CN109261995A - 一种五自由度快速伺服刀架微动平台 - Google Patents

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韩同鹏
胡力
赖文锋
吕俊智
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罗展鹏
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    • B23Q5/34—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission

Abstract

本发明公开了一种五自由度快速伺服刀架微动平台，特点是包括基座、刀架和刀具安装平台，基座上设置有使刀架绕X轴旋转的第一驱动机构和使刀架绕Y轴旋转的第二驱动机构，刀架上固定设置有X向压电陶瓷驱动器、第一Y向压电陶瓷驱动器和第二Y向压电陶瓷驱动器，X向压电陶瓷驱动器与刀具安装平台之间设置有X向位移放大铰链，第一Y向压电陶瓷驱动器与刀具安装平台之间设置有第一Y向位移放大铰链，第二Y向压电陶瓷驱动器与刀具安装平台之间设置有第二Y向位移放大铰链；优点是把该微动平台安装在机床Z方向的导轨上移动时，就可实现刀具6个自由度的运动，而零件只需安装在三爪卡盘上旋转，就可完成复杂曲面零件的加工，提高了加工效率。

Description

一种五自由度快速伺服刀架微动平台
技术领域
本发明涉及微动平台，尤其涉及一种五自由度快速伺服刀架微动平台。
背景技术
近年来，具有非圆截面和非轴对称结构的复杂曲面零件在光学领域应用非常广泛，这些零件的传统加工方法一般采用靠模仿形法、电化学腐蚀法、磨削抛光法等，但加工效率和加工精度较低，难以满足生产要求。
现今采用CNC加工技术加工零件，一般采用刀具和零件分离的加工方法，刀具随着机床做X、Y、Z三个方向的移动，而零件在三爪卡盘上绕X方向旋转，每加工一道工序，控制X轴或者Y轴刀具就要来回进给一次，特别是加工大型零件时，进给行程较长，从而导致零件加工效率较低，同时加工精度也难以保证。且在加工复杂零件时，由于机床本身的自由度不够，常常需要多轴联动加工复杂曲面，现有的解决方案是一个伺服电机和传动系统控制一个自由度运动，而实现6个自由度的曲面加工，就需要6个伺服电机和传动系统，这就导致机床开发和制造成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高复杂曲面零件的加工效率，且可降低机床的制造成本的五自由度快速伺服刀架微动平台。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种五自由度快速伺服刀架微动平台，包括基座、刀架和用于安装刀具的刀具安装平台，所述的基座上设置有使所述的刀架绕X轴旋转的第一驱动机构和使所述的刀架绕Y轴旋转的第二驱动机构，所述的刀架上固定设置有X向压电陶瓷驱动器、第一Y向压电陶瓷驱动器和第二Y向压电陶瓷驱动器，所述的刀具安装平台设置在所述的刀架内，所述的X向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有X向位移放大铰链，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器与所述的第二Y向压电陶瓷驱动器在Y向的位置相错开，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有第一Y向位移放大铰链，所述的第二Y向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有第二Y向位移放大铰链。
进一步地，所述的第一驱动机构包括第一伺服电机、第一X向液压缸和第二X向液压缸，所述的第一X向液压缸和所述的第二X向液压缸分别固定安装在所述的基座相对的两侧，所述的第一X向液压缸的活塞杆的端部固定设置有第一连接杆，所述的第一连接杆与所述的第一伺服电机固定连接，所述的第一伺服电机与所述的基座沿X向滑动配合，所述的第一伺服电机的驱动轴上同轴固定设置有第一花键，所述的刀架朝向所述的第一伺服电机的一侧设置有用于与所述的第一花键相配合的第一花键孔，所述的刀架朝向所述的第二X向液压缸的一侧设置有X向定位孔，所述的第二X向液压缸的活塞杆伸入所述的X向定位孔中。
进一步地，所述的第二驱动机构包括第二伺服电机、第一Y向液压缸和第二Y向液压缸，所述的第一Y向液压缸和所述的第二Y向液压缸分别固定安装在所述的基座相对的两侧，所述的第一Y向液压缸的活塞杆的端部固定设置有第二连接杆，所述的第二连接杆与所述的第二伺服电机固定连接，所述的第二伺服电机与所述的基座沿Y向滑动配合，所述的第二伺服电机的驱动轴上同轴固定设置有第二花键，所述的刀架朝向所述的第二伺服电机的一侧设置有用于与所述的第二花键相配合的第二花键孔，所述的刀架朝向所述的第二Y向液压缸的一侧设置有Y向定位孔，所述的第二Y向液压缸的活塞杆伸入所述的Y向定位孔中。
进一步地，所述的X向位移放大铰链包括第一U形连接臂，所述的第一U形连接臂的两端分别通过柔性铰链与所述的刀架一体连接，所述的第一U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接，所述的X向压电陶瓷驱动器抵在所述的第一U形连接臂的外臂上。
进一步地，所述的第一Y向位移放大铰链包括第二U形连接臂和直臂，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器抵在所述的直臂上，所述的直臂的的一端与所述的第二U形连接臂的外臂相垂直且一体连接，所述的第二U形连接臂的外臂通过柔性铰链与所述的刀架一体连接，所述的第二U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接。
进一步地，所述的第二Y向位移放大铰链包括第三U形连接臂，所述的第三U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接，所述的第二Y向压电陶瓷驱动器抵在所述的第三U形连接臂的外臂上，所述的第三U形连接臂的开口端通过柔性铰链与所述的刀架一体连接。
与现有技术相比，本发明的优点是该刀架微动平台自身可实现5个自由度方向的刀具运动，包括沿X、Y方向的移动和绕X、Y、Z方向的旋转，当把该微动平台安装在机床Z方向的导轨上移动时，就可实现刀具6个自由度方向的运动，从而实现零件的6自由度加工，而零件只需安装在机床的三爪卡盘上旋转即可，就可完成复杂曲面零件各个方向的加工，提高了加工效率；且整个刀架微动平台结构简单，需要的伺服电机和传动部件较少，在保证零件加工精度的前提下，降低了机床的制造成本和使用成本。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的第一伺服电机与第一X向液压缸的连接示意图；
图3为本发明的刀架与刀具安装平台的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示，一种五自由度快速伺服刀架微动平台，包括基座1、刀架2和用于安装刀具100的刀具安装平台3，基座1上设置有使刀架2绕X轴旋转的第一驱动机构和使刀架2绕Y轴旋转的第二驱动机构，第一驱动机构包括第一伺服电机4、第一X向液压缸5和第二X向液压缸6，第一X向液压缸5和第二X向液压缸6分别固定安装在基座1相对的两侧，第一X向液压缸5的活塞杆的端部固定设置有第一连接杆51，第一连接杆51与第一伺服电机4固定连接，第一伺服电机4与基座1沿X向滑动配合，第一伺服电机4的驱动轴上同轴固定设置有第一花键41，刀架2朝向第一伺服电机4的一侧设置有用于与第一花键41相配合的第一花键孔21，刀架2朝向第二X向液压缸6的一侧设置有X向定位孔（图中未显示），第二X向液压缸6的活塞杆伸入X向定位孔（图中未显示）中；第二驱动机构包括第二伺服电机7、第一Y向液压缸8和第二Y向液压缸9，第一Y向液压缸8和第二Y向液压缸9分别固定安装在基座1相对的两侧，第一Y向液压缸8的活塞杆的端部固定设置有第二连接杆81，第二连接杆81与第二伺服电机7固定连接，第二伺服电机7与基座1沿Y向滑动配合，第二伺服电机7的驱动轴上同轴固定设置有第二花键（图中未显示），刀架2朝向第二伺服电机7的一侧设置有用于与第二花键相配合的第二花键孔22，刀架2朝向第二Y向液压缸9的一侧设置有Y向定位孔（图中未显示），第二Y向液压缸9的活塞杆伸入Y向定位孔中；
刀架2上固定设置有X向压电陶瓷驱动器10、第一Y向压电陶瓷驱动器11和第二Y向压电陶瓷驱动器12，刀具安装平台3设置在刀架2内，X向压电陶瓷驱动器10与刀具安装平台3之间设置有X向位移放大铰链，X向位移放大铰链包括第一U形连接臂13，第一U形连接臂13的两端分别通过柔性铰链200与刀架2一体连接，第一U形连接臂13的内臂通过柔性铰链200与刀具安装平台3一体连接，X向压电陶瓷驱动器10抵在第一U形连接臂13的外臂上，第一Y向压电陶瓷驱动器11与第二Y向压电陶瓷驱动器12在Y向的位置相错开，第一Y向压电陶瓷驱动器11与刀具安装平台3之间设置有第一Y向位移放大铰链，第一Y向位移放大铰链包括第二U形连接臂14和直臂15，第一Y向压电陶瓷驱动器11抵在直臂15上，直臂15的的一端与第二U形连接臂14的外臂相垂直且一体连接，第二U形连接臂14的外臂通过柔性铰链200与刀架2一体连接，第二U形连接臂14的内臂通过柔性铰链200与刀具安装平台3一体连接，第二Y向压电陶瓷驱动器12与刀具安装平台3之间设置有第二Y向位移放大铰链，第二Y向位移放大铰链包括第三U形连接臂16，第三U形连接臂16的内臂通过柔性铰链200与刀具安装平台3一体连接，第二Y向压电陶瓷驱动器12抵在第三U形连接臂16的外臂上，第三U形连接臂16的开口端通过柔性铰链200与刀架2一体连接。
上述实施例中，该刀架微动平台实现五自由度运动的过程为：
（1）、绕X轴旋转：第一X向液压缸5驱动第一伺服电机4沿基座1的X向移动，使第一伺服电机4上的第一花键41与刀架2上的第一花键孔21相配合，第二X向液压缸6驱动活塞杆伸入X向定位孔中，然后第一伺服电机4工作，带动刀架2（即带动刀具）绕X轴旋转。
（2）、绕Y轴旋转：先控制刀架2复位，再通过第一Y向液压缸8驱动第二伺服电机7沿基座1的Y向移动，使第二伺服电机7上的第二花键41与刀架2上的第二花键孔22相配合，第二Y向液压缸9驱动活塞杆伸入Y向定位孔中，然后控制第一伺服电机4上的第一花键41与刀架2上的第一花键孔21相脱离，第二X向液压缸6的活塞杆退出X向定位孔，再控制第二伺服电机7工作，带动刀架2（即带动刀具）绕Y轴旋转。
（3）、沿X向移动：通过X向压电陶瓷驱动器10的驱动和X向位移放大铰链的位移放大，推动刀具安装平台3（即推动刀具）沿X向移动。
（4）、沿Y向移动：通过第一Y向压电陶瓷驱动器11或第二Y向压电陶瓷驱动器12的驱动以及第一Y向位移放大铰链或第二Y向位移放大铰链的位移放大，推动刀具安装平台3（即推动刀具）沿Y向移动。
（5）、绕Z轴旋转：第一Y向压电陶瓷驱动器11和第二Y向压电陶瓷驱动器12同时驱动，推动刀具安装平台3（即推动刀具）绕Z轴旋转。

Claims (6)

1.一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于包括基座、刀架和用于安装刀具的刀具安装平台，所述的基座上设置有使所述的刀架绕X轴旋转的第一驱动机构和使所述的刀架绕Y轴旋转的第二驱动机构，所述的刀架上固定设置有X向压电陶瓷驱动器、第一Y向压电陶瓷驱动器和第二Y向压电陶瓷驱动器，所述的刀具安装平台设置在所述的刀架内，所述的X向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有X向位移放大铰链，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器与所述的第二Y向压电陶瓷驱动器在Y向的位置相错开，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有第一Y向位移放大铰链，所述的第二Y向压电陶瓷驱动器与所述的刀具安装平台之间设置有第二Y向位移放大铰链。
2.如权利要求1所述的一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于：所述的第一驱动机构包括第一伺服电机、第一X向液压缸和第二X向液压缸，所述的第一X向液压缸和所述的第二X向液压缸分别固定安装在所述的基座相对的两侧，所述的第一X向液压缸的活塞杆的端部固定设置有第一连接杆，所述的第一连接杆与所述的第一伺服电机固定连接，所述的第一伺服电机与所述的基座沿X向滑动配合，所述的第一伺服电机的驱动轴上同轴固定设置有第一花键，所述的刀架朝向所述的第一伺服电机的一侧设置有用于与所述的第一花键相配合的第一花键孔，所述的刀架朝向所述的第二X向液压缸的一侧设置有X向定位孔，所述的第二X向液压缸的活塞杆伸入所述的X向定位孔中。
3.如权利要求1所述的一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于：所述的第二驱动机构包括第二伺服电机、第一Y向液压缸和第二Y向液压缸，所述的第一Y向液压缸和所述的第二Y向液压缸分别固定安装在所述的基座相对的两侧，所述的第一Y向液压缸的活塞杆的端部固定设置有第二连接杆，所述的第二连接杆与所述的第二伺服电机固定连接，所述的第二伺服电机与所述的基座沿Y向滑动配合，所述的第二伺服电机的驱动轴上同轴固定设置有第二花键，所述的刀架朝向所述的第二伺服电机的一侧设置有用于与所述的第二花键相配合的第二花键孔，所述的刀架朝向所述的第二Y向液压缸的一侧设置有Y向定位孔，所述的第二Y向液压缸的活塞杆伸入所述的Y向定位孔中。
4.如权利要求1所述的一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于：所述的X向位移放大铰链包括第一U形连接臂，所述的第一U形连接臂的两端分别通过柔性铰链与所述的刀架一体连接，所述的第一U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接，所述的X向压电陶瓷驱动器抵在所述的第一U形连接臂的外臂上。
5.如权利要求1所述的一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于：所述的第一Y向位移放大铰链包括第二U形连接臂和直臂，所述的第一Y向压电陶瓷驱动器抵在所述的直臂上，所述的直臂的的一端与所述的第二U形连接臂的外臂相垂直且一体连接，所述的第二U形连接臂的外臂通过柔性铰链与所述的刀架一体连接，所述的第二U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接。
6.如权利要求1所述的一种五自由度快速伺服刀架微动平台，其特征在于：所述的第二Y向位移放大铰链包括第三U形连接臂，所述的第三U形连接臂的内臂通过柔性铰链与所述的刀具安装平台一体连接，所述的第二Y向压电陶瓷驱动器抵在所述的第三U形连接臂的外臂上，所述的第三U形连接臂的开口端通过柔性铰链与所述的刀架一体连接。
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