一種壓電驅動三維橢圓微進給運動平臺的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于超精密切削加工以及難加工材料復雜光學零件加工技術領域，特別是 涉及一種壓電驅動三維橢圓微進給運動平臺。
【背景技術】
[0002] 精密、超精密加工技術是適應現代高技術發展需要而發展起來的先進制造技術。 它綜合現代電子技術、測量技術和計算機技術等，是尖端技術產品發展中不可缺少的關鍵 環節，更是機械制造業中最重要的組成部分之一。它不論是在國防軍事工業的發展中，還 是在國民經濟的建設中都有其極其廣泛的應用前景。
[0003] 高精度、高分辨率的精密微進給系統在近代尖端工業生產和科學研究領域內占有 極其重要的地位。它是直接影響精密、超精密切削加工水平、精密測量水平及超大規模集成 電路生產水平的關鍵環節。同時它的各項技術指標是各國高技術發展水平的重要標志。所 以對開展精密進給系統的研究是十分迫切的，有十分重要的現實意義。有利于縮小與先進 國家同行業的差距，促進我國精密儀器儀表、精密超精密加工水平的提高。微進給技術可 應用到各種微小零部件及模具的切削加工、可應用于各種微腔模具的銑削加工、可應用于 電子元器件的加工（例如硅晶片的加工）、可應用于航空航天精密欽合金結構件的加工等， 具有很大的市場及應用領域，有利于推動我國制造技術的發展，促進我國納米技術方面的 研究。
[0004] 國內外大量科技工作者多年來致力于微進給技術的研究，使微進給技術取得了 長足的發展。微進給的實現方法多種多樣，主要分為機械式和機電式兩大類。機械傳動采 用精密傳動裝置或增加減速裝置的方法，這只是一種改良的辦法，它不能克服機械機構中 存在的摩擦、間隙、運動中爬行及分辨率不高等問題。因此實現高精度的微進給非常困難， 效果也不理想。采用彈性變形的方式雖沒有磨擦、間隙和爬行，但只能工作在低頻狀態，且 由于彈性機構需要外力驅動，在大多數情況下不便于控制。
[0005] 近年來，柔性鉸鏈已成為炙手可熱的話題，由于其體積小、無機械摩擦、無間隙且 運動靈敏度高已成為提高精密、超精密加工進給精度的一個重要方面，開創了工作臺進入 納米級的新時代。
[0006] 以壓電陶瓷為驅動器件的微進給技術是超精密加工中普遍使用的技術。美國3L 試驗室（LaurenceLivermoreNationLaboratory)早在1975年就成功地將該技術應用 在超精密金剛石車床橫向進給機構中。1984年日本人E.Kouno設計了用于加工誤差伺服 補償的微進給系統。1985年美國3L試驗室S.R.Patterson與他人合作研制成功了快速伺 服刀架，主要用于提高超精密車床的進給分辨率和精度。1990年日本人Y.Okazaki發表文 章介紹了一種新型的微進給刀架，其結構較新穎，有較好的性能。1991年美國人Thomas A.Dowrj提出了一種用于加工無旋轉對稱中心表面的快速刀架，該刀架優點是有較高頻響 速度，ThomasA.Dowrj認為刀架運動部件的質量和刀架剛度是影響頻響速度的主要因素， 該刀架開環頻響速度好于2KHz。我國80年代也開始了利用壓電陶瓷驅動微量進給技術的 研究。1985年長沙國防科技大學研制了壓電陶瓷車削微進給系統。哈爾濱工業大學研制的 車削用微進給刀架，采用電致伸縮陶瓷驅動，支承刀頭部分是一對彈性膜，其受力狀態可簡 化為雙固定端梁在中間加載，中間部分為剛體，不產生變形。該刀架采用整體化結構設計， 結構簡單、緊湊，體積小，易于控制，使用方便。其最大行程為5um，進給分辨率0. 02um。
[0007] 提高機床的進給精度，是目前亟需解決的問題，是適應現代工業加工要求的必然 趨勢，對提高現代制造業的競爭力有著重要意義。所以如何在現有機床上提高機床的加工 精度，滿足日益增長的加工精度要求，成為制造業的一個核心問題。

【發明內容】

[0008] 本發明提供一種壓電驅動三維橢圓微進給運動平臺，從而實現高精度和高分辨率 的超精密切削加工。
[0009] 本發明采取的技術方案是：右側板和左側板底部分別與底座固定連接，柔性鉸鏈 平臺與右側板和左側板上方連接，直圓型柔性鉸鏈一和直圓型柔性鉸鏈二一端分別與直圓 型柔性鉸鏈和直圓型柔性鉸鏈一端對稱分布連接在工件基座的兩側，該四個直圓型柔性鉸 鏈的另一端分別與工件基座外圈連接，直梁型柔性鉸鏈一和直梁型柔性鉸鏈二一端分別與 直梁型柔性鉸鏈三和直梁型柔性鉸鏈四一端對稱分布連接工件基座外圈的兩側，該四個直 梁型柔性鉸鏈的另一端分別與柔性鉸鏈平臺外圈連接，X軸方向上的壓電疊堆和Y軸方向 上的壓電疊堆分別由螺栓通過孔一、孔二預緊安裝在柔性鉸鏈平臺外圈上，Z軸方向上的壓 電疊堆上部與工件基座下部連接、底部與鍥形組合塊連接，該鍥形組合塊位于微調導軌中， 鍥形組合塊的頂桿穿過微調頂板上的微調螺孔。
[0010] 本發明底座上有用于聯接機床的底座固定孔；
[0011] 本發明工件基座上有用于固定工件的螺孔。
[0012] 本發明利用了壓電陶瓷材料的壓電效應產生微位移，因為其具有的位移分辨率 高、體積小、出力大的特點，同時能夠保證系統具有較高的精度、驅動能力和相對簡單的控 制方式。本發明利用柔性鉸鏈所具備的結構緊湊、無磨損、無傳動空程的特點，設計了柔性 鉸鏈平臺來完成微位移的傳遞，最大限度的減少微位移傳遞過程中在精度上的損失從而彌 補壓電陶瓷進給步幅小的缺點。通過對x、Y和Z方向上的壓電疊堆輸入信號直接驅動柔性 鉸鏈平臺，使位于微進給運動平臺上的工件產生三維橢圓運動軌跡，實現超精密切削加工 以及難加工材料復雜光學零件加工。
[0013] 本發明的優點是：
[0014] (1)壓電驅動的三維橢圓微進給運動平臺運動平滑，分辨率高，剛度好。本發明 的柔性鉸鏈平臺由壓電疊堆直接驅動，柔性鉸鏈作為導向機構。
[0015] (2)整體柔性裝置為柔性鉸鏈運動平臺，整體結構相對簡單，易于制造，柔性裝置 的體積小，質量小，易于實現柔性裝置的高頻加工，同時減小