[实用新型]一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种超精密切削加工装置，特别涉及一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，属于机械精密切削加工技术领域。 

背景技术

近年来，随着超精密切削加工、精密光学、半导体学、数据存储、微电子技术、生物医学等学科的迅猛发展，人们对微纳米级精度的超精密加工技术及装备有着越来越高的要求。目前，用于切削加工的普通车床溜板或数控车床刀架一般采用电机带动滚珠丝杠或者手动细牙螺纹来实现刀具的定位和驱动。上述刀具驱动装置的缺陷是：由于受限自身结构和制造精度以及传动方式，存在结构尺寸过大、定位精度和重复定位精度低、传动不平稳等缺点，不能很好的实现微纳米级切削加工的需要，这严重制约了机械零部件和回转对称非球面光学曲面等的加工精度和表面质量，严重阻碍了制造业发展水平。 

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种定位精度和重复定位精度高、响应速度快、稳定性好的用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置。该装置可实现精密直线定位及运动输出功能，配合机床回转刀架也可实现如运动轨迹为正弦曲线、梯形、三角形或结构阵列等直线、曲线运动。该装置采用压电叠堆作为驱动元件实现刀架的精密驱动，采用电容接触式位移传感器作为信号检测元件实现刀具位移信号的实时采集。 

本实用新型的工作原理是当刀具切削工作时，电容接触式位移传感器6通过与挡块9接触来实时采集刀具的位移信号，位移信号通过控制系统处理输出电压信号来驱动压电叠堆3输出准确的位移量，以此来控制刀具在切削深度方向上的精度，可使刀具10的位移分辨率远小于金属切削机床的最小理论切削深度，实现微纳米级精密切削加工。 

本实用新型通过下述技术方案予以实现，结合附图说明如下： 

一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置，主要由基座、刀架、刀具、驱动元件和信号检测元件组成，所述的驱动元件为压电叠堆3，信号检测元件为精密电容接触式位移传感器6，压电叠堆3过盈配合安装在基座1上开有的矩形槽内，并通过预紧机构预紧，基座1上固定有传感器固定基座7，精密电容接触式位移传感器6间隙配合安装在传感器固定基座7内，并通过传感器紧固螺钉8固定，其前端接触探头始终与刀架2端部的挡块9接触，基座1尾端为连接装置11，刀架2通过第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14与基座1连接，刀具10通过刀具紧固螺钉15安装在刀架2的刀槽中。

所述的传感器固定基座7通过粘接的方式与基座1固连或与基座1为同一整体，所述的连接装置11、第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14、挡块9和刀架2与基座1均为同一整体。 

所述的预紧结构采用自锁式预紧楔形块4，其预紧力由预紧螺钉5提供，对压电叠堆3进行正向预紧和反向自锁。 

与基座1为同一整体的第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14、挡块9、刀架2和传感器固定基座7通过电火花线切割方式进行加工；第一、二、三平行板型薄壁柔性铰链12、13、14在压电叠堆3的驱动力作用下，发生微小弯曲变形输出精密直线位移至刀片10，当压电叠堆3的驱动力撤销时，回到初始位置。 

所说的精密驱动单元压电叠堆3为可控型精密致动元件，通过对压电叠堆3施加电压时，可实现刀架2沿x方向的精密可控直线运动。利用压电叠堆3的精密驱动作用，可使刀片10的运动位移分辨率远小于金属切削机床能达到的最小切削深度，从而实现微纳米级的表面车削，利用压电叠堆3的快速响应作用和基本线性的电压-输出位移关系，可实现切削深度的精密控制。 

本实用新型的有益效果是：（1）通过精密电容接触式位移传感器拾取刀具实际位移以及压电叠堆直线位移的精确输出，可对被加工表面进行远远小于切削机床能达到的理论切削深度的微量切削并对切削加工过程进行实时误差补偿，从而能实现较大程度的降低工件表面粗糙度，提高刀具系统的定位精度。（2）配合切削机床的回转刀架，也可以实现刀具的简谐、间歇、连续等形式的运动规律，完成精密机械部件、回转对称非球面等复杂曲面以及正弦、矩形、三角形或结构阵列等形状的工件表面的超精密加工和刀具补偿。（3）结构简单、动态性能良好、成本低。 

附图说明

图1是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的俯视图； 

图2是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的立体图；

图3是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置的主视图；

图4是用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置结构示意图；