所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，所述支撑机构(1)包括底座(11)、顶盖板(12)以及设置在底座(11)和顶盖板(12)之间的用于固定柔顺导向机构(2)的左侧立板(13)和右侧立板(14)；所述左侧立板(13)和右侧立板(14)靠近柔顺导向机构(2)的一侧设有用于定位支撑所述第一铰链支撑块(24)和第二铰链支撑块(25)的定位凸台；所述右侧立板(14)上设有用于放置第一压电叠堆(31)的第一压电叠堆定位螺孔(141)。

4.根据权利要求3所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，所述底座(11)与左侧立板(13)和右侧立板(14)形成U型的支撑结构，所述底座(11)上设有与外部设备固定的至少三个底座定位孔(111)。

5.根据权利要求3所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，所述支撑机构(1)进一步包括固定在左侧立板(13)和右侧立板(14)上的前盖板(15)，所述前盖板(15)设置有用于容纳所述刀具卡槽的空口(153)。

6.根据权利要求3所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，所述支撑机构(1)进一步包括固定在所述左侧立板(13)和右侧立板(14)上的后盖板(16)，所述后盖板上设有用于放置第二压电叠堆(32)的第二压电叠堆定位螺孔(161)和用于放置第三压电叠堆(33)的第三压电叠堆定位螺孔(163)。

7.根据权利要求5所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，该装置进一步包括用于检测三组压电叠堆位移的检测单元(4)，该检测单元(4)包括第一电容位移传感器(41)、第二电容位移传感器(42)和第三电容位移传感器(43)。

8.根据权利要求7所述的椭圆振动切削辅助装置，其特征在于，所述支撑机构(1)进一步包括

设置在左侧立板(13)上的用于放置第一电容位移传感器(41)的第一固定卡盘(133)；

设置在后盖板(16)上用于放置第二电容位移传感器(42)和第三电容位移传感器(43)的第二固定卡盘(167)和第三固定卡盘(168)。