三自由度纳米级微定位工作台制造技术

本发明专利技术涉及一种用于平面磨削主动控制的新型数控纳米级微定位工作平台。三自由度纳米级微定位工作台，主要由三个可以沿轴向发生位移变化的压电陶瓷驱动器以及三个圆形凹槽弹性铰链等构成，每个驱动器的上部装有球形接头并与弹性铰链形成赫兹接触。弹性铰链、弹性预紧环以及立柱固连在一起构成预紧机构，弹性预紧环通过螺栓和动平台连接。立柱与预紧机构和底座刚性连接成为一整体结构。每个位移传感器的两个极板通过各自的固定支架分别固定于弹性预紧环和底座上，并与压电陶瓷驱动器相互间隔６０°。本发明专利技术的特点在于，提高磨削加工精度可以达到纳米级的水平，使得在超精密平面磨削加工中，进给系统能实现纳米级的分辨率和定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于平面磨削主动控制的新型数控微定位工作台。
技术介绍
磨削加工是一种精密加工的有效方法，利用精密磨削加工技术可以直接达到微米级的加工精度，但是欲进一步提高磨削的加工精度，则受到磨床机械进给系统分辨率的限制。另外，在磨削过程中在线修整和砂砾的脱落将导致砂轮偏心，进而引起砂轮的振动，从而使得砂轮和工件之间的相对位置发生变化，降低磨削加工的表面质量。通常砂轮的转速高达3000-5000r/min左右，要对频率为50-84Hz的外界振动干扰进行动态补偿，其执行单元的响应频率需要更高。由于磨床进给系统的进给质量较大，所以其动态响应频率较低，很难对砂轮偏心引起的振动进行在线的动态补偿。因此，研究一种具有高响应速度和精确位移控制的新型微定位工作台具有重要的理论意义和经济价值。它可作为精密机床的辅助工作台，有效地提高精密机床的进给精度等级，实现对机床静动态加工误差的微动调整和补偿。建造纳米级的微定位工作台的技术难度在于，如何提高其定位精度、位移分辨率、动静态刚度以及响应速度，从而使其能满足磨削加工辅助定位和动态补偿的要求。本专利技术的提出可使上述难题得到解决。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微定位工作台作为精密磨床的辅助定位平台，与机床原有进给机构相结合，可以实现快速大行程进给和位置调整以及微量进给和精密定位并能对砂轮的振动进行在线动态补偿。本专利技术通过以下技术方案予以实现。参照附图，三自由度纳米级微定位工作台，主要由动平台1、压电陶瓷驱动器2、位移传感器3以及底座4构成。三个可以沿轴向发生位移变化的压电陶瓷(PZT)驱动器2沿圆周等间隔通过调整垫片11与底座4连接，并用螺栓刚性固定，通过调整垫片11的厚度，可以对PZT驱动器2施加预紧力。驱动器上部通过螺纹与球形接头6连接并且球形接头6与弹性铰链7形成赫兹接触。三个圆形凹槽弹性铰链7沿圆周也以等间隔的方式刚性固定在连接环8上，这种布置形式可以提供各向同性的侧向刚度，并能限制动平台绕z轴的转动。弹性铰链7、连接环8以及立柱5固连在一起构成预紧机构，连接环8通过螺栓和动平台1连接。立柱5与预紧机构和底座4刚性连接成为一整体结构，减少了制造和装配误差，并限制了动平台沿x、y轴的平动自由度和绕z轴的转动自由度。三个位移传感器3的两个极板通过各自的固定支架9、10沿压电陶瓷(PZT)驱动器2所在圆周等间隔分别固定于连接环8和底座4上，并与压电陶瓷(PZT)驱动器2相互间隔60°。三个压电陶瓷PZT驱动器2并联驱动动平台1，使得动平台具有空间姿态调整能力。本专利技术的特点在于，此平台可作为精密磨床的辅助定位平台，与机床原有进给机构相结合，实现快速大行程进给和位置调整以及微量进给和精密定位并能够对砂轮偏心引起的振动进行在线动态补偿。附图说明图1为三自由度纳米级微定位工作台的立体视图。图2为预紧机构与底座固连所构成的立体视图。图3为本专利技术的控制流程图。其中1-动平台；2-压电陶瓷驱动器；3-位移传感器；4-底座；5-立柱；6-球形接头；7-弹性铰链；8-连接环；9、10-固定支架；11-调整垫片。具体实施例方式本专利技术为一种微定位工作台。如图1～图3所示，对本实施例而言，工作台的尺寸为Φ150×145mm3，压电陶瓷(PZT)驱动器的参数为最大推力3000N，轴向刚度400N/μm，三个高精度的电容式位移传感器的参数为动态测量范围为0-10KHz，量程为50μm，分辨率为1nm。为便于工件的装卡，动平台上表面具有孔距为12.5×12.5mm2的M2螺纹孔。动平台下表面Φ120mm的圆周上有6个等间距的螺纹孔用来和连接环通过螺栓连接。连接环为一个空心圆柱体，其内外径分别为Φ100mm和Φ150mm厚度为10mm。为了提高运动精度，三个弹性铰链7通过连接环8构成预紧和导向机构，即采用了圆形凹槽的弹性铰链作为微定位工作台的预紧和导向机构。圆形凹槽弹性铰链7的一端固定在连接环上，另一端和立柱直接相连，且三个弹性铰链沿周向等间隔布置。三个弹性铰链的转动中心分别位于连接环下15mm处并和Φ72mm的圆周相切。利用螺栓将PZT驱动器的下部通过垫片和底座连接，PZT驱动器的上部通过球形接头和弹性铰链的一端以赫兹接触方式连接。即压电陶瓷(PZT)驱动器2和动平台1之间为赫兹接触。利用PZT驱动器和底座之间的垫片可以调整预紧环节对PZT驱动器施加预紧力的大小。适当的预紧力可以防止在PZT驱动器快速伸长的过程中动平台和球形接头之间的分离。为了克服PZT的非线性对微定位工作台特性的影响，采用三个高精度的电容式位移传感器直接测量动平台的实际输出位移从而形成全闭环控制。电容式传感器的目标极板和测量极板分别固定在支架9、10上，两极板之间的距离为50μm。支架9、10分别通过螺栓与连接环8和底座相连接，并且和PZT驱动器的间隔为60°。该种电容式位移传感器的布置方式可以直接测量动平台的实际输出，从而可以形成全闭环控制。由计算机控制的三通道电压放大器用来提供PZT驱动器伸缩所需要的电流。(如图3所示)三个电容式位移传感器测量的数值由16位的采集卡输送到计算机。由电容式位移传感器测量的数值计算出动平台的实际位置和姿态并与理论数值对比，利用编制的数字PID控制算法得到每个PZT驱动器所需要的补偿量的大小，进而可以通过16位的数模转换器实现对动平台姿态的调整。三个PZT驱动器的协调运动可以实现动平台沿两个水平轴的转动和一个垂直轴的平台。本专利技术具有静动态刚度高、定位精度高、控制灵活并具有姿态调整能力。可用于磨削加工的辅助精密定位和振动动态补偿，也可用于光学器件的测量。权利要求1.三自由度纳米级微定位工作台，主要由动平台(1)、压电陶瓷驱动器(2)、电容式位移传感器(3)以及底座(4)构成，其特征在于三个压电陶瓷(PZT)驱动器(2)沿圆周等间隔通过调整垫片(11)与底座(4)刚性固定，每个驱动器(2)上部通过螺纹与球形接头(6)连接并且球形接头(6)与弹性铰链(7)形成赫兹接触，三个圆形凹槽弹性铰链(7)沿圆周也以等间隔的方式刚性固定在连接环(8)上，弹性铰链(7)、连接环(8)以及立柱(5)固连在一起构成预紧机构，连接环(8)通过螺栓和动平台(1)连接，立柱(5)和底座(4)刚性连接成为一整体结构，三个电容式位移传感器(3)的两个极板通过各自的固定支架(9、10)沿压电陶瓷(PZT)驱动器(2)所在圆周等间隔分别固定于连接环(8)和底座(4)上，并与压电陶瓷(PZT)驱动器(2)相互间隔60°。2.照权利要求1所述的三自由度纳米级微定位工作台，其特征在于所述的三个压电陶瓷(PZT)驱动器(2)并联驱动动平台(1)。3.照权利要求1所述的三自由度纳米级微定位工作台，其特征在于所示的三个电容式位移传感器(3)直接测量动平台(1)的输出位移。4.照权利要求1所述的三自由度纳米级微定位工作台，其特征在于所述的压电陶瓷(PZT)驱动器(2)和动平台(1)之间为赫兹接触。5.照权利要求1所述的三自由度纳米级微定位工作台，其特征在于所示的三个弹性铰链(7)通过连接环(8)构成预紧和导向机构。全文摘要本专利技术涉及一种用于平面磨削主动控制的新型数控纳米级微定位工作平台。三自由度纳米级微定位工作台，主要由三个可以沿轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
三自由度纳米级微定位工作台，主要由动平台（１）、压电陶瓷驱动器（２）、电容式位移传感器（３）以及底座（４）构成，其特征在于三个压电陶瓷（ＰＺＴ）驱动器（２）沿圆周等间隔通过调整垫片（１１）与底座（４）刚性固定，每个驱动器（２）上部通过螺纹与球形接头（６）连接并且球形接头（６）与弹性铰链（７）形成赫兹接触，三个圆形凹槽弹性铰链（７）沿圆周也以等间隔的方式刚性固定在连接环（８）上，弹性铰链（７）、连接环（８）以及立柱（５）固连在一起构成预紧机构，连接环（８）通过螺栓和动平台（１）连接，立柱（５）和底座（４）刚性连接成为一整体结构，三个电容式位移传感器（３）的两个极板通过各自的固定支架（９、１０）沿压电陶瓷（ＰＺＴ）驱动器（２）所在圆周等间隔分别固定于连接环（８）和底座（４）上，并与压电陶瓷（ＰＺＴ）驱动器（２）相互间隔６０°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张大卫，田延岭，闫兵，董科，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]