CN110142637B - 一种输出恒力的快刀伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出恒力的快刀伺服系统，包括驱动机构、柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构、固定底座、连接件、刀架和刀具；驱动机构安装在固定底座内，驱动机构的动力输出轴与所述的柔性板簧负刚度机构的中心相连接；所述柔性板簧负刚度机构的中心通过第一连接件与所述的柔性板簧正刚度机构的中心相连，柔性板簧负刚度机构的外圈通过第二连接件与柔性板簧正刚度机构的外圈相连，且柔性板簧负刚度机构、柔性板簧正刚度机构通过第二连接件相连后固定在所述的底座上；在柔性板簧正刚度机构的中心安装一个刀架，刀架上安装一个刀具。

Description

一种输出恒力的快刀伺服系统

技术领域

本发明涉及一种快刀伺服系统，尤其涉及一种输出力为恒力且恒力大小可调整的快刀伺服系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

微结构阵列、衍射元件、非圆截面零件等新型复杂曲面零件及微结构光学元件的应用领域越来越广。对于这类面形复杂的零件/元件，传统加工方式难以胜任，而超精密快速刀具伺服，简称快刀伺服技术，是当前加工此类复杂曲面零件的关键技术。

快刀伺服技术是通过在数控机床上安装快速伺服单元，根据加工面形的高低起伏引起的刀具和工件相对位置的实时变化，来高频率、高精度地实时变化轴向或径向进给量，从而完成高精度的复杂曲面加工。

快刀伺服技术，通常采用柔性机构的变形来传递切削量和切削力。而高精密的复杂加工要求精准的切削量和恒定的切削力，精准的切削量保证了高精度的要求和误差的控制，恒定的切削力保证了相对误差和表面粗糙度。发明人发现变化幅度较大的切削力会使加工曲面不光滑，甚至在加工时会导致刀具振动，出现表面凹槽，磨损刀具。因此保证快刀伺服系统恒定的切削力是一个重要的问题。

发明内容

针对上述输出恒定驱动力的问题，本发明提供了一种输出恒力的快刀伺服系统，以柔性板簧结构为导向，音圈电机驱动，通过对柔性板簧的设计实现输出切削力为恒力，且该切削力大小可以通过调节机构进行调整，解决快刀伺服系统的输出驱动力不稳定的问题。

本发明采取的技术方案为：

一种输出恒力的快刀伺服系统，包括驱动机构、柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构、固定底座、连接件、刀架和刀具；

所述的驱动机构安装在固定底座内，驱动机构的动力输出轴与所述的柔性板簧负刚度机构的中心相连接；所述柔性板簧负刚度机构的中心通过第一连接件与所述的柔性板簧正刚度机构的中心相连，所述柔性板簧负刚度机构的外圈通过第二连接件与所述的柔性板簧正刚度机构的外圈相连，且柔性板簧负刚度机构、柔性板簧正刚度机构通过第二连接件相连后固定在所述的底座上；所述的柔性板簧正刚度机构中的柔性板簧数量与柔性板簧负刚度机构中柔性板簧数量呈两倍关系，以保证两个机构并联之后刚度之和等于零，即形成恒力机构(零刚度机构)。

进一步的，在所述的柔性板簧正刚度机构的中心安装一个刀架，刀架上安装一个刀具。

进一步的，所述的固定底座的内侧与驱动机构的固定端连接在一起，固定底座的底部可与机床相连接。进一步的，所述的固定底座是一体式的，包括用于固定于机床的支架与安装驱动机构的圆形凹槽。

进一步的，所述的驱动机构采用音圈电机驱动器，所述的音圈电机驱动器由两个部分组成，一个部分为音圈电机定子(固定端)，另一个部分为音圈电机动子(活动端)，能实现微米级与毫米级的位移输出。

进一步的，所述的音圈电机定子安装在固定底座的内部，采用螺栓固定；音圈电机动子与负刚度机构的中心端相连，也采用螺栓固定。

进一步的，所述的柔性板簧负刚度机构、柔性板簧正刚度机构均为轮辐形结构，各自由一个中心圆端和一个外侧圆环端组成，所述的中心圆端与外侧圆环端之间通过柔性板簧连接。

进一步的，所述的负刚度机构中连接两个圆形结构的柔性板簧沿轴向成一定的倾斜角度，该角度取值在2.5°至5°，具体取值与柔性板簧参数有关。该角度使机构呈现出负刚度的特性。

进一步的，所述的第一连接件为一个圆形结构，在所述的圆形结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第一连接件与正刚度机构、负刚度机构的中心端连接在一起。

进一步的，所述的第二连接件为一个圆环结构，在所述的圆环结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第二连接件与正刚度机构、负刚度机构的外圆端连接在一起。

进一步的，所述的第二连接件中心有一个调节螺母，调节螺母的底端抵住负刚度机构的中心端。通过调整调节螺母来改变负刚度机构的初始倾斜角度，以改变恒力的大小。

进一步的，所述的刀架安装于柔性板簧正刚度机构的中心圆的另一侧，刀架上安装有车削刀具。

本发明所得到的有益效果：

1、采用音圈电机为驱动，柔性板簧为导向的结构，能实现快刀伺服系统的大行程输出。

2、采用正刚度机构和负刚度机构相并联的结构，通过两种机构的并联构成一种零刚度机构，在一定的位移范围下可以输出恒定的切削力，从而保证了在高速进给的过程中，输出的切削力不变。

3、柔性板簧正刚度机构和负刚度机构均呈120度分布，一方面保证了快刀伺服系统的承载刚度，满足了切削加工的要求；另一方面由于正刚度机构和负刚度机构的结构相似，保证了在刚度并联叠加过程中机构更容易达到零刚度。

4、快刀伺服系统的输出切削力大小，可以通过调节螺母的松紧来调整，来达到理想的恒定切削力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的整体结构的主视图。

图3为本发明的整体结构左视图的全剖试图。

图4为本发明的柔性板簧正刚度机构的主视图。

图5为本发明的负刚度机构的主视图。

图6为本发明的负刚度机构的左视图。

图中：1-固定底座、2-音圈电机定子、3-音圈电机动子、4-第二连接件、5-负刚度机构、6-柔性板簧正刚度机构、7-第一连接件、8-刀架、9-调节螺母、10-刀具、11-正刚度机构中心圆端、12-第一板簧、13-中间平台、14-第二板簧、15-正刚度机构外圆环端、16-负刚度机构中心圆端、17-柔性板簧、18-负刚度机构外圆环端。

具体实施方案

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。正如背景技术部分所描述的，快刀伺服技术，通常采用柔性机构的变形来传递切削量和切削力。而高精密的复杂加工要求精准的切削量和恒定的切削力，精准的切削量保证了高精度的要求和误差的控制，恒定的切削力保证了相对误差和表面粗糙度。发明人发现变化幅度较大的切削力会使加工曲面不光滑，甚至在加工时会导致刀具振动，出现表面凹槽，磨损刀具。因此保证快刀伺服系统恒定的切削力是一个重要的问题。除了通过复杂的位移控制和力控制策略来克服上述问题之外，另一种方法是设计一种输出恒力的纯机械结构；这种方法更加的简单、安全和低成本。恒力机构的设计有各式各样的，如变截面变形板簧、恒力弹簧、双滑块机构等等，但最简单的方法是通过正刚度机构和负刚度机构并联在一起，使两个机构的刚度大小相等、方向相反，就能构成一个恒力机构，也叫零刚度机构。

本发明的公开的一种输出恒力的快刀伺服系统，如图1、2、3所示，所述的快刀伺服系统，包括了固定底座1、驱动机构、负刚度机构5、正刚度机构6、第一连接件7、第二连接件4、刀架8、调节螺母9、刀具10等机构。

如图1所示，本实施例中的固定底座1是一体的，有一个圆柱形的大凹槽，该凹槽的主要目的是为了固定音圈电机定子2，同时所述的固定底座凹槽周围有3个螺钉孔，用于固定正刚度机构6、负刚度机构5的外圆端。固定底座底部有4个沉头孔，用于将快刀伺服系统安装于机床上。进一步的，所述的固定底座还可以是分体安装式的，具体的可以根据实际情况与加工要求而定。

进一步的，本实施例中所述的驱动机构采用音圈电机驱动器，包括音圈电机定子2、音圈电机动子3。

音圈电机定子2安装于固定底座凹槽的中心，音圈电机动子3与负刚度机构5的中心端相连。通过螺栓将音圈电机动子3、负刚度机构5的中心端、第一连接件7、正刚度机构6的中心端固定在一起，形成机构并联。同时，通过螺栓将负刚度机构5的外圆端、第二连接件4、正刚度机构6的外圆端固定在固定底座1之上。所述的音圈电机动子3的直线往复运动，带动正、负刚度机构的中心端运动，引起连接的柔性板簧发生弯曲，从而达到输出的切削力为恒力。

所述的刀架8是一个背部带有凹槽结构的凸台。凹槽的目的是为了安装过程中不接触调节螺钉和紧固螺钉。所述的凸台顶端有一个定位槽，可以安装和拆卸刀具10。所述的刀架8的台面上有4个沉头孔，通过4个螺栓穿过正刚度机构固定于第一连接件7之上，随着连接件的运动而运动。

第一连接件为一个圆形结构，在所述的圆形结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第一连接件与柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构的中心端连接在一起。

第二连接件为一个圆环结构，在所述的圆环结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第二连接件与柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构的外圆端连接在一起。所述的第二连接件中心有一个调节螺母，调节螺母的底端抵住柔性板簧负刚度机构的中心端；通过调整调节螺母来改变负刚度机构的初始倾斜角度，以改变恒力的大小。

所述的柔性板簧正刚度机构6呈轮辐形，如图4所示，由一个中心圆端11和一个外圆环端15，通过均匀分布的三对柔性板簧连接组成。每对柔性板簧包括两个柔性板簧，即附图中的第一板簧12和第二板簧13，所述的中心圆端11与三个第一板簧12连接，所述的外圆环端15与三个第二板簧13连接，而相对应位置上的第一板簧12与第二板簧13通过一个中间平台14连接在一起。

三个第一板簧12之间互相呈60度；三个第二板簧13之间互相呈60度；且位于同一组的第一板簧12和第二板簧13相互平行。

运动过程中，中心端11发生直线往复运动，由于外圆端15固定于固定底座1之上，因此第一板簧12和第二板簧13会发生相同方向的弯曲，表现出正刚度的特性。

所述的负刚度机构5，如图5所示，与正刚度机构6相似，呈轮辐形。所述的负刚度机构5也由一个中心圆端16和一个外圆环端18，通过3个柔性板簧17连接组成。但由于中心圆端16与外圆环端18初始情况下不在同一平面上，从而导致柔性板簧沿着机构轴线方向上存在一定的倾斜角度，如图6所示。其中，所述的倾斜角度通常取值在2.5°至5°之间，具体的取值与柔性板簧的参数有关。当运动过程中，倾斜角度减小时，机构将会表现出负刚度的特性，即随着位移的增大，力反而减小。

所述的正刚度机构6和负刚度机构5的外圆环端一同固定于固定底座1上，对应附图中，是通过第二连接件4和螺栓固定在所述的固定底座上；正刚度机构6和负刚度机构5的中心端一同与音圈电机动子3连接在一起，一起发生直线往复运动。由于两个机构并联在一起时，总刚度等于机构各自刚度之和，当正、负刚度相加等于零时，所述的快刀伺服系统输出的切削力为恒力。

进一步的，所述的正刚度机构6的柔性板簧数量与负刚度机构5的柔性板簧数量呈两倍关系，以保证两个机构并联之后刚度之和等于零，即形成恒力机构(零刚度机构)。但是需要说明的是这里不限定柔性板簧的数量，所述的实例中的柔性板簧的数量仅作参考。

所述的恒力大小可以通过调节螺母9来调整。所述的调节螺母9与正刚度机构6的中心端内螺纹配合，所述的调节螺母9底端抵住负刚度机构的中心端。旋转调节螺母9可以使正刚度机构6的板簧在初始状态下发生小幅度弯曲，从而可以改变快刀伺服系统输出的切削力大小。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，包括驱动机构、柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构和固定底座；

所述的驱动机构安装在固定底座内，驱动机构的动力输出端与所述的柔性板簧负刚度机构的中心相连接；所述柔性板簧负刚度机构的中心通过第一连接件与所述的柔性板簧正刚度机构的中心相连，所述柔性板簧负刚度机构的外圈通过第二连接件与所述的柔性板簧正刚度机构的外圈相连，且柔性板簧负刚度机构、柔性板簧正刚度机构通过第二连接件相连后固定在所述的底座上；所述的柔性板簧正刚度机构中的柔性板簧数量与柔性板簧负刚度机构中柔性板簧数量呈两倍关系；

所述的第二连接件中心有一个调节螺母，调节螺母的底端抵住柔性板簧负刚度机构的中心端；通过调整调节螺母来改变柔性板簧负刚度机构的初始倾斜角度，以改变恒力的大小；

所述的柔性板簧正刚度机构呈轮辐形，由一个中心圆端和一个外圆环端，通过均匀分布的三对柔性板簧连接组成；每对柔性板簧包括两个柔性板簧，即第一板簧和第二板簧，所述的中心圆端与三个第一板簧连接，所述的外圆环端与三个第二板簧连接，而相对应位置上的第一板簧与第二板簧通过一个中间平台连接在一起；所述的柔性板簧负刚度机构由一个中心圆端和一个外圆环端，通过3个柔性板簧连接组成；柔性板簧正刚度机构和负刚度机构均呈120度分布。

2.如权利要求1所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的驱动机构采用音圈电机驱动器，所述的音圈电机驱动器由两个部分组成，一个部分为音圈电机定子，另一个部分为音圈电机动子，能实现微米级与毫米级的位移输出。

3.如权利要求2所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的固定底座的内侧与驱动机构的音圈电机定子连接在一起，固定底座的底部与机床相连接。

4.如权利要求2所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的音圈电机定子采用螺栓与所述的固定底座的内部固定；所述的音圈电机动子与柔性板簧负刚度机构的中心端采用螺栓相连。

5.如权利要求1所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的柔性板簧负刚度机构、柔性板簧正刚度机构均为轮辐形结构，各自由一个中心圆端和一个外侧圆环端，所述的中心圆端与外侧圆环端之间通过柔性板簧连接。

6.如权利要求5所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的柔性板簧负刚度机构中的柔性板簧沿轴向成一定的倾斜角度。

7.如权利要求1所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，在所述的柔性板簧正刚度机构的中心安装一个刀架，刀架上安装一个刀具。

8.如权利要求1所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的第一连接件为一个圆形结构，在所述的圆形结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第一连接件与柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构的中心端连接在一起。

9.如权利要求1所述的输出恒力的快刀伺服系统，其特征在于，所述的第二连接件为一个圆环结构，在所述的圆环结构上设置有通孔，通过螺栓将所述的第二连接件与柔性板簧正刚度机构、柔性板簧负刚度机构的外圆端连接在一起。

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