一种基于柔性铰链结构的可分离式二维超声振动平台的制作方法

1.本发明涉及特种加工技术，特别涉及一种基于直梁型柔性铰链结构的可分离式二维超声振动辅助微铣削工作台。


背景技术：

2.在工业的各个领域内对高精密微小零件的需求正在不断增加，尤其是在航空航天、生物医学、电子通讯、环保等方面。微切削技术，特别是微铣削技术在加工三维复杂结构的微型零部件方面有着其独特的优势，已经成为加工微小三维复杂结构零件的有效途径。但是针对硬脆性材料的微铣削加工如陶瓷、硅、金刚石、光学玻璃等还存在刀具磨损严重、发热量大、表面质量差等问题。为了解决长期以来的难题，国内外普遍采取的方式是在微铣削加工基础上施加振动即振动辅助加工技术。此种技术通过在工件与铣刀之间产生周期性高频振动，使得工件与刀具之间产生周期性间隙，冷却液可以趁机流入工作区域带走热量和切屑。实验表明，振动辅助加工技术可以有效减少微铣削过程中刀具的磨损，切削力的大小和产热量也得到了有效控制，加工工件几何精度和表面质量都获得了明显的提升。与此同时，研究表明，通过振动辅助加工技术还能够在工件表面加工出各种纹理，能够进一步提高工件的表面性能，例如在陶瓷牙齿表面采用振动辅助加工能够提高其疏水性，在金属合金表面通过振动辅助加工出纹理能够提升其光滑性等等。微铣削加工相对于传统铣削加工，对主轴精度提出了更高的要求，因此不能像大机床一样在机床主轴上加超声振动系统。因此，针对微铣削加工，设计一种二维振动工作台可以避免对微机床主轴的改动。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种在两个方向上加上超声振动的基于直梁型柔性铰链结构的可分离式二维超声振动辅助微铣削工作台，可解决普通微铣床加工硬脆材料存在切削力大、刀具磨损严重的问题，同时可用于加工表面纹理提高金属表面属性。
4.本发明所采用的技术方案是：一种基于柔性铰链结构的可分离式二维超声振动平台，所述振动平台包括支撑底座，所述支撑底座的底部固定在机床上；所述支撑底座的内部设置有两自由度运动解耦柔性铰链结构，所述两自由度运动解耦柔性铰链结构包括工作台，所述工作台位于所述两自由度运动解耦柔性铰链结构的中心，所述工作台的四周分别通过内侧柔性铰链与四个运动块相连接，每个所述运动块的两侧均设置有外侧柔性铰链，每个所述外侧柔性铰链的两端分别与所述运动块和所述支撑底座固定连接，所述四个运动块中的其中两个相邻运动块分别与两个位于同一水平面内且相互垂直布置的压电陶瓷驱动结构的出力端相接触，实现所述工作台的两自由度运动。
5.进一步地，所述两自由度运动解耦柔性铰链结构还包括四个固定块，所述四个固定块分别通过螺钉固定连接在所述支撑底座的四个内角处；每个所述外侧柔性铰链的其中一端均固定连接在对应的所述固定块上，所述固定块将两自由度运动解耦柔性铰链结构与
所述支撑底座通过螺钉固定连接。
6.进一步地，所述外侧柔性铰链由两个并联连接的直梁型柔性铰链组成。
7.进一步地，所述内侧柔性铰链由一个直梁型柔性铰链组成或由两个并联连接的直梁型柔性铰链组成。
8.进一步地，所述直梁型柔性铰链的两端部均倒圆角，防止应力集中。
9.进一步地，所述压电陶瓷驱动结构包括封装式柱形压电陶瓷促动器和预紧机构，所述封装式柱形压电陶瓷促动器的出力端与对应的所述运动块紧密接触，并且，通过所述预紧机构向所述封装式柱形压电陶瓷促动器提供预紧力。
10.进一步地，所述压电陶瓷驱动结构还包括压电陶瓷支撑块，所述封装式柱形压电陶瓷促动器由所述压电陶瓷支撑块支撑，所述压电陶瓷支撑块与所述支撑底座固定连接。
11.进一步地，所述预紧机构包括预紧模块和预应力螺栓，所述预紧模块与所述封装式柱形压电陶瓷促动器的末端紧密接触，所述预应力螺栓螺纹连接在所述支撑底座的侧壁上，并且，所述预应力螺栓的端部伸入至所述支撑底座内与所述预紧模块紧密接触并向所述预紧模块提供压力，由所述预紧模块向所述封装式柱形压电陶瓷促动器直接提供预紧力。
12.进一步地，所述封装式柱形压电陶瓷促动器由压电陶瓷控制器提供电压，通过调节所述压电陶瓷控制器输出功率与频率以调节所述工作台振动的幅值与频率。
13.本发明的有益效果是：
14.振动平台内外皆采用并联结构的直梁型柔性铰链，这样可以抵消各模块产生的寄生误差，以提高平台的精度；同时，这种对称式的结构也能提高平台抵抗热效应等外界干扰的能力；而且可以提高平台的轴向刚度，有效提高平台的固有频率。其中位于工作台中间处的圆孔是为了装夹工件，两自由度运动解耦柔性铰链结构的固定块与支撑底座水平相接，能够起到更好的固定作用。支撑底座与两自由度运动解耦柔性铰链结构可分离，可设计多种柔性铰链结构适用于不同加工场合。通过调节所述计算机的输入功率与频率可以调节所述工作台振动的幅值与频率。
附图说明
15.图1：本发明的立体结构示意图；
16.图2：本发明的主视图；
17.图3：发明的俯视图；
18.附图标注：
19.1——支撑底座；
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2——两自由度运动解耦柔性铰链结构；
20.3——螺钉；
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4——压电陶瓷驱动结构；
21.5——固定块；
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6——工作台；
22.7——内侧柔性铰链；
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8——运动块；
23.9——外侧柔性铰链；
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10——封装式柱形压电陶瓷促动器；
24.11——压电陶瓷支撑块；
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12——预紧模块；
25.13——预应力螺栓。
具体实施方式
26.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
27.如附图1至图3所示，一种基于柔性铰链结构的可分离式二维超声振动平台，所述振动平台包括支撑底座1、两自由度运动解耦柔性铰链结构2和压电陶瓷驱动结构4等。
28.所述支撑底座1的底部通过螺栓直接固定在机床上。所述支撑底座1的内部通过螺钉3与所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2相连接，用于支撑和固定所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2。所述支撑底座1与所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2可分离，可设计多种不同结构和尺寸的柔性铰链结构，对应不同的固有频率和刚度，以适用于不同加工场合。
29.所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2包括一个居中设置的工作台6、四个起固定作用的固定块5、四个负责传递运动的运动块8、四个内侧柔性铰链7和八个外侧柔性铰链9。所述四个固定块5分别通过螺钉3固定连接在所述支撑底座1的四个内角处并与所述支撑底座1紧密接触，能够起到更好的固定作用。所述工作台6位于所述支撑底座1的内部中心，所述工作台6的四周分别通过所述四个内侧柔性铰链7与所述四个运动块8相连接，每个所述运动块8的两侧均设置有外侧柔性铰链9，每个所述外侧柔性铰链9的一端与所述运动块8固定连接、另一端固定连接在对应的所述固定块5上，通过所述固定块5与所述支撑底座1固定连接。所述四个运动块8中的其中两个相邻运动块8分别与两个位于同一水平面内且相互垂直布置的压电陶瓷驱动结构4相连接，实现所述工作台6的两自由度运动。
30.所述外侧柔性铰链9由两个并联连接的直梁型柔性铰链组成。所述内侧柔性铰链7由一个直梁型柔性铰链组成或由两个并联连接的直梁型柔性铰链组成，本实施例中，所述内侧柔性铰链7由两个并联连接的直梁型柔性铰链组成。所有直梁型柔性铰链的两端部均倒圆角，防止应力集中。
31.所述压电陶瓷驱动结构4包括封装式柱形压电陶瓷促动器10、预紧机构和压电陶瓷支撑块11。所述封装式柱形压电陶瓷促动器10的出力端与对应的所述运动块8紧密接触，并且，通过所述预紧机构向所述封装式柱形压电陶瓷促动器10提供预紧力，其中，所述预紧机构包括预紧模块12和预应力螺栓13，所述预紧模块12与所述封装式柱形压电陶瓷促动器10的末端紧密接触，所述预应力螺栓13螺纹连接在所述支撑底座1的侧壁上，并且，所述预应力螺栓13的端部伸入至所述支撑底座1内与所述预紧模块12紧密接触并向所述预紧模块12提供压力，从而向所述封装式柱形压电陶瓷促动器10提供预紧力。所述封装式柱形压电陶瓷促动器10由所述压电陶瓷支撑块11支撑，所述压电陶瓷支撑块11与所述支撑底座1固定连接。
32.所述封装式柱形压电陶瓷促动器10由压电陶瓷控制器提供电压，将电信号转换成振动位移信号并传递给所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2，使所述两自由度运动解耦柔性铰链结构2的所述工作台6进行高频机械振动。通过调节压电陶瓷控制器输入功率与频率可以调节所述工作台6振动的幅值与频率。
33.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可
以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。