CN102248427B - 用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置 - Google Patents

Abstract

用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，它涉及一种刀具伺服装置。本发明为解决现有的刀具伺服装置往复运动响应速度慢、指令信号跟踪误差大导致微结构表面的加工效率低、加工精度差的问题。所述刀片夹穿过前端盖的中心孔通过第一弹性支撑板与电容位移传感器第一支架的一端固接，所述电容位移传感器第一支架位于前端支撑架内且与前端支撑架同轴设置，所述电容位移传感器第一支架的另一端通过第二弹性支撑板与压电陶瓷前端支撑架固接，所述压电陶瓷调节装置安装在壳体的另一端上，所述压电陶瓷的一端与压电陶瓷前端支撑架螺纹连接，所述压电陶瓷的另一端与压电陶瓷调节装置螺纹连接。本发明的刀具伺服装置用于微结构表面的精加工。

Description

用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置

技术领域

本发明涉及一种刀具伺服装置，具体涉及一种用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置。

背景技术

目前，各种具有微结构表面的器件在光学、机械电子、生物医学领域得到了越来越多的应用，如菲涅尔透镜、微透镜阵列、光纤连接器等。这些具有微结构功能表面的器件的制造也随之成为了一个亟待解决的问题。传统的光刻、灰度掩模、聚焦离子束、化学刻蚀等工艺方法，虽然能够实现特定微结构功能表面器件的加工，但是上述方法通常工艺复杂，加工条件要求苛刻，加工效率低，质量难以保证。而采用金刚石车削不仅可以直接加工出具有亚微米级形状精度及纳米级表面粗糙度的微结构表面，而且加工效率高，加工微结构的形状可以通过数控程序灵活改变，已经成为了极具应用前景的微结构功能表面制作方法。

对于回转对称微结构表面加工，传统车削方法采用主轴高速转动，X导轨和Z导轨联动实现要求表面的加工。但是对于所述微结构功能表面的Z向进给通常在微米量级，并且Z向进给还要根据不同的加工表面要求实现不同形式的往复运动，此时用Z导轨来实现如此小位移范围内的往复运动响应速度慢、控制难度大、控制精度难以保证。

对于非回转对称微结构表面的车削加工，刀具需要根据X向导轨的位置与主轴的转角进行往复进给。虽然用Z导轨带动车刀实现Z方向的往复进给也能够实现非回转对称微结构表面的加工，但是由于工作台质量大，其所能达到的进给频率较低，对指令信号的跟踪误差大。导致采用Z向工作台进给来实现非回转对称微结构表面加工效率较低，精度差。

基于柔性铰链的微位移机构虽然可以带动刀具实现精确的进给，但是压电陶瓷与柔性铰链不是固连在一起的，系统所能达到的频率由柔性铰链的一阶固有频率决定。柔性铰链机构是用弹簧钢直接采用线切割加工得到，由于弹簧钢密度大，同时机构还要满足刀具装夹、铰链结构的尺寸要求，导致柔性铰链机构质量大。另外，柔性铰链机构需要满足设计行程并且在最大设计行程时柔性铰链的最大应力应小于材料的许用应力，这些设计及材料的约束限制了柔性铰链机构刚度的提高，从而使得微位移机构一阶固有频率很难显著提高。因此，基于柔性铰链的微位移机构，适合于跟踪低频指令信号，而在跟踪高频指令信号时，会产生较大的跟踪误差，从而使加工精度降低。

综上，现有的刀具伺服装置往复运动响应速度慢、指令信号跟踪误差大导致微结构表面的加工效率低、加工精度差。

发明内容

本发明为了解决现有的刀具伺服装置往复运动响应速度慢、指令信号跟踪误差大导致微结构表面的加工效率低、加工精度差的问题，进而提供一种用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置包括柔性机构、压电陶瓷调节装置、压电陶瓷、前端支撑架、前端盖、电容位移传感器第二支架、电容位移传感器、电容位移传感器调整架和壳体，所述柔性机构包括刀片夹、电容位移传感器第一支架、第一弹性支撑板、第二弹性支撑板和压电陶瓷前端支撑架，所述电容位移传感器第二支架的一端面通过第二弹性支撑板与壳体的一端固接，所述前端支撑架的一端面上设有外沿，前端支撑架的外沿固装在电容位移传感器第二支架上，所述前端盖的一端面通过第一弹性支撑板与前端支撑架的另一端面固接，所述前端盖上加工有中心孔，所述刀片夹穿过前端盖的中心孔通过第一弹性支撑板与电容位移传感器第一支架的一端固接，所述电容位移传感器第一支架位于前端支撑架内且与前端支撑架同轴设置，所述电容位移传感器第一支架的另一端通过第二弹性支撑板与压电陶瓷前端支撑架固接，所述电容位移传感器调整架由主架体和两个侧板构成，所述主架体的两端各与一个侧板垂直固接为一体，两个侧板位于主架体的同一侧，主架体位于电容位移传感器第一支架内，两个侧板与电容位移传感器第一支架的侧壁连接，两个侧板上沿电容位移传感器第一支架的长度方向对应加工有多个长孔，电容位移传感器由两个电容片组成，两个电容片中的一个电容片安装在主架体上，两个电容片中剩下的一个电容片安装在电容位移传感器第二支架上，两个电容片相邻设置；所述压电陶瓷调节装置安装在壳体的另一端上，所述压电陶瓷的一端与压电陶瓷前端支撑架螺纹连接，所述压电陶瓷的另一端与压电陶瓷调节装置螺纹连接。

本发明的有益效果是：本发明的刀具伺服装置采用柔性机构上的压电陶瓷支撑架与压电陶瓷固接为一体，柔性机构采用两个弹性支撑板支撑，与现有的柔性铰链的微位移机构相比有效提高了刀具伺服装置的整体等效刚度，有效提高了刀具伺服装置的一阶固有频率，即指令信号的跟踪误差小，从而提高了微结构表面的加工精度，加工效率高；

本发明的电容位移传感器第一支架采用中空结构，而且电容位移传感器第一支架固定在两个弹性支承板上，减少了柔性机构的整体重量，从而提高了刀具伺服装置的响应速度，进一步提高了刀具伺服装置的一阶固有频率，提高了微结构表面的加工精度；

本发明的刀具伺服装置上的第一弹性支撑板具有密封作用，可以防止冷却液或切削屑进入壳体内，增强了刀具伺服装置的稳定性；

附图说明

图1是本发明的刀具伺服装置的立体图，图2是图1的俯视图，图3是图2的A-A剖面图，图4是刀具伺服装置的立体图(不包括壳体)，图5是图3的B-B剖视图，图6是图3的C向视图，图7是电容位移传感器调整架的立体图，图8是电容位移传感器第一支架的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～8所示，本实施方式的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置包括柔性机构Ⅰ、压电陶瓷调节装置Ⅱ、压电陶瓷18、前端支撑架4、前端盖6、电容位移传感器第二支架15、电容位移传感器12、电容位移传感器调整架10和壳体1，所述柔性机构Ⅰ包括刀片夹9、电容位移传感器第一支架11、第一弹性支撑板7、第二弹性支撑板16和压电陶瓷前端支撑架17，所述电容位移传感器第二支架15的一端面通过第二弹性支撑板16与壳体1的一端固接，所述前端支撑架4的一端面上设有外沿4-1，前端支撑架4的外沿4-1固装在电容位移传感器第二支架15上，所述前端盖6的一端面通过第一弹性支撑板7与前端支撑架4的另一端面固接，所述前端盖6上加工有中心孔6-1，所述刀片夹9穿过前端盖6的中心孔6-1通过第一弹性支撑板7与电容位移传感器第一支架11的一端固接，所述电容位移传感器第一支架11位于前端支撑架4内且与前端支撑架4同轴设置，所述电容位移传感器第一支架11的另一端通过第二弹性支撑板16与压电陶瓷前端支撑架17固接，所述电容位移传感器调整架10由主架体10-1和两个侧板10-2构成，所述主架体10-1的两端各与一个侧板10-2垂直固接为一体，两个侧板10-2位于主架体10-1的同一侧，主架体10-1位于电容位移传感器第一支架11内，两个侧板10-2与电容位移传感器第一支架11的侧壁连接，两个侧板10-2上沿电容位移传感器第一支架11的长度方向对应加工有多个长孔10-3，电容位移传感器12由两个电容片12-1组成，两个电容片12-1中的一个电容片12-1安装在主架体10-1上，两个电容片12-1中剩下的一个电容片12-1安装在电容位移传感器第二支架15上，两个电容片12-1相邻设置；所述压电陶瓷调节装置Ⅱ安装在壳体1的另一端上，所述压电陶瓷18的一端与压电陶瓷前端支撑架17螺纹连接，所述压电陶瓷18的另一端与压电陶瓷调节装置Ⅱ螺纹连接。

所述压电陶瓷18的厂家是哈尔滨芯明天科技有限公司，产品型号为36VS25；所述电容位移传感器的厂家是德国PI公司，产品型号为D-050。

具体实施方式二：如图2和图3所示，本实施方式所述压电陶瓷调节装置Ⅱ由压电陶瓷后端支撑架19、锁紧螺母20、调节螺栓22和预紧螺栓23构成，所述压电陶瓷后端支撑架19固装在壳体1的另一端上，所述调节螺栓22与压电陶瓷后端支撑架19的中心处螺纹连接，所述调节螺栓22上沿长度方向开有阶梯通孔22-1，所述预紧螺栓23穿过阶梯通孔22-1与压电陶瓷18的另一端螺纹连接，所述锁紧螺母20与调节螺栓22螺纹连接且锁紧螺母20与压电陶瓷后端支撑架19的外端面相接触。如此设计，通过调节螺栓22可以调整压电陶瓷18的位置，预紧螺栓23可以对压电陶瓷18进行预紧，锁紧螺母20可以对调节螺栓22锁紧。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图3所示，本实施方式所述电容位移传感器12与压电陶瓷18同轴设置。如此设计，可以减小阿贝误差，保证所述快速刀具伺服装置达到较高的加工精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体是实施方式四：如图3所示，本实施方式所述壳体1的底端面上加工有工艺孔1-1。如此设计，可以方便的安装和调节压电陶瓷18。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体是实施方式五：如图3所示，本实施方式所述柔性机构Ⅰ还包括垫片14，所述垫片14固装在电容位移传感器第一支架11与第二弹性支撑板16之间。如此设计，保证第二弹性支撑板16与压电陶瓷前端支撑架17可靠连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体是实施方式六：如图1～3所示，本实施方式所述刀具伺服装置还包括后端盖21，所述后端盖21固装在压电陶瓷调节装置Ⅱ的外端面上。如此设计，可以起到密封作用。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体是实施方式七：如图1和图3所示，本实施方式所述刀片夹9、电容位移传感器第一支架11和压电陶瓷前端支撑架17均采用镁铝合金制成。如此设计，可以有效减小柔性机构Ⅰ的整体重量，从而提高系统的固有频率。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。

工作原理：

用于切削加工的金刚石刀具固定在柔性机构Ⅰ上的刀片夹9上，运动控制器输出指令电压信号，并通过压电陶瓷驱动器进行放大，从而驱动压电陶瓷产生伸长运动，由于输出指令电压信号值不断变化，因此安装在电容位移传感器调整架10上的电容片12-1在压电陶瓷18的作用下沿壳体1的轴线方向往复运动，同时带动柔性机构Ⅰ沿壳体1的轴线方向往复运动，从而带动柔性机构Ⅰ上的刀片夹9沿壳体1的轴线方向往复运动；由于安装在电容位移传感器第二支架15上的电容片12-1相对于壳体1是静止的，当压电陶瓷18驱动电容位移传感器调整架10上的电容片12-1往复运动时，两个电容片12-1之间的距离就会发生变化，两个电容片12-1之间距离的变化值与刀片夹9的位移变化值相等，通过电容位移传感器12的信号处理装置即可得出刀片夹9的位移变化值，并通过运动控制器实现对所述快速刀具伺服装置的位置闭环，刀具就可以根据数控系统的指令，产生相应的微进给，从而实现要求微结构表面的车削加工。

Claims (6)

1.一种用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，所述刀具伺服装置包括柔性机构(Ⅰ)、压电陶瓷调节装置(Ⅱ)、压电陶瓷(18)、前端支撑架(4)、前端盖(6)、电容位移传感器第二支架(15)、电容位移传感器(12)、电容位移传感器调整架(10)和壳体(1)，其特征在于：所述柔性机构(Ⅰ)包括刀片夹(9)、电容位移传感器第一支架(11)、第一弹性支撑板(7)、第二弹性支撑板(16)和压电陶瓷前端支撑架(17)，所述电容位移传感器第二支架(15)的一端面通过第二弹性支撑板(16)与壳体(1)的一端固接，所述前端支撑架(4)的一端面上设有外沿(4-1)，前端支撑架(4)的外沿(4-1)固装在电容位移传感器第二支架(15)上，所述前端盖(6)的一端面通过第一弹性支撑板(7)与前端支撑架(4)的另一端面固接，所述前端盖(6)上加工有中心孔(6-1)，所述刀片夹(9)穿过前端盖(6)的中心孔(6-1)通过第一弹性支撑板(7)与电容位移传感器第一支架(11)的一端固接，所述电容位移传感器第一支架(11)位于前端支撑架(4)内且与前端支撑架(4)同轴设置，所述电容位移传感器第一支架(11)的另一端通过第二弹性支撑板(16)与压电陶瓷前端支撑架(17)固接，所述电容位移传感器调整架(10)由主架体(10-1)和两个侧板(10-2)构成，所述主架体(10-1)的两端各与一个侧板(10-2)垂直固接为一体，两个侧板(10-2)位于主架体(10-1)的同一侧，主架体(10-1)位于电容位移传感器第一支架(11)内，两个侧板(10-2)与电容位移传感器第一支架(11)的侧壁连接，两个侧板(10-2)上沿电容位移传感器第一支架(11)的长度方向对应加工有多个长孔(10-3)，电容位移传感器(12)由两个电容片(12-1)组成，两个电容片(12-1)中的一个电容片(12-1)安装在主架体(10-1)上，两个电容片(12-1)中剩下的一个电容片(12-1)安装在电容位移传感器第二支架(15)上，两个电容片(12-1)相邻设置；所述压电陶瓷调节装置(Ⅱ)安装在壳体(1)的另一端上，所述压电陶瓷(18)的一端与压电陶瓷前端支撑架(17)螺纹连接，所述压电陶瓷(18)的另一端与压电陶瓷调节装置(Ⅱ)螺纹连接，所述压电陶瓷调节装置(Ⅱ)由压电陶瓷后端支撑架(19)、锁紧螺母(20)、调节螺栓(22)和预紧螺栓(23)构成，所述压电陶瓷后端支撑架(19)固装在壳体(1)的另一端上，所述调节螺栓(22)与压电陶瓷后端支撑架(19)的中心处螺纹连接，所述调节螺栓(22)上沿长度方向开有阶梯通孔(22-1)，所述预紧螺栓(23)穿过阶梯通孔(22-1)与压电陶瓷(18)的另一端螺纹连接，所述锁紧螺母(20)与调节螺栓(22)螺纹连接且锁紧螺母(20)与压电陶瓷后端支撑架(19)的外端面相接触。

2.根据权利要求1所述的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，其特征在于：所述电容位移传感器(12)与压电陶瓷(18)同轴设置。

3.根据权利要求2所述的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，其特征在于：所述壳体(1)的底端面上加工有工艺孔(1-1)。

4.根据权利要求1或3所述的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，其特征在于：所述柔性机构(Ⅰ)还包括垫片(14)，所述垫片(14)固装在电容位移传感器第一支架(11)与第二弹性支撑板(16)之间。

5.根据权利要求4所述的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，其特征在于：所述刀具伺服装置还包括后端盖(21)，所述后端盖(21)固装在压电陶瓷调节装置(Ⅱ)的外端面上。

6.根据权利要求1、3或5所述的用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置，其特征在于：所述刀片夹(9)、电容位移传感器第一支架(11)和压电陶瓷前端支撑架(17)均采用镁铝合金制成。

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