专利名称：具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统的制作方法
技术领域：
本发明属于精密数控机床技术领域，涉及一种适用于大尺度、全载荷、 三维复杂型面加工的精密、超精密数控机床的进给系统，具体涉及一种具有 混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统。
背景技术：
随着科学技术的发展，大尺度、三维复杂轮廓、高精度零件的加工需求 越来越多，超精密加工精度已经开始进入纳米级，普通机床加工达不到要求， 而必须采用多轴联动、高速、高精度的高性能数控机床来加工。各国竞相研 究开发大型精密五轴加工机床、坐标级精密加工机床。
机床进给系统是影响机床整机性能的关键因素之一。驱动、传动、导向 对进给系统性能影响很大。提高超精密加工机床进给精度的有效途径之一是 采用宏微驱动，由宏驱动实现加工尺寸及轮廓，由微驱动进行尺寸、轮廓的 误差补偿，从而达到超精密加工要求。宏微驱动的宏动滑台多采用零传动的 直线电机驱动，微动滑台多采用零传动的压电致动器驱动。微动滑台为进给 系统的工作滑台，带动安装其上的工件、或刀具部件、或其他运动部件进行 运动。宏微驱动进给已经用于车刀、镗刀及砂轮的进给系统，进行二维回转 表面加工。
滑台相对滑座的位置姿态有6个自由度，其中一个自由度为沿二者的相 对运动方向，是运动功能方向.，在该方向导轨副只承受摩擦力，要求二者能够进行宏观相对运动，且要求运动摩擦力尽可能小，以减少导轨副摩擦对进 给系统运动平稳性精度的影响;其余5个自由度为运动约束方向，导轨副将
承受2个横向力和3个力矩的约束力，约束方向是决定导轨导向精度的关键， 要求在运动约束方向滑台相对滑座的2个横向线位移和3个角位移的微观位 移尽可能小，以提高导轨导向精度，但约束方向微观位移过小， 一般导轨副 的摩擦力将增加。
微动滑台是工作滑台，其上将安装工件或其他功能部件，微动滑台的导 向精度直接影响宏微驱动精密进给系统的导向精度和运动精度。对小尺度、 二维、只在运动方向承受通过致动器中心线的载荷的微动滑台，如微动滑台 沿Z轴运动，载荷只有通过致动器中心线沿Z轴方向的力Fz，或除了力Fz 外，还有沿Y轴方向的横向力i^V，绕X轴的力矩M^的轻微载荷，尸z、 Fy及 M^为ZY平面内的平面载荷。对于小尺度、二维轻微载荷的微动滑台只需利 用二维平面(ZY平面)内的柔性铰链机构确定其相对宏动滑台位姿，不需为 微动滑台另设导轨。这种宏微驱动进给系统己在精密微型机器人、光刻机、 检测仪的微调整、微型刀架等机构进行了应用。
而关于中大型精密、超精密加工机床，安装工件或主轴头的微动滑台， 一般为大尺度，承受三维空间的全载荷，即有载荷Fz、 Fy、 &及^f》Afy、 Mz，且全载荷为较大的载荷。全载荷为较大的载荷的原因是，虽然微进给运 动的行程小，但微动滑台的尺度却可以非常悬殊，如中大型工作滑台长度可 达几百毫米至几千毫米，虽然精密、超精密加工的切削载荷不大，但三维空 间的切削载荷折算到微动滑台承受的力矩较大。对于上述情况，若微动滑台 利用二维平面柔性铰链机构确定其相对宏动滑台位姿，微动滑台无法承受大载荷、全载荷；导向精度无法保证；用于微驱动的致动器受力状况恶劣(因
致动器可以承受大的推力，但最好不承受或仅承受轻微的横向力及力矩)，影
响致动器的工作性能甚至导致破坏；运动精度也将受影响。因此，解决大尺 度、全载荷宏微驱动精密进给系统的导轨问题成为实现进给精度高、导向精 度高、承载能力强的宏微驱动进给系统的关键技术，并对精密五轴加工机床、 坐标级精密加工机床的研究开发具有十分重的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系 统，用于进行大尺度、全载荷、三维复杂型面加工的精密、超精密数控机床， 具有进给精度高、导向精度高、承载能力强、致动器受力状态好的特点。
本发明所采用的技术方案是， 一种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密 进给系统，包括由下而上依次设置的滑座、直线电机的初级、直线电机的次 级和宏动滑台，滑座与宏动滑台之间还依次设置有宏动滑台运动导轨的定轨 和宏动滑台运动导轨的动轨，宏动滑台运动导轨的动轨可沿动滑台运动导轨 的定轨移动，滑座的上表面由下而上还依次设置有微动滑台运动导轨的定轨、 微动滑台运动导轨的动轨和微动滑台，微动滑台的一侧固定有连接件，宏动 滑台的上面固接有中空的一边开口的致动器变形导轨支承件，致器变形导轨 支承件的开口朝向连接件，微动致动器变形导轨支承件内设置有致动器变形 导轨柔性铰链组件，致动器变形导轨柔性铰链组件的中部设置有压电致动器， 压电致动器的一端与致动器变形导轨支承件的内壁固定连接，另一端与致动 器变形导轨微动块的一端固接，致动器变形导轨微动块的另一端自致动器变 形导轨支承件的开口伸出，并与连接件)固定连接。一种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统，包括由下而上依次 设置的滑座、直线电机的初级、直线电机的次级和宏动滑台，直线电机的初 级的两侧对称设置有微动滑台运动导轨的定轨，微动滑台运动导轨的定轨的 上面间隔设置有微动滑台运动导轨的动轨和宏动滑台运动导轨的动轨，微动 滑台运动导轨的定轨为微动滑台运动导轨和宏动滑台运动导轨的共用定轨， 宏动滑台运动导轨的动轨和微动滑台运动导轨的动轨可分别沿微动滑台运动 导轨共用的定轨移动，滑座的上表面并行设置有微动滑台和中空的一边开口 的致动器变形导轨支承件，微动滑台的上面固定有连接件，致动器变形导轨 支承件的开口朝向连接件，微动致动器变形导轨支承件内设置有致动器变形 导轨柔性铰链组件，致动器变形导轨柔性铰链组件的中部设置有压电致动器， 压电致动器的一端与致动器变形导轨支承件的内壁固定连接，另一端与致动 器变形导轨微动块的一端固接，致动器变形导轨微动块的另一端自致动器变 形导轨支承件的开口伸出，并与连接件固定连接。
本发明的特征还在于，
致动器变形导轨柔性铰链组件包括12个并联的柔性铰链。 宏动滑台运动导轨的定轨和宏动滑台运动导轨的动轨采用滚动导轨或静
压导轨。
微动滑台运动导轨的定轨和微动滑台运动导轨的动轨采用静压导轨或滚
动导轨。
本发明精密进给系统的突出特点是采用宏微驱动，保证了高的运动精 度，-采用混联原理导轨，微动滑台可承受大载荷、全载荷；致动器导轨采用 跨尺度变形、无摩擦的并联原理变形导轨，既可减小致动器承受横向力和力矩，又可通过变形自动调节提高微动滑台的导向精度，使精密进给系统导向 精度高。为大尺度、全载荷、三维复杂型面加工的精密、超精密数控机床提 供了一种运动精度高、承受载荷能力强、导向精度高的精密进给系统。
图1是本发明精密进给系统一种实施例的结构示意图2是图1的A-A剖视图3是本发明精密进给系统另一种实施例的结构示意图4是图3的A-A剖视图5是本发明精密进给系统中致动器变形导轨的结构示意图6是图1所示结构的精密进给系统中混联导轨结合部的原理示意图7是图3所示结构的精密进给系统中混联导轨结合部的原理示意图。 图中，l.滑座，2.直线电机的初级，3.微动滑台运动导轨的定轨，4.微动 滑台运动导轨的动轨，5.宏动滑台，6.致动器变形导轨支承件，7.致动器变形 导轨柔性铰链组件，8.压电致动器，9.致动器变形导轨微动块，IO.连接件，11. 微动滑台，12.直线电机的次级，13.宏动滑台运动导轨的定轨，14.宏动滑台运 动导轨的动轨，Cl.微动滑台运动导轨，C2.宏动滑台运动导轨，C3.致动器变 形导轨，7-l.柔性铰链。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明精密进给系统一种实施例的结构，如图la、 lb所示。包括滑座l， 滑座.l的上表面固定安装有直线电机的初级2，直线电机的初级2的两侧对称 设置有微动滑台运动导轨的定轨3，两微动滑台运动导轨的定轨3的上面分别设置有微动滑台运动导轨的动轨4，微动滑台运动导轨的动轨4可沿微动滑台
运动导轨的定轨3移动，微动滑台运动导轨的动轨4与微动滑台11固定连接， 微动滑台11为倒U形，微动滑台运动导轨的动轨4固接于微动滑台11两侧 壁的端面，滑座1的上表面、直线电机的初级2的两侧还对称设置有宏动滑 台运动导轨的定轨13，宏动滑台运动导轨的定轨13位于直线电机的初级2与 微动滑台运动导轨的动轨4之间，两宏动滑台运动导轨的定轨13的上面分别 设置有可沿宏动滑台运动导轨的定轨13移动的宏动滑台运动导轨的动轨14， 两宏动滑台运动导轨的动轨14固接于宏动滑台5的下表面，宏动滑台5的下 表面、宏动滑台运动导轨的动轨14之间设置有直线电机的次级12，宏动滑台 5位于微动滑台11两侧壁之间，并不与该两侧壁相接触，宏动滑台5的上表 面固接有中空的沿微动滑台11运动方向一边开口的致动器变形导轨支承件6， 致动器变形导轨支承件6处于微动滑台11内，并不与微动滑台11相接触， 微动滑台11顶部内侧设置有ii接件10，连接件10还与微动滑台11的两侧壁 固接，致动器变形导轨支承件6的开口朝向连接件10。
致动器变形导轨支承件6内设置有致动器变形导轨柔性铰链组件7，致动 器变形导轨柔性铰链组件7的中心、沿微动滑台11运动方向设置有压电致动 器8，压电致动器8的一端与致动器变形导轨支承件6的内壁固接，压电致动 器8的另一端与致动器变形导轨微动块9的一端固定连接，致动器变形导轨 微动块9的另一端自致动器变形导轨支承件6的开口伸出，并与连接件10固 定连接。
本发明精密进给系统另一种实施例的结构，如图2a、 2b所示。包括滑座 1，滑座1的上表面固接有直线电机的初级传动机构2，直线电机的初级2的两侧对称设置有微动滑台运动导轨的定轨3，该微动滑台运动导轨的定轨3为
微动滑台运动导轨和宏动滑台运动导轨的共用定轨，微动滑台运动导轨的定
轨3的上面间隔设置有微动滑台运动导轨的动轨4和宏动滑台运动导轨的动 轨14，微动滑台运动导轨的动轨4和宏动滑台运动导轨的动轨14沿微动滑台 运动导轨的定轨3间隔设置，.微动滑台11和宏动滑台5可分别沿微动滑台运 动导轨的定轨3移动，微动滑台运动导轨的动轨4固接于微动滑台11的下表 面，宏动滑台运动导轨的动轨14固接于宏动滑台5的下表面，宏动滑台5的 下表面还固定连接有直线电机的次级12，直线电机的次级12位于两微动滑台 运动导轨的定轨3之间，宏动滑台5的顶面平行设置有微动滑台11和中空的 沿微动滑台11运动方向一边开口的致动器变形导轨支承件6，微动滑台11的 上面靠近致动器变形导轨支承件6的一侧固定有连接件10;致动器变形导轨 支承件6内设置有致动器变形导轨柔性铰链组件7，致动器变形导轨柔性铰链 组件7的中心、沿微动滑台11运动方向设置有压电致动器8，压电致动器8 的一端与致动器变形导轨支承件6的内壁固接，压电致动器8的另一端与致 动器变形导轨微动块9的一端固定连接，致动器变形导轨微动块9的另一端 自致动器变形导轨支承件6的开口伸出，并与连接件10固定连接。
本发明精密进给系统中并联原理变形导轨的结构，如图3所示。包括中 空的致动器变形导轨支承件6，致动器变形导轨支承件6内设置有致动器变形 导轨微动块9，致动器变形导轨微动块9的上下面和两侧面分别通过多个柔性 铰链7-1与致动器变形导轨支承件6的内壁相连接。多个柔性铰链7-1构成致 动器变形导轨柔性铰链组件7，柔性铰链7-l为两端呈铰链特性的弹性构件。 适用于直线电机短次级运动的本发明精密进给系统的混联导轨结合部的原理示意图，如图4所示。微动滑台运动导轨的定轨3和微动滑台运动导
轨的动轨4构成微动滑台运动导轨C1，宏动滑台运动导轨的定轨13和宏动 滑台运动导轨的动轨14组成宏动滑台运动导轨C2，微动滑台运动导轨的定 轨3与宏动滑台运动导轨的定轨13分别与滑座1固定连接，微动滑台11与 宏动滑台5还通过致动器变形导轨C3连接，微动滑台11设置于致动器变形 导轨C3的上方。
适用于直线电机长次级运动的本发明精密进给系统的混联导轨结合部 的原理示意图，如图5所示。微动滑台运动导轨与宏动滑台运动导轨共用的 微动滑台运动导轨的定轨3与滑座1固定连接，微动滑台运动导轨的动轨4 和微动滑台运动导轨的定轨3构成微动滑台运动导轨Cl ，宏动滑台运动导轨 的动轨14和微动滑台运动导轨的定轨3组成宏动滑台运动导轨C2，微动滑 台11与宏动滑台5还通过致动器变形导轨C3连接，微动滑台11与致动器 变形导轨C3并行设置。
微动滑台运动导轨C1和窣动滑台运动导轨C2可均采用滚动导轨或静压 导轨或分别采用滚动导轨和静压导轨。宏动滑台运动导轨的定轨13与微动滑 台运动导轨的定轨3可以分别设置，也可以共用。
压电致动器变形导轨C3由致动器变形导轨支承件6、致动器变形导轨柔 性铰链组件7及致动器变形导轨微动块9组成。致动器变形导轨柔性铰链组 件7包括空间布置的12个柔性铰链，12个柔性铰链是并联关系，压电致动器 8的变形导轨本身为并联原理。柔性铰链为两端呈回转铰链特性的弹性构件， 依靠弹性变形进行导向，压电致动器8的变形导轨在6个自由度方向变形为 跨尺度变形，在压电致动器8驱动进给方向的变形大，满足几十个pm(或更大)的微进给运动行程要求；在其他5个自由度约束方向的变形小(nm级、prad级)，可以减小压电致动器8承受横向力和力矩；而且该变形导轨可以通过变形调节自动补偿微动滑台ll约束方向的位姿偏差，既不增加摩擦，又可保证获得更高的导向精度。
本发明精密进给系统中的宏动滑台运动导轨C2、微动滑台运动导轨Cl和压电致动器变形导轨C3构成混联导轨。连接宏动滑台5和滑座1的宏动滑台运动导轨C2与连接微动滑台11和滑座1的微动滑台运动导轨C1为并联关系，压电致动器变形导轨C3与宏动滑台运动导轨C2及微动滑台运动导轨Cl为串联关系。由于微动滑台11通过微动滑台运动导轨C1直接与滑座1连接，故微动滑台11具有承受大载荷、全载荷的高承载能力，使得宏动滑台运动导轨C2和压电致动器变形导轨C3在约束方向仅承受很小的载荷。
本发明精密进给系统的宏进给采用零传动直线电机驱动，微进给采用零传动压电致动器8驱动，以实现进给系统高进给精度的目标；进给系统的导轨采用混联原理，宏动滑台5和微动滑台11相对滑座1的导轨采用并联原理，致动器变形导轨C3与宏动滑台5及微动滑台11的导轨为串联原理，宏动滑台5和微动滑台11相对滑座1的导轨采用运动导轨副(如滚动导轨、静压导轨)，该运动导轨副的动轨与静轨之间可进行宏观相对位移，以实现微动滑台ll可以承受大载荷、全载荷的高承载能力的目标；致动器变形导轨C3采用进给运动方向变形几十个pm，约束方向变形仅nm级、prad级的跨尺度变形、无摩擦的并联原理变形导轨，.既可实现减小压电致动器8承受的横向力和力矩保护压电致动器8的目标，又可通过变形自动调节提高微动滑台的导向精度，实现精密进给系统导向精度高的目标。本发明精密进给系统的原理也可以应用于回转运动进给系统，将滑座1、 滑台、直线电机和直线运动导轨相应地换为转台座、转台、力矩电机和回转 运动导轨，同时，将变形导轨与压电致动器的结构布局形式进行相应地变化，
保持原理不变。
权利要求
1. 一种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统，其特征在于，包括由下而上依次设置的滑座(1)、直线电机的初级(2)、直线电机的次级(12)和宏动滑台(5)，所述的滑座(1)与宏动滑台(5)之间还依次设置有宏动滑台运动导轨的定轨(13)和宏动滑台运动导轨的动轨(14)，宏动滑台运动导轨的动轨(14)可沿动滑台运动导轨的定轨(13)移动，所述的滑座(1)的上表面由下而上还依次设置有微动滑台运动导轨的定轨(3)、微动滑台运动导轨的动轨(4)和微动滑台(11)，微动滑台(11)的一侧固定有连接件(10)，所述的宏动滑台(5)的上面固接有中空的一边开口的致动器变形导轨支承件(6)，致器变形导轨支承件(6)的开口朝向连接件(10)，微动致动器变形导轨支承件(6)内设置有致动器变形导轨柔性铰链组件(7)，所述的致动器变形导轨柔性铰链组件(7)的中部设置有压电致动器(8)，所述的压电致动器(8)的一端与致动器变形导轨支承件(6)的内壁固定连接，另一端与致动器变形导轨微动块(9)的一端固接，致动器变形导轨微动块(9)的另一端自致动器变形导轨支承件(6)的开口伸出，并与连接件(10)固定连接。
2. —种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统，其特征在于，包 括由下而上依次设置的滑座(1)、直线电机的初级(2)、直线电机的次级(12) 和宏动滑台(5)，所述的直线电机的初级(2)的两侧对称设置有微动滑台运 动导轨的定轨(3)，微动滑台运动导轨的定轨(3)的上面间隔设置有微动滑 台运动导轨的动轨(4)和宏动滑台运动导轨的动轨(14)，微动滑台运动导 轨的定轨(3)为微动滑台运动导轨和宏动滑台运动导轨的共用定轨，宏动滑台运动导轨的动轨(14)和微动滑台运动导轨的动轨(4)可分别沿微动滑台 运动导轨共用的定轨(3)移动，所述的滑座(1)的上表面并行设置有微动 滑台(11)和中空的一边开口的致动器变形导轨支承件(6)，微动滑台(11) 的上面固定有连接件(10)，所述的致动器变形导轨支承件(6)的开口朝向 连接件(10)，微动致动器变形导轨支承件(6)内设置有致动器变形导轨柔 性铰链组件(7)，所述的致动器变形导轨柔性铰链组件(7)的中部设置有压 电致动器(8)，所述的压电致动器(8)的一端与致动器变形导轨支承件(6) 的内壁固定连接，另一端与致动器变形导轨微动块(9)的一端固接，致动器 变形导轨微动块(9)的另一端自致动器变形导轨支承件(6)的开口伸出， 并与连接件(10)固定连接。
3. 根据权利要求1或2所述的精密进给系统，其特征在于，所述的致动 器变形导轨柔性铰链组件(7)包括12个并联的柔性铰链(7-1)。
4. 根据权利要求1或2所述的精密进给系统，其特征在于，所述的宏动 滑台运动导轨的定轨(13)和宏动滑台运动导轨的动轨(14)采用滚动导轨 或静压导轨。
5. 根据权利要求1或2所述的精密进给系统，其特征在于，所述的微动 滑台运动导轨的定轨(3)和微动滑台运动导轨的动轨(4)采用静压导轨或 滚动导轨。
全文摘要
本发明公开了一种具有混联导轨结合部的宏微驱动精密进给系统，包括由下而上依次设置的滑座、直线电机的初级、直线电机的次级、宏动滑台和中空的一边开口的致动器变形导轨支承件，滑座与宏动滑台之间还并行设置有宏动滑台运动导轨，致动器变形导轨支承件内设置有致动器变形导轨柔性铰链组件和压电致动器，与致动器变形导轨微动块的一端固接，致动器变形导轨微动块的另一端自致动器变形导轨支承件的开口伸出，并与连接件固定连接，连接件与微动滑台固接。本发明的宏微驱动精密进给系统具有进给精度高、导向精度高、承载能力强、致动器受力状态好的特点。可用于中大规格、多轴联动精密、超精密数控机床，也可用于其他精密数控机械。
文档编号B23Q5/22GK101474758SQ20091002097
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者刘定强, 虎 李, 杨新刚, 武宏璋, 礼 谢, 黄玉美 申请人:西安理工大学