[发明专利]一种基于双平行柔性铰链的超精密加工车床刀架驱动平台

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工车床刀架驱动平台。

背景技术

超精密加工技术是现代航天军工、光电通讯及遗传工程等先进技术发展的基础；并已成为仪表制造、天文望远镜、激光打印机、光学医疗仪器等技术密集型产品的关键技术。因此精密的生产设备及量测仪器相对的越来越多地得到人们的重视，而要提升设备的精度其关键技术在于平台的微位移进给技术。

压电陶瓷致动器具有位移分辨率高、响应快、刚变大、可微小化等优点，克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，被广泛应用于微定位技术之中。

发明内容

本发明提供一种基于双平行柔性铰链的超精密加工车床刀架驱动平台，以解决驱动平台结构复杂、分辨率低、高应力、精度低的问题。

发明采取的技术方案是：刀架工作台、铰链组及刀架安装底座三者为一体结构，该铰链组包括X向双平行四杆柔性铰链机构、Y向双平行四杆柔性铰链机构，X向双平行四杆柔性铰链机构与刀架安装底座固定连接，Y向双平行四杆柔性铰链机构与刀架工作台固定连接，X向压电驱动器自由端与X向双平行四杆柔性铰链机构顶接、X向压电驱动器固定端与刀架安装底座固定连接，Y向压电驱动器自由端与刀架工作台顶接、Y向压电驱动器固定端刀架安装底座固定连接。

本发明利用微结构设计微位移平台，利用压电驱动器及驱动电压控制系统，建立具有微米级的微位移技术，并运用于精密切削加工技术之中。机构设计依据材料弹性变形的原理，利用压电驱动器作为动力源，当压电驱动器本身产生伸长或收缩变形时，材料受到外力作用，工作平台即可以产生平移的精密位移运动机理。

结合工程实际需要，为实现二维自由度微位移平台，利用两个压电驱动器分别驱动X、Y向平行铰链机构，实现两个方向的精密位移运动，以满足超精密加工技术及定位等方面的需要。实现一种精确实现二维自由度的微位移平台，在行程方面微动平台主要实现X、Y方向的位移量33μm，实现分辨率度± 0.02μnm、系统刚度为14.5N/μm、并能承受一定程度的负载能力的二自由度精密定位平台。

柔性铰链作为微位移平台主要的基本组件，可替代传统的机械轴承，当柔性铰链连结两个刚体时，可做旋转运动或平移运动，且在弹性特性上有几个优点:高精确度、不产生摩擦力、没有磁滞现象、不会磨耗、无余隙、生热少、不需要润滑、若经适当设计对温度变化不敏感、没有反冲力、一体成形的加工制造、不需配件的设计而可减少系统的误差。因此，对柔性铰链的分析和设计尤为重要。

应用柔性结构制作的精密微动定位平台，其优点如下：1) 不会产生磨耗与高稳定性。2) 动作平顺且连续性。3) 降低机构对温度变化的敏感度。4) 其结构是属于一体机构，由单一块母材加工制作而成，没有夹持、焊接所造成的高应力情况或接合点潜变等问题。

采用柔性铰链机构，即能较好地实现上述要求，其缘由是：平台由一对上下对称的平行四杆机构组成，当水平方向受到外力作用时，因其结构的对称性，在垂直方向产生的内力可以相互抵消，垂直方向引起的交叉耦合便由柔性铰链杆长受拉后产生的弹性变形来弥补，这在理论上就克服了柔性铰链机构因产生交叉耦合位移的缺陷。由此可见，该机构不仅很好地保证了工作台在压电陶瓷驱动下的平动特性，而且提高了运动方向的精度。从图3中可以观察到，当受Y方向外力时产生位移，对称的两个四杆机构在X方向产生的交叉耦合恰好相反而相互抵消，从而避免了交叉耦合误差。此外，正是由于这种结构的对称性，大大提高该方向的系统刚度，使其分辨率极高。因此只要确保驱动控制的分辨率高，则整个机电系统的分辨率极高，这样为实现超精密定位创造了更为有利的条件，这也为此本结构设计提供了有益的理论依据。

本发明优点是结构新颖、简单，以压电驱动器为动力源，通过双平行四杆柔性铰链机构、并以该铰链结构做导轨，分别由两个致动器驱动X、Y向的各自双平行四杆柔性铰链机构，以实现精确地控制二维自由度微位移平台。本发明为压电陶瓷致动器微位移加工的方法提供了可借鉴的技术和实践经验，有助于推动面向微细作业技术的发展。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明绞链的结构示意图；

图3是本发明当Y向压电驱动器受到电压作用后，刀架工作台的运动原理图。

具体实施方式