CN110370060B - 一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器、零件加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器、零件加工系统及方法。其中，一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器，包括柔性刀架，所述柔性刀架包括柔性放大机构和柔性导向机构，所述柔性放大机构是由初级放大杠杆和次级放大杠杆构成的二级杠杆放大结构；所述二级杠杆放大结构呈轴对称布置；所述初级放大杠杆与压电陶瓷驱动器相连，压电陶瓷驱动器安装在柔性刀架上；所述次级放大杆的一端与导向机构的导向杆复合，另一端与柔性刀架输出轴相连，柔性刀架输出轴末端安装有刀具座；所述压电陶瓷驱动器输出的位移通过二级杠杆放大结构逐级放大，并在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动。
Description
技术领域
本公开属于快刀伺服器领域，尤其涉及一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器、零件加工系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
具有自由曲面的光学元件已在光纤通讯、空间探索、国防工业、精密仪器等领域得到广泛应用。由于此种元件的曲面复杂，传统加工方式很难满足其高效、高精密的加工。基于快刀伺服技术的精密加工技术，由于具有高刚度、高频响和高定位精度的特点，已成为加工此类具有自由曲面的光学元件的有效方法。
发明人发现，在现有技术中公开了一种快刀伺服设备，采用音圈电机作为驱动机构，采用气浮静压导轨作为导向装置，该设备能够实现毫米级的超长行程的位移输出，实现大行程的快刀伺服加工要求。然而该种设备采用音圈电机作为驱动机构，由于音圈电机的动子部分质量大，导致系统的响应频率降低。
压电陶瓷驱动器具有高刚度、小质量、高固有频率和大出力的特点，采用压电陶瓷作为快刀伺服机构的驱动机构能够实现系统的高响应频率。然而由于压电陶瓷的输出位移较小，采用压电陶瓷直接驱动会使快刀伺服器的加工行程较小。现有技术中公开了一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器，通过压电陶瓷驱动，采用杠杆放大原理的柔性放大机构实现对压电陶瓷驱动器的位移放大，然而杠杆放大结构存在寄生位移，这会影响系统的加工精度。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提供了一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器、零件加工系统及方法，其以压电陶瓷作为驱动机构，通过二级杠杆放大机构实现对压电陶瓷输出位移的放大，实现系统长行程输出；整体柔性机构采用对称式的解耦设计，消除柔性机构的寄生位移，从而提升系统的加工精度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开的第一个方面提供一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器。
一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器，包括：
柔性刀架，所述柔性刀架包括柔性放大机构和柔性导向机构，所述柔性放大机构是由初级放大杠杆和次级放大杠杆构成的二级杠杆放大结构；所述二级杠杆放大结构呈轴对称布置；所述初级放大杠杆与压电陶瓷驱动器相连，压电陶瓷驱动器安装在柔性刀架上；所述次级放大杆的一端与导向机构的导向杆复合，另一端与柔性刀架输出轴相连，柔性刀架输出轴末端安装有刀具座；所述压电陶瓷驱动器输出的位移通过二级杠杆放大结构逐级放大，并在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动。
作为一种实施方式，所述柔性导向机构采用复合平行四杆机构，放大机构次级放大杆与导向机构复合，放大机构和导向机构均为对称式布置。
上述方案的优点在于，柔性导向机构采用复合平行四杆机构设计，相比于平行四杆机构，对称式的复合平行四杆机构能够消除导向端的寄生位移。
作为一种实施方式，所述次级放大杆与柔性刀架输出轴铰接连接。
作为一种实施方式，所述压电陶瓷驱动器的输出端与柔性刀架输入轴相连，柔性刀架输入轴与初级放大杠杆铰接连接。
上述方案的优点在于，铰接连接的方式提高了位移传送的精度。
作为一种实施方式，所述固定座上还安装有位移传感器，所述位移传感器用于检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，所述微处理器与压电陶瓷驱动器相连。
上述方案的优点在于，这样能够将柔性刀架输出轴的位移量实时反馈至压电陶瓷驱动器，提高压电陶瓷驱动器输出位移的精度。
作为一种实施方式，所述位移传感器为光栅位移传感器，光栅传感器的读数头通过光栅固定架安装在固定座上，光栅尺安装在柔性刀架输出轴上。
上述方案的优点在于，光栅位移传感器能够避免外界干扰，提高位移检测的准确性。
作为一种实施方式，所述柔性刀架安装在固定座上，固定座和柔性刀架为分体式结构。
上述方案的优点在于，这样方便压电陶瓷驱动的快刀伺服器的检修。
作为一种实施方式，所述压电陶瓷驱动的快刀伺服器还包括挡板，所述挡板安装在柔性刀架外侧。
上述方案的优点在于，防止切屑等进入机构内部影响机构工作，提高压电陶瓷驱动的快刀伺服器的寿命及工作效率。
作为一种实施方式，所述柔性刀架设置有压电陶瓷安装孔，所述压电陶瓷驱动器通过预紧机构固定在压电陶瓷安装孔内。
上述方案的优点在于，这样能够提高压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作稳定性。
作为一种实施方式，所述柔性放大机构和柔性导向机构中均设置有直圆铰链。
上述方案的优点在于，柔性放大机构和柔性导向机构的柔性铰链均采用直圆铰链，旋转精度高。
本公开的第二个方面提供一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法。
一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，包括：
压电陶瓷驱动器输出的位移传导至二级杠杆放大结构，依次经初级放大杠杆和次级放大杠杆对位移进行逐级放大；
放大后的位移传送至柔性刀架输出轴，进而在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动。
作为一种实施方式，所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，其还包括：
位移传感器检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，微处理器根据接收到的位移量来控制压电陶瓷驱动器输出的位移。
本公开的第三个方面提供一种零件加工系统。
一种零件加工系统，包括上述所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器。
本公开的有益效果是：
(1)本公开的柔性放大机构是由初级放大杠杆和次级放大杠杆构成的二级杠杆放大结构二，实现压了电陶瓷型快刀伺服器的长行程输出能力，提升了其应用范围。
(2)本公开的柔性放大机构是的对称式布置，而且柔性导向机构采用复合平行四杆机构，这样消除了柔性机构的寄生位移，提升了系统的加工精度。
(3)本公开的次级放大杠杆和导向杆的复合设计使得结构更加紧凑。
(4)本公开的柔性机构铰链的同一性使得设计和优化过程更加容易实现。
(5)本公开的柔性刀架和固定座的分体式设计便于传感器及柔性刀架的更换，提升了系统的可更换性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例的一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器结构示意图；
图2是本公开实施例的一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器中挡板结构示意图；
图3是本公开实施例的一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器中预紧机构示意图。
其中，101、光栅固定架，102、光栅位移传感器，2、刀具座，3、金刚石刀具，401、柔性刀架输出轴，402、柔性导向机构，403、柔性放大机构，404、压电陶瓷安装孔，5、压电陶瓷驱动器，6、固定座，701、侧挡板，702、上挡板，703、前挡板，704、后挡板，8、预紧螺栓。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器，包括：
柔性刀架，所述柔性刀架包括柔性放大机构403和柔性导向机构402，所述柔性放大机构403是由初级放大杠杆和次级放大杠杆构成的二级杠杆放大结构；所述二级杠杆放大结构呈轴对称布置；所述初级放大杠杆与压电陶瓷驱动器5相连，压电陶瓷驱动器5安装在柔性刀架上；所述次级放大杆的一端与导向机构的导向杆复合，另一端与柔性刀架输出轴401相连，柔性刀架输出轴401末端安装有刀具座2；所述压电陶瓷驱动器5输出的位移通过二级杠杆放大结构逐级放大，并在柔性导向机构402的导向作用下，输出轴向位移带刀具座2做直线往复运动。
其中，二级杠杆放大结构呈轴对称布置，如图1所示，即两组二级杠杆放大机构沿机构中心轴镜像对称，放大机构的对称布置能够消除机构输入端的寄生位移，提高交系统精度。
压电陶瓷驱动器具有大出力、高刚度、高固有频率特点，能够实现系统的高频率响应。
具体地，所述柔性刀架设置有压电陶瓷安装孔404，所述压电陶瓷驱动器5通过预紧机构固定在压电陶瓷安装孔404内。
这样能够提高压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作稳定性。
在本实施例中，如图2所示，预紧机构为预紧螺栓8，采用螺旋预紧，通过旋紧预紧螺8压紧压电陶瓷驱动器5，实现对压电陶瓷驱动器5的预紧。
需要说明的是，在其他实施例中，预紧机构也可采用其他现有的结构来实现。
柔性放大机构采用杠杆放大原理，具体结构为二级杠杆放大，能够放大压电陶瓷驱动器的输出位移，实现系统的长行程输出能力。二级杠杆放大结构使得系统结构紧凑。
二级杠杆放大结构采用对称式的布置方式，消除杠杆放大机构的寄生位移。
具体地，所述次级放大杆与柔性刀架输出轴铰接连接。
柔性刀架输出轴401末端的刀具座2上安装有金刚石刀具3。
所述压电陶瓷驱动器的输出端与柔性刀架输入轴相连，柔性刀架输入轴与初级放大杠杆铰接连接。
作为一种实施方式，所述柔性放大机构和柔性导向机构中均设置有直圆铰链。性放大机构和柔性导向机构的柔性铰链均采用直圆铰链，旋转精度高。铰接连接的方式提高了位移传送的精度。
在具体实施中，所述柔性导向机构采用复合平行四杆机构。
柔性导向机构采用复合平行四杆机构设计，相比于平行四杆机构，对称式的复合平行四杆机构能够消除导向端的寄生位移。
作为一种实施方式，所述固定座上还安装有位移传感器，所述位移传感器用于检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，所述微处理器与压电陶瓷驱动器相连。
这样能够将柔性刀架输出轴的位移量实时反馈至压电陶瓷驱动器，提高压电陶瓷驱动器输出位移的精度。
具体地，如图1所示，所述位移传感器为光栅位移传感器102，光栅传感器的读数头通过光栅固定架101安装在固定座上，光栅尺安装在柔性刀架输出轴上。其中，光栅位移传感器能够避免外界干扰，提高位移检测的准确性。
作为一种实施方式，所述柔性刀架安装在固定座6上，固定座和柔性刀架为分体式结构。这样方便压电陶瓷驱动的快刀伺服器的检修。
作为一种实施方式，所述压电陶瓷驱动的快刀伺服器还包括挡板，所述挡板安装在柔性刀架外侧，防止切屑等进入机构内部影响机构工作，提高压电陶瓷驱动的快刀伺服器的寿命及工作效率。
具体地，如图2和图3所示，侧挡板701、上挡板702、前挡板703和后挡板704安装在柔性刀架外侧。
本实施例的压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，包括：
压电陶瓷驱动器输出的位移传导至二级杠杆放大结构，依次经初级放大杠杆和次级放大杠杆对位移进行逐级放大；
放大后的位移传送至柔性刀架输出轴，进而在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动。
作为一种实施方式，所述压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，还包括：
位移传感器检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，微处理器根据接收到的位移量来控制压电陶瓷驱动器输出的位移。
本实施例的压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服器，以压电陶瓷作为驱动机构，基于柔性铰链的柔性机构作为导向机构，通过二级杠杆放大机构实现对压电陶瓷输出位移的放大，实现系统长行程输出。另外，整体柔性机构采用对称式的解耦设计，消除柔性机构的寄生位移，从而提升系统的加工精度。二级杠杆机构以及杠杆和导向机构的复合的设计提升结构的紧凑性。
本实施例的压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服器可以安装在精密机床上，用以加工非圆截面零件或非旋转对称的光学零件。压电陶瓷驱动机构可以实现高频响加工，柔性刀架的长行程输出行程可以大大提升该快刀伺服器的加工范围，提升其实际应用能力。除了超精密快刀车削，本机构也可以作为微位移执行器，用于执行超精密磨削或工件定位等操作。
实施例2
本实施例的一种零件加工系统，包括如实施例1所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，包括：
柔性刀架，所述柔性刀架包括柔性放大机构和柔性导向机构，所述柔性放大机构是由初级放大杠杆和次级放大杠杆构成的二级杠杆放大结构，所述二级杠杆放大结构呈轴对称布置；所述初级放大杠杆与压电陶瓷驱动器相连，压电陶瓷驱动器安装在柔性刀架上；所述次级放大杆的一端与导向机构的导向杆复合，另一端与柔性刀架输出轴相连，柔性刀架输出轴末端安装有刀具座；所述压电陶瓷驱动器输出的位移通过二级杠杆放大结构逐级放大，并在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动；
所述柔性放大机构的初级放大杠杆和次级放大杠杆均采用水平式的布局方式，即连接杠杆的铰链和杠杆在同一直线上；
所述柔性刀架安装在固定座上，固定座和柔性刀架为分体式结构；
所述固定座上还安装有位移传感器，所述位移传感器用于检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，所述微处理器与压电陶瓷驱动器相连；
所述位移传感器为光栅位移传感器，光栅传感器的读数头通过光栅固定架安装在固定座上，光栅尺安装在柔性刀架输出轴上；
所述柔性放大机构和柔性导向机构中均设置有直圆铰链；
通过二级杠杆放大机构对压电陶瓷输出位移放大，实现系统长行程输出，整体柔性机构采用对称式的解耦设计，消除柔性机构的寄生位移，提升系统的加工精度。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，所述柔性导向机构采用复合平行四杆机构，放大机构次级放大杆与导向机构复合，放大机构和导向机构均为对称式布置。
3.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，所述次级放大杆与柔性刀架输出轴铰链连接。
4.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器的输出端与柔性刀架输入轴相连，柔性刀架输入轴与初级放大杠杆铰接连接。
5.如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，所述压电陶瓷驱动的快刀伺服器还包括挡板，所述挡板安装在柔性刀架外侧。
6.如权利要求5所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器，其特征在于，所述柔性刀架设置有压电陶瓷安装孔，所述压电陶瓷驱动器通过预紧机构固定在压电陶瓷安装孔内。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，其特征在于，包括：
压电陶瓷驱动器输出的位移传导至二级杠杆放大结构，依次经初级放大杠杆和次级放大杠杆对位移进行逐级放大；
放大后的位移传送至柔性刀架输出轴，进而在柔性导向机构的导向作用下，输出轴向位移带刀具座做直线往复运动。
8.如权利要求7所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器的工作方法，其特征在于，还包括：
位移传感器检测柔性刀架输出轴的位移量并传送至微处理器，微处理器根据接收到的位移量来控制压电陶瓷驱动器输出的位移。
9.一种零件加工系统，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的压电陶瓷驱动的快刀伺服器。
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