CN104907889B - 一种基于psd原理的二维测力主轴夹具 - Google Patents
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Abstract
一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，它属于精密测量的技术领域。它的挠性主轴座由上侧固定板通过多根挠性立柱与下侧固定轴板连接组成，被检测轴受到外力时，因多根挠性立柱刚性值低，被检测轴能带动固定轴板摆动，同时也带动挠性主轴座右侧挠性立柱的右端面上随动反射平面镜摆动；随动反射平面镜的反光面与固定反射平面镜的反光面互相平行相对，半导体激光器发射的激光经过随动反射平面镜的反光面和固定反射平面镜的反光面的多次反射后，入射到一维PSD位置传感器的感光窗口内。本发明利用柔性铰链主轴座进行力到微位移的转换，再利用光杠杆放大原理，采用PSD进行位置测量，最终检测到了主轴受力，实现了力反馈。
Description
技术领域
本发明属于精密测量的技术领域。
背景技术
随着超精密加工技术的不断发展，特别是在精密光学加工、国防尖端产品加工、微小器件加工等领域，加工时刀具及工件受力作用越来越引起人们的关注。例如光学加工中的研磨力大小直接影响工件的表面微裂纹，若微裂纹不能满足要求，实际使用中的使用寿命及效果受到极大影响。一些金属微构件的加工中，研磨力大小直接影响工件尺寸精度和力学性能；研磨力太大可能会直接使微构件发生变形失效，同时也会降低其抗拉、抗压能力，降低其使用寿命。
为了保证超精密加工工件的使用性能，就要对其加工力进行测量，实现力反馈闭环。力反馈闭环是对常规超精密加工中的位置反馈闭环的补充，是与精密位置伺服同样重要的伺服技术。现有的力检测方法主要依赖于外加的力传感器。该类方法一般是需要引入成套的力检测系统，将工件或者刀具安装到测力元件上，进行力测量。这类方法难以集成到现有的常规数控加工系统中，更难以实现实时在线反馈，一般用于实验研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，是为了解决现有的力检测方法主要依赖于外加的力传感器。该类方法一般是需要引入成套的力检测系统，将工件或者刀具安装到测力元件上，进行力测量。这类方法难以集成到现有的常规数控加工系统中，更难以实现实时在线反馈，一般用于实验研究的问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，它包括挠性主轴座1、随动反射平面镜2、固定反射平面镜3、半导体激光器4、一维PSD位置传感器5；
所述挠性主轴座1由上侧固定板1-1通过多根挠性立柱1-2与下侧固定轴板1-3连接组成，固定轴板1-3上开有用于连接被检测轴6的固定轴孔1-4；随动反射平面镜2镶嵌在挠性主轴座1右侧的一根挠性立柱1-2的右端面上，当被检测轴6受到外力时，由于多根挠性立柱1-2刚性值低，被检测轴6能带动固定轴板1-3微量的横向摆动，固定轴板1-3将带动多根挠性立柱1-2摆动，同时也带动挠性主轴座1右侧挠性立柱1-2的右端面上随动反射平面镜2摆动；随动反射平面镜2的反光面与固定反射平面镜3的反光面互相平行相对，半导体激光器4发射的激光先照射在随动反射平面镜2的反光面的一端后被反射到固定反射平面镜3的反光面上，再经过随动反射平面镜2的反光面和固定反射平面镜3的反光面的多次反射后，入射到一维PSD位置传感器5的感光窗口内。
本发明与现有的主轴座及测力装置相比，优势在于：
1、本发明利用柔性铰链主轴座进行力到微位移的转换，再利用光杠杆放大原理，采用PSD进行位置测量，最终检测到了主轴受力，实现了力反馈；
2、该装置在主轴夹具上集成了力检测装置，使用光学方法，没有改变原有夹具的结构、质量、刚性。并且体积小巧，不影响实际使用；
3、将波长为650nm的半导体激光束作为光源，它具有单色性好、相干性好、准直性好的特点，有效地保证了测量精度；
4、本发明使用柔性铰链结构，在横向方向上对力作用敏感，可以得到很高的灵敏度，实现微小力的检测；
5、本发明结构简单，对环境要求不高，具有很高的互换性，可以嵌入到现有的加工机床上。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2所示，它包括挠性主轴座1、随动反射平面镜2、固定反射平面镜3、半导体激光器4、一维PSD位置传感器5；
所述挠性主轴座1由上侧固定板1-1通过多根挠性立柱1-2与下侧固定轴板1-3连接组成，固定轴板1-3上开有用于连接被检测轴6的固定轴孔1-4；随动反射平面镜2镶嵌在挠性主轴座1右侧的一根挠性立柱1-2的右端面上，当被检测轴6受到外力时，由于多根挠性立柱1-2刚性值低，被检测轴6能带动固定轴板1-3摆动，固定轴板1-3将带动多根挠性立柱1-2摆动，同时也带动挠性主轴座1右侧挠性立柱1-2的右端面上随动反射平面镜2摆动；随动反射平面镜2的反光面与固定反射平面镜3的反光面互相平行相对，半导体激光器4发射的激光先照射在随动反射平面镜2的反光面的一端后被反射到固定反射平面镜3的反光面上，再经过随动反射平面镜2的反光面和固定反射平面镜3的反光面的多次反射后，入射到一维PSD位置传感器5的感光窗口内。
所述挠性主轴座1上的每根挠性立柱1-2的横向摆动刚度约为0.25N/μm。所述半导体激光器4选择波长为650nm，光斑直径小于600μm的半导体激光器。所述一维PSD位置传感器5的型号为S4805-04。
工作原理：加工时被检测轴6受横向力，多根挠性立柱1-2刚性值低，被检测轴6能带动固定轴板1-3摆动，固定轴板1-3将带动多根挠性立柱1-2摆动，同时也带动挠性主轴座1右侧挠性立柱1-2的右端面上随动反射平面镜2摆动，使随动反射平面镜2的反光面与固定反射平面镜3的反光面之间的距离改变，随动反射平面镜2的反光面与固定反射平面镜3的反光面之间反射的激光束的反射角度随之变化，通过光路放大作用，横向微小位移转变为一维PSD位置传感器5窗口上的检测光斑点位移，该装置的放大系数为，s为一维PSD位置传感器5检测到的位移量，L为随动反射平面镜2的位移量，n为反射次数，h为随动反射平面镜2的反光面与固定反射平面镜3的反光面之间的间距，D为随动反射平面镜2到一维PSD位置传感器5的距离。一维PSD位置传感器5将光斑的位移转换成电信号，从而获得了挠性主轴座1的下侧固定轴板1-3相对上侧固定板1-1的摆动位移量。由于挠性主轴座1上的每根挠性立柱1-2的横向摆动刚度值已知，即可得到主轴受力信息，完成测量。
Claims (3)
1.一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，其特征在于它包括挠性主轴座（1）、随动反射平面镜（2）、固定反射平面镜（3）、半导体激光器（4）、一维PSD位置传感器（5）；
所述挠性主轴座（1）由上侧固定板（1-1）通过多根挠性立柱（1-2）与下侧固定轴板（1-3）连接组成，固定轴板（1-3）上开有用于连接被检测轴（6）的固定轴孔（1-4）；随动反射平面镜（2）镶嵌在挠性主轴座（1）右侧的一根挠性立柱（1-2）的右端面上，当被检测轴（6）受横向力，由多根挠性立柱（1-2）刚性值低，被检测轴（6）能带动固定轴板（1-3）摆动，固定轴板（1-3）将带动多根挠性立柱（1-2）摆动，同时也带动挠性主轴座（1）右侧挠性立柱（1-2）的右端面上随动反射平面镜（2）摆动；随动反射平面镜（2）的反光面与固定反射平面镜（3）的反光面互相平行相对，半导体激光器（4）发射的激光先照射在随动反射平面镜（2）的反光面的一端后被反射到固定反射平面镜（3）的反光面上，再经过随动反射平面镜（2）的反光面和固定反射平面镜（3）的反光面的多次反射后，入射到一维PSD位置传感器（5）的感光窗口内。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，其特征在于所述挠性主轴座（1）上的每根挠性立柱（1-2）的横向摆动刚度为0.25N/μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSD原理的二维测力主轴夹具，其特征在于所述半导体激光器（4）选择波长为650nm，光斑直径小于600μm的半导体激光器。
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