[发明专利]基于柔性机构的宏微耦合次摆线微納划痕实验机

说明书

基于柔性机构的宏微耦合次摆线微納划痕实验机，它涉及一种划痕实验机，具体涉及基于柔性机构的宏微耦合次摆线微納划痕实验机。本发明为了解决微纳加工结构大多采用刚性结构形式，其对装配精度要求很高，且行程小、难以微小化，对复杂表面结构的加工能力不足的问题。本发明包括安装台、试样盘承载组件、试样盘、刀盘安装组件、刀盘和背板；所述试样盘承载组件安装在安装台的上表面，试样盘安装在所述试样盘承载组件上，背板竖直固定在安装台的上表面，所述刀盘安装组件安装在背板的上部，刀盘安装在所述刀盘安装组件上，且刀盘位于试样盘的上方。本发明属于微納加工制造领域。

技术领域

本发明涉及一种划痕实验机，具体涉及基于柔性机构的宏微耦合次摆线微納划痕实验机，属于微納加工制造领域。

背景技术

随着航空航天、生物医疗、国防装备等高端技术的发展，超精密加工技术更加聚焦于高精度、无损伤表面制备。但是，传统的超精密加工技术，如超精密磨削、铣削等，由于其加工过程极其复杂，因此难以清晰、准确地把握其工艺参数对于零件制备精度和损伤的影响规律。微纳划痕技术作为材料表征的关键手段，对材料力学性能、加工性能等方面起着关键作用；随着原子力显微镜的出现，低速、直线进给微纳划痕技术日趋成熟。然而实际制造过程中加工路径、速度载荷等因素的影响非常复杂，传统划痕技术难以表征材料真实的去除状态和机制。次摆线作为铣削、磨削等制造方法中最常见的运动路径，其特殊的曲率变化、速度载荷交互影响规律对传统制造技术的进一步发展和提升形成了阻碍。为此开发一台超精密次摆线微纳米划痕实验台无论对材料去除表征还是对制造过程的深层次解析都有着至关重要的作用；随着微纳米制造技术向着近原子尺度制造技术逐步迈进，超精密加工装备运行精度的进一步提升成为了时代的必然要求。高精度的微动平台能够在分辨率、定位精度、稳定性等各个方面获得良好的性能，故而在超精密加工装备设计中引起了广泛关注。目前，微纳加工结构大多采用刚性结构形式，其对装配精度要求很高，且行程小、难以微小化，对复杂表面结构的加工能力不足。传统结构轴系装配、运动误差和工件安装误差等成为了限制超精密装备进一步发展的关键问题。结合次摆线划痕的关键技术特征，该发明旨在设计一台宏微耦合、超精密装备。基于此，该发明特别采用了柔性铰链机构对气浮导轨与主轴的垂直度误差、工件表面与导轨平行度误差进行超精密调节和补偿以获得纳米级定位精度。

发明内容

本发明为解决微纳加工结构大多采用刚性结构形式，其对装配精度要求很高，且行程小、难以微小化，对复杂表面结构的加工能力不足的问题，进而提出基于柔性机构的宏微耦合次摆线微納划痕实验机。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括安装台、试样盘承载组件、试样盘、刀盘安装组件、刀盘和背板；所述试样盘承载组件安装在安装台的上表面，试样盘安装在所述试样盘承载组件上，背板竖直固定在安装台的上表面，所述刀盘安装组件安装在背板的上部，刀盘安装在所述刀盘安装组件上，且刀盘位于试样盘的上方。

进一步的，所述试样盘承载组件包括多个调节支脚、气浮导轨和微动平台；气浮导轨安装在安装台的上表面，且气浮导轨的下表面设有多个调节支脚，微动平台安装在气浮导轨上表面，试样盘固定于微动平台上表面。

进一步的，微动平台包括安装底板、多个压电陶瓷、多个电容传感器、电容传感器支架和三自由度柔性铰链结构；安装底板水平安装在气浮导轨上，三自由度柔性铰链结构安装在安装底板的上表面，多个压电陶瓷沿圆周方向均布置于三自由度柔性铰链结构上，电容传感器支架安装在三自由度柔性铰链结构内，多个电容传感器安装在电容传感器支架上。

进一步的，三自由度柔性铰链结构包括机架、输出平台、多个对称式双直角铰链、多个动力块和多个平行四边形导向结构；机架固定于安装底板的上表面，输出平台水平设置在机架的上方，多个动力块沿圆周方向均布设置在输出平台的下表面，动力块通过平行四边形导向结构与机架连联接，动力块通过对称式双直角铰链与输出平台连联接，压电陶瓷与动力块连接。