CN106736635A - 一种三自由度并联平动快速刀具伺服器 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，包括安装底座、桥式放大结构、支链和末端执行装置；桥式放大结构和支链均设有三组，每个桥式放大结构上均竖向安装一个支链；三组桥式放大结构以安装底座的中心为圆心，呈等间距环形阵列的方式安装于安装底座；三组支链构成支架结构，三组支链的端部共同安装于末端执行装置；本发明的目的在于提出一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，该装置结构紧凑、简单，具有较佳的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及快速刀具伺服器技术，特别是一种三自由度并联平动快速刀具伺服器。
背景技术
快刀伺服系统(fasttool servo,FTS)也称为快速刀具伺服系统、微进给伺服系统或快速伺服刀架等。在非圆数控车削或非对称车削的机床上安装FTS，车削过程中，主轴带动工件旋转，刀具在FTS的驱动下，以主轴转速相关联的频率沿工件径向(对于非圆车削)或轴向(对于非轴对称车削)做往复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓或非轴对称端面。在非圆数控车削中，FTS的应用可加工内燃机活塞轮廓、凸轮轴、凸轮、非圆轴承内轮廓等。在非轴对称车削中，采用金刚石作为刀具，在FTS驱动下，车削光学元件的非轴对称表面，可重复加工具有复杂形状的各种异形元件，例如：自由曲面透镜/镜面、微镜阵列、微沟槽阵列等。
迄今，FTS已经经历了多年的快速发展，各种类型的FTS相继涌现。当前，加工工件的表面复杂程度日益提高，对FTS的响应频率、工作行程、跟踪精度等各项性能提出了更高的要求，FTS的研究已成为超精密加工领域当前的研究重点之一，但是目前惯用的FTS结构存在较多矛盾，例如，占空间巨大，在生产加工中的应用极为不便，而且制造成本过高；而结构较为精简的，只能仅局限于单自由度，不能多方位补偿位移。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，该装置结构紧凑、简单，具有较佳的稳定性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，包括安装底座、桥式放大结构、支链和末端执行装置；
所述桥式放大结构和所述支链均设有三组，每个所述桥式放大结构上均竖向安装一个所述支链；
三组所述桥式放大结构以安装底座的中心为圆心，呈等间距环形阵列的方式安装于所述安装底座；
三组所述支链构成支架结构，三组所述支链的端部共同安装于所述末端执行装置。
较佳地，所述桥式放大结构包括安装底座、左安装座、右安装座、左连杆、右连杆和联动座；
所述左安装座和右安装座通过铰链A竖向铰接于所述安装底座上表面的左边和右边；
所述左连杆两端分别通过铰链A铰接于所述左安装座上部分和联动座的左侧，所述右连杆两端分别通过铰链A铰接于所述右安装座上部分和联动座的右侧，所述联动座位于所述左安装座和右安装座之间；
所述左安装座和右安装座之间设有位移驱动装置，所述位移驱动装置两端固定于所述左安装座和右安装座的下部分；
所述支链安装于所述联动座。
进一步地，所述支链由下到上依次为第一安装段、连杆段和第二安装段，所述第一安装段呈竖向设置，所述第二安装段呈水平设置，所述连杆段呈倾斜状设置；
所述连杆段两端分别设有第一柔性虎克铰链和第二柔性虎克铰链，所述第一柔性虎克铰链包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一凹槽和第二凹槽的分隔面相互垂直，第三凹槽和第四凹槽的分隔面相互垂直，两个彼此垂直的凹槽不相通；
所述第二柔性虎克铰链包括第五凹槽、第六凹槽、第七凹槽和第八凹槽，所述五凹槽、第六凹槽、第七凹槽和第八凹槽的分隔面分别平行于第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的分隔面。
较佳地，所述末端执行器包括安装盘和刀具；
所述安装盘和安装底座均呈圆形，所述安装盘和安装底座的圆心位于同一轴线，所述安装盘的圆心固定设有刀具。
进一步地，所述左连杆和右连杆呈水平设置，所述左安装座、右安装座由下到上设有多组左连杆和右连杆。
较佳地，所述联动座设有榫头，所述支链下端设有容纳榫头的插槽，所述榫头和插槽均设有螺钉孔；所述联动座和所述支链通过榫头和插槽装配，之后通过螺钉进行固定；
或，所述联动座和所述支链为一体化结构。
较佳地，每个凹槽的结构形式相似，其两侧面相互平行，底部为小圆弧面。
进一步地所述位移驱动装置端部设有保护套筒，所述保护套筒为弹性套筒；所述位移驱动装置为压电陶瓷。
较佳地，所述左安装座和右安装座下部分均设有滚珠，所述位移驱动装置两端面分别抵贴于所述左安装座和右安装座的滚珠。
较佳地，所述铰链为圆弧型柔性铰链
装置使用桥式放大结构，使位移驱动装置产生的微小的驱动形变放大，从而使末端执行装置具有更大的位移量，使其工作空间大大增加，解决了并联机构工作空间狭小的缺陷，从而能够适用于更多的加工领域和更多规格的部件加工；将位移驱动装置微小的位移输出放大成更大的位移，从而驱动末端执行装置具有更大的角度调整空间，从而最终使末端执行装置行程增大FTS的工作空间；单个位移驱动装置驱动一组桥式放大机构，使移驱动装置产生的位移量能快速地通过桥式放大机构传递到末端执行器；三个压电陶瓷输入位移的相互配合与虎克铰链的约束使该机构能够实现三平动。由于本方案是由三个压电陶瓷的输入位移共同驱动刀具，确定其空间位置，因此其相较于其他三自由度FTS机构，本方案不易发生XYZ三方向移动的相互干扰而使精度降低。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的安装结构图；
图2是本发明的一个实施例的桥式放大结构示意图；
图3图2中C处局部放大图；
图4是本发明的一个实施例的支链的整体结构示意图；
图5是本发明的一个实施例的第一柔性虎克铰链的结构示意图；
图6是本发明的一个实施例的第一柔性虎克铰链的结构示意图。
其中：安装底座 100、桥式放大结构 200、底座 210、左安装座 220、右安装座230、左连杆 240、右连杆 250、联动座 260、位移驱动装置 270、保护套筒 271、支链300、第一安装段310、连杆段320、第二安装段330、第一柔性虎克铰链 340、第一凹槽 341、第二凹槽 342、第三凹槽 343、第四凹槽 344、第二柔性虎克铰链 350、第五凹槽 351、第六凹槽352、第七凹槽 353、第八凹槽 354、末端执行装置 400、安装盘 410、刀具 420、铰链 A、滚珠 B。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-6所示，一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，包括安装底座100、桥式放大结构200、支链300和末端执行装置400；
所述桥式放大结构200和所述支链300均设有三组，每个所述桥式放大结构200上均竖向安装一个所述支链300；
三组所述桥式放大结构200以安装底座100的中心为圆心，呈等间距环形阵列的方式安装于所述安装底座100；
三组所述支链300构成支架结构，三组所述支链300的端部共同安装于所述末端执行装置400。
通过三组桥式放大结构200和三组支链300构成的微动装置，使设置在支链300的末端执行装置400具有了X、Y和Z三个自由度，从而可以通过控制设置在桥式放大结构200中的位移驱动装置270输出相同的位移同时，平台在Z轴方向平移,当三个压电陶瓷驱动器基于雅可比矩阵的关系输出位移时，平台会沿着X或Y方向平移；装置使用桥式放大结构200，使位移驱动装置270产生的微小的驱动形变放大，从而使末端执行装置400具有更大的位移量，使其工作空间大大增加，解决了并联机构工作空间狭小的缺陷，从而能够适用于更多的加工领域和更多规格的部件加工。
其中，所述桥式放大结构200包括安装底座210、左安装座220、右安装座230、左连杆240、右连杆250和联动座260；
所述左安装座220和右安装座230通过铰链A竖向铰接于所述安装底座210上表面的左边和右边；
所述左连杆240两端分别通过铰链A铰接于所述左安装座220上部分和联动座260的左侧，所述右连杆250两端分别通过铰链A铰接于所述右安装座230上部分和联动座260的右侧，所述联动座260位于所述左安装座220和右安装座230之间；
所述左安装座220和右安装座230之间设有位移驱动装置270，所述位移驱动装置270两端固定于所述左安装座220和右安装座230的下部分；
所述支链300安装于所述联动座260。
利用三组桥式放大机构200放置的位移驱动装置270直接输出一个微小的位移，并且通过相应的函数关系(常雅可比矩阵方程)确定三自由度的输出，从而实现并联高精度的驱动效果；三组桥式放大机构200具有放大效果，可以将位移驱动装置270微小的位移输出放大成更大的位移，从而驱动末端执行装置400具有更大的角度调整空间，从而最终使末端执行装置400行程增大FTS的工作空间；单个位移驱动装置270驱动一组桥式放大机构200，使移驱动装置270产生的位移量能快速地通过桥式放大机构200传递到末端执行器400。
此外，所述支链300由下到上依次为第一安装段310、连杆段320和第二安装段330，所述第一安装段310呈竖向设置，所述第二安装段330呈水平设置，所述连杆段320呈倾斜状设置；
所述连杆段320两端分别设有第一柔性虎克铰链340和第二柔性虎克铰链350，所述第一柔性虎克铰链包括第一凹槽341、第二凹槽342、第三凹槽343和第四凹槽344，第一凹槽341和第二凹槽342的分隔面相互垂直，第三凹槽343和第四凹槽344的分隔面相互垂直，两个彼此垂直的凹槽不相通；
所述第二柔性虎克铰链350包括第五凹槽351、第六凹槽352、第七凹槽353和第八凹槽354，所述五凹槽351、第六凹槽352、第七凹槽353和第八凹槽354的分隔面分别平行于第一凹槽341、第二凹槽342、第三凹槽343和第四凹槽344的分隔面。
桥式放大结构200是通过控制三个位移驱动装置270输出位移，从而令其满足我们所建立的雅可比矩阵，三个压电陶瓷输入位移的相互配合与虎克铰链的约束使该机构能够实现三平动。由于本方案是由三个压电陶瓷的输入位移共同驱动刀具，确定其空间位置，因此其相较于其他三自由度FTS机构，本方案不易发生XYZ三方向移动的相互干扰而使精度降低。另外，本作品通过在压电陶瓷输入端增加柔性位移放大机构而使其工作空间大大增加，解决了并联机构工作空间狭小的缺陷。
较佳地，所述末端执行器400包括安装盘410和刀具420；
所述安装盘410和安装底座100均呈圆形，所述安装盘410和安装底座100的圆心位于同一轴线，所述安装盘410的圆心固定设有刀具420。
末端执行器400的安装盘410由支链300驱动，这里将刀具420设置在安装盘410中心，有利于刀具420的控制，也能够为刀具420提供足够的支撑力。
此外，所述左连杆240和右连杆250呈水平设置，所述左安装座220、右安装座230由下到上设有多组左连杆240和右连杆250。
增加桥式放大结构上的左连杆240和右连杆250，增大桥式放大结构的刚度，从而增加了桥式放大结构稳定性，使位移传递更稳定。
作为对上述技术的补充，所述联动座260设有榫头，所述支链300下端设有容纳榫头的插槽，所述榫头和插槽均设有螺钉孔；所述联动座260和所述支链300通过榫头和插槽装配，之后通过螺钉进行固定；
或，所述联动座260和所述支链300为一体化结构。
联动座260设置榫头和支链300进行装配，之后再通过螺钉固定，这种可拆卸结构有利于结构的生产和装配，并且结构简单可靠，紧密固定后不影响位移的传递；而一体化设置是最利于位移传递的结构。
此外，每个凹槽的结构形式相似，其两侧面相互平行，底部为小圆弧面。
小圆弧面有较大的转动范围，运动灵敏度高，适合紧密微动调整。
此外，所述位移驱动装置270端部设有保护套筒271，所述保护套筒271为弹性套筒；所述位移驱动装置270为压电陶瓷。
压电陶瓷体积小、不吸潮、寿命长，具有较高的定位精度和分辨率，最适合用作微动装置的驱动；而弹性套筒作为压电陶瓷的保护装置，可在不影响压电陶瓷驱动器的使用性能的情况下，保护驱动器。
此外，所述左安装座220和右安装座230下部分均设有滚珠B，所述位移驱动装置两端面分别抵贴于所述左安装座220和右安装座230的滚珠B。
位移驱动装置270向桥式放大结构200传递位移量的时候，如果二者是面接触，受力方向并不是直线传递，所以通过滚珠B与位移驱动装置进行安装，能够确保受力的稳定性和减少变形得偏差。
此外，所述铰链A为圆弧型柔性铰链。
圆弧型柔性铰链有较大的转动范围，并且不存在机械摩擦，还具有运动灵敏度高和无间隙的优点，适合紧密微动调整。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造S性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：包括安装底座、桥式放大结构、支链和末端执行装置；
所述桥式放大结构和所述支链均设有三组，每个所述桥式放大结构上均竖向安装一个所述支链；
三组所述桥式放大结构以安装底座的中心为圆心，呈等间距环形阵列的方式安装于所述安装底座；
三组所述支链构成支架结构，三组所述支链的端部共同安装于所述末端执行装置。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述桥式放大结构包括安装底座、左安装座、右安装座、左连杆、右连杆和联动座；
所述左安装座和右安装座通过铰链A竖向铰接于所述安装底座上表面的左边和右边；
所述左连杆两端分别通过铰链A铰接于所述左安装座上部分和联动座的左侧，所述右连杆两端分别通过铰链A铰接于所述右安装座上部分和联动座的右侧，所述联动座位于所述左安装座和右安装座之间；
所述左安装座和右安装座之间设有位移驱动装置，所述位移驱动装置两端固定于所述左安装座和右安装座的下部分；
所述支链安装于所述联动座。
3.根据权利要求1所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述支链由下到上依次为第一安装段、连杆段和第二安装段，所述第一安装段呈竖向设置，所述第二安装段呈水平设置，所述连杆段呈倾斜状设置；
所述连杆段两端分别设有第一柔性虎克铰链和第二柔性虎克铰链，所述第一柔性虎克铰链包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一凹槽和第二凹槽的分隔面相互垂直，第三凹槽和第四凹槽的分隔面相互垂直，两个彼此垂直的凹槽不相通；
所述第二柔性虎克铰链包括第五凹槽、第六凹槽、第七凹槽和第八凹槽，所述五凹槽、第六凹槽、第七凹槽和第八凹槽的分隔面分别平行于第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的分隔面。
4.根据权利要求1所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述末端执行器包括安装盘和刀具；
所述安装盘和安装底座均呈圆形，所述安装盘和安装底座的圆心位于同一轴线，所述安装盘的圆心固定设有刀具。
5.根根据权利要求2所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述左连杆和右连杆呈水平设置，所述左安装座、右安装座由下到上设有多组左连杆和右连杆。
6.根根据权利要求2和5所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述联动座设有榫头，所述支链下端设有容纳榫头的插槽，所述榫头和插槽均设有螺钉孔；所述联动座和所述支链通过榫头和插槽装配，之后通过螺钉进行固定；
或，所述联动座和所述支链为一体化结构。
7.根据权利要求3所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：每个凹槽的结构形式相似，其两侧面相互平行，底部为小圆弧面。
8.根据权利要求2所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述位移驱动装置端部设有保护套筒，所述保护套筒为弹性套筒；所述位移驱动装置为压电陶瓷。
9.根据权利要求2所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述左安装座和右安装座下部分均设有滚珠，所述位移驱动装置两端面分别抵贴于所述左安装座和右安装座的滚珠。
10.根据权利要求2所述的三自由度并联平动快速刀具伺服器，其特征在于：所述铰链为圆弧型柔性铰链。
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