一种基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器的制作方法

本实用新型属于超精密切削加工技术领域，涉及一种基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器。

背景技术：

随着航空航天、纳米和微电子等领域相关技术的飞速发展，对如V-槽等微米级并具有特殊机械特性的微结构元件的需求日益提高，相应地，对其精密加工技术的要求也大幅度提高。而传统的加工方法已经无法满足微结构加工技术的工业需求。因此，激光加工、电化学加工、一维振动切削等加工技术相继被提出。但是这些技术的应用也受到如工件表面热变形、加工效率低、成本昂贵等一些限制，从而使其实际应用受到限制。

传统机构通过刚性运动副的转动或移动而获得所期望的运动和力的输出，而大量运动副的使用不仅存在振动冲击、摩擦、磨损等不利因素，同时其本身的制作需要很多复杂工艺并生产很多零件，花大量人力、物力来装配，再加上尺寸效应的存在，传统的运动副中零件多，不可能做得很小。然而，机构和机器人等的微型化是目前机械领域的重要方向之一，传统机构给机构的微型化，特别是微型并联机器人、微机电系统和微传感器、微定位机械、微操作机械等的发展带来了限制。

针对以上问题，通过柔性铰链变形产生椭圆轨迹的振动器应运而生，然而现有的通过柔性铰链变形产生椭圆轨迹的振动器普遍存在以下问题：1.容易产生运动耦合，难以控制；2.运动部件的质量较大，难以实现高频切削，参数调整的范围有限；3.装置的稳定性差，使用寿命短。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器，利用柔性铰链的弯曲变形创成椭圆运动，达到高精度的目的。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器，所述振动器包括三组振动体、位于所述三组振动体下方的刀架和位于所述刀架下方的刀具，所述三组振动体两两之间呈120°分布和连接，每组振动体包括位于振动体上部的压电陶瓷、与所述压电陶瓷下表面连接的单自由度柔性铰链组以及与单自由度柔性铰链组下表面连接的至少一个三自由度柔性铰链机构，所述三自由度柔性铰链机构包括矩形中间柔性体、位于所述中间柔性体上方的与单自由度柔性铰链组下表面连接的双自由度上柔性铰链以及位于所述中间柔性体下方的与所述刀架上表面连接的双自由度下柔性铰链，其中所述双自由度上柔性铰链的垂直中心轴线位于所述中间柔性体的左半侧，所述双自由度下柔性铰链的垂直中心轴线位于所述中间柔性体的右半侧。

进一步地，每组振动体包括4个三自由度柔性铰链机构。

进一步地，所述双自由度上柔性铰链和双自由度下柔性铰链均为中心对称的双曲线形。

进一步地，所述刀架为圆盘状。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)在刀具与工件相互分离的运动过程中，切削热得以散发，切屑得以与工件和刀具分离，这有利于提高工件的表面质量，延长刀具的使用寿命；

(2)通过对驱动信号的幅值、频率和相位的调整，能够产生三维的空间椭圆运动，实现复杂形状的加工，同时驱动信号之间互不干扰，不产生耦合，利于控制与调整；

(3)共有三组振动体来创成运动，其排列方式易于增强装置及运动的稳定性，且通过运动的合成性质，利于达到行程大的目标；

(4)利用柔性机构来创成椭圆运动，属于一体式结构，无需刚性运动副，因此易于制造，且极大地减小了由于装配造成的误差，柔性铰链靠构件自身的弹性变形来实现运动的特点，可以避免振动冲击、摩擦、磨损等缺陷。

附图说明

图1为本实用新型基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器结构示意图。

图2为本实用新型三自由度柔性铰链机构结构示意图。

图3为本实用新型刀具进行椭圆运动的轨迹示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-2，一种基于柔性铰链技术的压电致动椭圆振动器，所述振动器包括三组振动体6、位于所述三组振动体6下方的刀架8和位于所述刀架8下方的刀具9，所述三组振动体6两两之间呈120°分布和连接，每组振动体6包括位于振动体6上部的压电陶瓷1、与所述压电陶瓷1下表面连接的单自由度柔性铰链组2以及与单自由度柔性铰链组2下表面的连接的至少一个三自由度柔性铰链机构10，所述三自由度柔性铰链机构10包括矩形中间柔性体4、位于所述中间柔性体4上方的与单自由度柔性铰链组2下表面连接的双自由度上柔性铰链3以及位于所述中间柔性体4下方的与所述刀架8上表面连接的双自由度下柔性铰链5，其中所述双自由度上柔性铰链3的垂直中心轴线位于所述中间柔性体4的左半侧，所述双自由度下柔性铰链5的垂直中心轴线位于所述中间柔性体4的右半侧，如图1所示，即双自由度上柔性铰链3和双自由度下柔性铰链5的连接线为一斜线，该斜线也即力和位移的传导方向。

进一步地，每组振动体6包括4个三自由度柔性铰链机构10。

进一步地，结合图2，所述双自由度上柔性铰链3和双自由度下柔性铰链5均为中心对称的双曲线形，也可是类似的形状，例如其外轮廓截面为两个对称的凹陷的半圆形。

进一步地，所述刀架8为圆盘状。

进一步地，所述矩形中间柔性体4为正方体形。

本实用新型的工作过程和原理为：

结合图1，通过控制部分向压电陶瓷1输入控制信号，转换为竖直方向的力和位移；双自由度上柔性铰链3、方形中间柔性体4和双自由度下柔性铰链5构成一个三自由度柔性铰链机构10，即能向x、y、z三轴变形。共有四个柔性铰链机构10，组成三自由度柔性铰链组7，单自由度柔性铰链组2将产生的位移向三自由度柔性铰链组7传导，因为双自由度上柔性铰链3和下柔性铰链5在竖直方向的错位，产生水平方向的位移，因而能够传导空间三自由度的运动。这样的振动体6共有三组，在水平面内呈120°排列，通过输入三个独立的电信号，调节三个振动信号之间的振幅、频率及相位差，便能够控制刀架产生三维空间椭圆运动轨迹。矩形中间柔性体4利用平行四边形特性，保证了刀架8始终平行于水平面，因而保证切削点的位置不变。

结合图3，切削动作分为四个步骤，首先是a，切削开始时候刀具接触工件，然后是b，刀具如普通切削过程一样切入工件，第三阶段是c，刀具与工件分离瞬间，椭圆振动切削与普通切削不同的是其分离部分，如d所示，该段过程刀具沿着椭圆路径向上运动并离开工件，最后刀具完全脱离工件并运动到下一个切削过程开始的位置a，进入下一个周期。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。