CN106975961A - 一种长行程快速刀具伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种长行程快速刀具伺服装置，包括机架、设置于其上且可轴向伸缩的压电陶瓷驱动器、与压电陶瓷驱动器的末端相抵接且在其驱动下直线运动的输入块、用于安装刀具的刀架，以及连接于输入块与刀架之间、用于将压电陶瓷驱动器的位移放大并传递至刀架的位移放大机构，且位移放大机构的整体结构以压电陶瓷驱动器为对称轴对称。本发明所公开的长行程快速刀具伺服装置，通过压电陶瓷驱动器驱动刀具进行位移，保证了较高的位移精度；同时通过位移放大机构增加压电陶瓷驱动器的位移量，使得刀具具有较大的位移行程，而位移放大机构的轴对称结构则消除了对刀具轴向位移的影响因素，进一步提高了刀具在长行程下的位移精度。
Description
技术领域
本发明涉及机加工技术领域，特别涉及一种长行程快速刀具伺服装置。
背景技术
自由曲面光学元件具有改善光学性能、优化产品结构、实现轻量化等显著优点。随着现代科技发展的日新月异，自由曲面光学元件的应用领域逐步扩大，不仅包括航空、航天、国防、军事等核心技术领域，同时也涉及到普通民用、办公等日常生活方面。在医用光学相机、扫描仪、红外夜视仪等领域也有着广泛的应用。其中，利用快速刀具伺服(FTS，FastTool Servo)技术进行自由曲面光学元件的加工被认为是最有发展前途的加工方法。
车削过程产生的切削力，会导致FTS传导机构产生较大形变，进而影响刀架系统的定位精度。所以导向机构需要具有足够大的水平和垂直方向的刚度，以抵抗切削力在刀尖处产生的变形。另外，导向机构具有较小的轴向刚度，以产生较大的轴向位移，满足自由光学元件的复杂曲面的加工。系统具有较高的一阶固有频率，适合高频加工工况。光学自由曲面结构复杂、没有固定的回转中心轴，且具有亚微米表面形状精度和纳米尺度的表面粗糙度，而现有单自由度FTS行程通常行程过小，对于这些复杂自由曲面，尤其是变形度大的曲面，无法满足其加工要求。
目前，传统的FTS装置多是压电式驱动的柔性结构。然而，市场上的传统压电式FTS装置在实现高频往复运动的同时，其工作行程往往很小，这难以满足复杂的自由曲面光学元件加工，并限制了自由曲面光学元件的发展。同时，针对大行程FTS的需求，一些研究组开始专注于大行程FTS技术。然而，这些装置通常不能在高速度和高精度的情况下完成任务。
因此，如何兼顾FTS加工技术的大行程和高精度的需求，提高自由曲面光学元件的加工质量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种长行程快速刀具伺服装置，能够兼顾FTS加工技术的大行程和高精度的需求，提高自由曲面光学元件的加工质量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种长行程快速刀具伺服装置，包括机架、设置于其上且可轴向伸缩的压电陶瓷驱动器、与所述压电陶瓷驱动器的末端相抵接且在其驱动下直线运动的输入块、用于安装刀具的刀架，以及连接于所述输入块与刀架之间、用于将所述压电陶瓷驱动器的位移放大并传递至所述刀架的位移放大机构，且所述位移放大机构的整体结构以所述压电陶瓷驱动器为对称轴对称。
优选地，所述位移放大机构包括以所述压电陶瓷驱动器为对称轴互相对称的两侧传动系，且两侧所述传动系均包括用于将所述压电陶瓷驱动器的轴向位移放大的一级位移放大组件。
优选地，所述一级位移放大组件具体包括第一杠杆和第一传动杆，所述第一杠杆的一端通过第一柔性铰链与所述机架的端壁相连，所述第一传动杆的一端连接在所述输入块的一端，所述第一传动杆的另一端通过第二柔性铰链连接在所述第一杠杆的杆体中部位置，且所述第一杠杆的另一端用于驱动所述刀架轴向位移。
优选地，两侧所述传动系均还包括用于将所述一级位移放大组件的轴向位移放大的二级位移放大组件，且所述二级位移放大组件的末端连接在所述刀架的两端。
优选地，所述二级位移放大组件具体包括第二杠杆和第二传动杆，所述第二杠杆的一端通过第三柔性铰链与所述机架的侧壁相连，所述第二杠杆的另一端与所述刀架的一端相连；所述第二传动杆的一端通过所述第二柔性铰链连接在所述第一杠杆的杆体中部位置，所述第二传动杆的另一端通过第四柔性铰链连接在所述第二杠杆的杆体中部位置。
优选地，所述刀架上可拆卸地设置有适应于不同种类刀具的刀座。
优选地，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链和第四柔性铰链均为倒圆角直梁型柔性铰链，所述第三柔性铰链具体为倒圆角圆弧型柔性铰链。
优选地，还包括分别设置于所述机架的两侧侧壁上、末端与所述刀架的两侧侧壁相连的导向机构。
优选地，所述导向机构具体包括双平行四杆柔性移动副机构，且所述双平行四杆柔性移动副机构通过第五柔性铰链与所述机架的侧壁相连。
优选地，所述第五柔性铰链具体为圆弧型柔性铰链。
本发明所提供的长行程快速刀具伺服装置，主要包括机架、压电陶瓷驱动器、输入块、刀架和位移放大机构。其中，机架为长行程快速刀具伺服装置的主体结构，主要用于安装其余零部件。压电陶瓷驱动器设置在机架上，并且可以自由轴向伸缩，是驱动刀具移动的动力源，压电陶瓷驱动器的行程较短，但是具有较高的定位精度和分辨率。输入块也设置在机架上，并且与压电陶瓷驱动器的末端抵接，在压电陶瓷驱动器的轴向移动驱动下带动输入块同步运动。刀架主要用于安装刀具，同时刀架也是压电陶瓷驱动器驱动动力源传递链的最后一环，或者可以认为刀架是输出块。在输入块与刀架之间设置有动力传递链，即位移放大机构。该位移放大机构主要用于传递压电陶瓷驱动器的轴向移动动力，但同时也具有位移放大功能，即将压电陶瓷驱动器的位移量经过自身结构的转化使其得到增长，最终传递到刀架上时，将使刀架具有远大于压电陶瓷驱动器本身的轴向位移的位移量，即提高了刀具的行程。同时，该位移放大机构的整体结构是以压电陶瓷驱动器为对称轴的对称结构，如此，位移放大机构在传递动力时，能够消除轴向方向(压电陶瓷驱动器的轴向)以外的其余方向上的影响因素，仅保留对刀架的轴向方向的改动，即叠加了对刀架的轴向位移增长量。综上所述，本发明所提供的长行程快速刀具伺服装置，通过压电陶瓷驱动器驱动刀具进行位移，保证了较高的位移精度；同时通过位移放大机构增加压电陶瓷驱动器的位移量，使得刀具具有较大的位移行程，而位移放大机构的轴对称结构则消除了对刀具轴向位移的影响因素，进一步提高了刀具在长行程下的位移精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图；
图2为图1的等效力学结构图。
其中，图1中：
机架—1，压电陶瓷驱动器—2，输入块—3，刀架—4，第一杠杆—5，第一传动杆—6，第一柔性铰链—7，第二柔性铰链—8，第二杠杆—9，第二传动杆—10，第三柔性铰链—11，第四柔性铰链—12，第五柔性铰链—13，双平行四杆柔性移动副机构—14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图，图2为图1的等效力学结构图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，长行程快速刀具伺服装置主要包括机架1、压电陶瓷驱动器2、输入块3、刀架4和位移放大机构。
其中，机架1为长行程快速刀具伺服装置的主体结构，主要用于安装其余零部件。压电陶瓷驱动器2设置在机架1上，并且可以自由轴向伸缩，是驱动刀具移动的动力源，压电陶瓷驱动器2的行程较短，但是具有较高的定位精度和分辨率。
输入块3也设置在机架1上，并且与压电陶瓷驱动器2的末端抵接，在压电陶瓷驱动器2的轴向移动驱动下带动输入块3同步运动。刀架4主要用于安装刀具，同时刀架4也是压电陶瓷驱动器2驱动动力源传递链的最后一环，或者可以认为刀架4是输出块。
在输入块3与刀架4之间设置有动力传递链，即位移放大机构。该位移放大机构主要用于传递压电陶瓷驱动器2的轴向移动动力，但同时也具有位移放大功能，即将压电陶瓷驱动器2的位移量经过自身结构的转化使其得到增长，最终传递到刀架4上时，将使刀架4具有远大于压电陶瓷驱动器2本身的轴向位移的位移量，即提高了刀具的行程。
同时，该位移放大机构的整体结构是以压电陶瓷驱动器2为对称轴的对称结构，如此，位移放大机构在传递动力时，能够消除轴向方向(压电陶瓷驱动器2的轴向)以外的其余方向上的影响因素，仅保留对刀架4的轴向方向的改动，即叠加了对刀架4的轴向位移增长量。因此，本实施例所提供的长行程快速刀具伺服装置，通过压电陶瓷驱动器2驱动刀具进行位移，保证了较高的位移精度；同时通过位移放大机构增加压电陶瓷驱动器2的位移量，使得刀具具有较大的位移行程，而位移放大机构的轴对称结构则消除了对刀具轴向位移的影响因素，进一步提高了刀具在长行程下的位移精度。
在关于位移放大机构的一种优选实施方式中，该位移放大机构主要包括互相对称的两侧传动系，其对称轴为压电陶瓷驱动器2。即两个传动系分别设置在压电陶瓷驱动器2的两侧位置。当然，当压电陶瓷驱动器2进行轴向移动时，其动力将通过两侧的传动系同步传递到刀架4上。两侧的传动系的具体传动结构完全相同，本实施例仅以其中一侧的传动系结构进行详细论述。
每侧传动系都包括一级位移放大组件，该一级位移放大组件主要用于将压电陶瓷驱动器2的轴向位移放大，从而延长刀具的行程。具体的，该一级位移放大组件主要包括第一杠杆5和第一传动杆6。
其中，第一杠杆5具体可设置在机架1内靠近机架1内腔的端壁位置，并且第一杠杆5的一端与机架1的端壁转动连接，具体可通过第一柔性铰链7连接。而第一传动杆6的一端连接在输入块3的一端，第一传动杆6的另一端与第一杠杆5的杆体中部位置转动连接，具体可通过第二柔性铰链8实现。而第一杠杆5的另一端则用于输出动力，驱动刀架4进行轴向位移。如此设置，压电陶瓷驱动器2向前轴向位移时，推动输入块3向前移动。由于第一传动杆6的一端与其相连，因此输入块3将带动第一传动杆6向前运动。同时由于第一传动杆6的一端通过第二柔性铰链8连接在第一杠杆5的中部位置，因此，第一传动杆6向前运动时，将带动第一杠杆5以其与机架1端壁的连接位置为支点进行周向转动。如图2中所示，若AB之间的距离为l1，BC之间的距离为l2，压电陶瓷驱动器2的位移为δi，那么第一杠杆5转动结束后，将使刀具产生δi×(l1+l2)/l1的位移量，相比于δi，显然扩大了位移量。
进一步的，为继续延长刀具的位移量，本实施例中的传动系可包括多级位移放大组件，以两级为例，则两侧传动系将同时包括一级位移放大组件和二级位移放大组件。其中，二级位移放大组件是在一级位移放大组件的基础上继续放大输出，因此二级位移放大组件的输入与一级位移放大组件的输出相连，并且二级位移放大组件的输出连接在刀架4的两端，输出给刀架4。
具体的，该二级位移放大组件包括第二杠杆9和第二传动杆10。其中，第二杠杆9主要用于输出，其一端与机架1的侧壁转动连接，具体可通过第三柔性铰链11实现，第二杠杆9的另一端与刀架4的一端相连，输出动力。第二传动杆10主要用于将一级位移放大组件的输出作为输入，其一端与第一杠杆5的杆体中部位置转动连接，与第一传动杆6相同，此处同样可通过第二柔性铰链8完成连接，而第二传动杆10的另一端则与第二杠杆9的中部位置转动连接，具体可通过第四柔性铰链12完成连接。如此设置，当压电陶瓷驱动器2产生轴向位移时，一级位移放大组件首先在第一杠杆5上产生δi×(l1+l2)/l1的位移量，该位移量是一级位移放大组件的输出，同时也是二级位移放大组件的输入。之后，若DE之间的距离为l3，EF之间的距离为l4，那么第二杠杆9在转动结束后将对刀架4产生δo＝δi×(l1+l2)×(l3+l4)/(l1×l3)的位移量，相比于一级位移放大组件的输出，二级位移放大组件产生的位移量扩大了(l3+l4)/l3倍。如此，二级位移放大组件进一步提高了刀具的行程。以此类推，只需将上一级位移放大组件的输出作为下一级位移放大组件的输入，多级叠加还能够继续提高刀具行程。需要说明的是，在任意一侧传动系中，虽然第二杠杆9的运动是周向转动，看似对刀架4产生圆弧形运动轨迹，但是由于两侧的传动系是互相对称的，因此两侧的第二杠杆9同时转动，同时带动刀架4运动，将使得刀架4上垂直于轴向的分运动互相抵消，从而只剩下沿轴向的合运动。
另外，本实施例在刀架4上还增设了可拆卸的刀座，不同的刀座可适应于不同种类的刀具，如此可提高刀架4的加工种类。
不仅如此，本实施例还在机架1的两侧侧壁上增设了导向机构。该导向机构的末端与刀架4的两侧侧壁相连，主要用于限制刀架4在轴向方向之外的运动趋势，使得刀架4总是趋向于沿轴向进行运动。具体的，该导向机构为双平行四杆柔性移动副机构14。并且，双平行四杆柔性移动副机构14通过第五柔性铰链13与机架1的侧壁相连，如此设置，分布于刀架4两侧的双平行四杆柔性移动副机构14将其同步拉紧或压紧，尽量消除刀架4在轴向移动时的径向跳动，提高刀具的位移精度.。
此外，在关于各个柔性铰链的优选实施方式中，考虑到柔性铰链具有多种类型，并且由于圆弧型柔性铰链的运动精度较高，但转动范围相对较小，直梁型柔性铰链有较大的转动范围，但运动精度较差，而倒圆角型柔性铰链兼顾运动精度和运动范围，再结合各个柔性铰链的工作环境，在需要较大转动范围的地方选用直梁型柔性铰链，因此可将可将第一柔性铰链7、第二柔性铰链8和第四柔性铰链12设置为倒圆角直梁型柔性铰链；在需要较高运动精度的地方选用圆弧型柔性铰链，因此可将第五柔性铰链13设置为圆弧型柔性铰链；而在需要兼顾运动精度和运动范围的地方选用采用倒圆角圆弧型的柔性铰链，因此可将第三柔性铰链11设置为倒圆角圆弧型柔性铰链。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，包括机架(1)、设置于其上且可轴向伸缩的压电陶瓷驱动器(2)、与所述压电陶瓷驱动器(2)的末端相抵接且在其驱动下直线运动的输入块(3)、用于安装刀具的刀架(4)，以及连接于所述输入块(3)与刀架(4)之间、用于将所述压电陶瓷驱动器(2)的位移放大并传递至所述刀架(4)的位移放大机构，且所述位移放大机构的整体结构以所述压电陶瓷驱动器(2)为对称轴对称。
2.根据权利要求1所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述位移放大机构包括以所述压电陶瓷驱动器(2)为对称轴互相对称的两侧传动系，且两侧所述传动系均包括用于将所述压电陶瓷驱动器(2)的轴向位移放大的一级位移放大组件。
3.根据权利要求2所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述一级位移放大组件具体包括第一杠杆(5)和第一传动杆(6)，所述第一杠杆(5)的一端通过第一柔性铰链(7)与所述机架(1)的端壁相连，所述第一传动杆(6)的一端连接在所述输入块(3)的一端，所述第一传动杆(6)的另一端通过第二柔性铰链(8)连接在所述第一杠杆(5)的杆体中部位置，且所述第一杠杆(5)的另一端用于驱动所述刀架(4)轴向位移。
4.根据权利要求3所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，两侧所述传动系均还包括用于将所述一级位移放大组件的轴向位移放大的二级位移放大组件，且所述二级位移放大组件的末端连接在所述刀架(4)的两端。
5.根据权利要求4所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述二级位移放大组件具体包括第二杠杆(9)和第二传动杆(10)，所述第二杠杆(9)的一端通过第三柔性铰链(11)与所述机架(1)的侧壁相连，所述第二杠杆(9)的另一端与所述刀架(4)的一端相连；所述第二传动杆(10)的一端通过所述第二柔性铰链(8)连接在所述第一杠杆(5)的杆体中部位置，所述第二传动杆(10)的另一端通过第四柔性铰链(12)连接在所述第二杠杆(9)的杆体中部位置。
6.根据权利要求5所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述刀架(4)上可拆卸地设置有适应于不同种类刀具的刀座。
7.根据权利要求6所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述第一柔性铰链(7)、第二柔性铰链(8)和第四柔性铰链(12)均为倒圆角直梁型柔性铰链，所述第三柔性铰链(11)具体为倒圆角圆弧型柔性铰链。
8.根据权利要求1-7任一项所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，还包括分别设置于所述机架(1)的两侧侧壁上、末端与所述刀架(4)的两侧侧壁相连的导向机构。
9.根据权利要求8所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述导向机构具体包括双平行四杆柔性移动副机构(14)，且所述双平行四杆柔性移动副机构(14)通过第五柔性铰链(13)与所述机架(1)的侧壁相连。
10.根据权利要求9所述的长行程快速刀具伺服装置，其特征在于，所述第五柔性铰链(13)具体为圆弧型柔性铰链。
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