CN110919032B - 一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，特点是第一压电陶瓷和第三压电陶瓷沿刀具安装架中心对称且用于驱动刀具安装架沿X向移动，第二压电陶瓷和第四压电陶瓷沿刀具安装架中心对称且用于驱动刀具安装架沿Y向移动，第一压电陶瓷与Y向右解耦机构之间设置有X正向位移放大机构，第三压电陶瓷与Y向左解耦机构之间设置有X负向位移放大机构，第二压电陶瓷与X向前解耦机构之间设置有Y正向位移放大机构，第四压电陶瓷与X向后解耦机构之间设置有Y负向位移放大机构；优点是使得安装在刀具安装架上的刀具具有高频响、大行程，即可满足高精度的光学零件的表面加工，又对零件具有较大的可加工尺寸，其适用范围较广。

Description

一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架

技术领域

本发明涉及用于曲面加工的伺服刀架，尤其涉及一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架。

背景技术

随着现代光电子技术的迅速发展，光电子仪器已经朝着更加小型化、轻型化、阵列化发展。光学元件是光电子仪器中至关重要的零部件，由于光学零件自由曲面表面形状复杂，精度要求很高，采用传统加工方法其加工效率低、加工精度差，难以满足技术指标要求。而为了适应光电子技术的迅速发展，制造出满足技术指标要求的光学元件，国内外研究人员对车削加工的进刀方式进行了改进，基于伺服刀架结构研制出了快刀伺服车削加工技术。目前的伺服刀架主要有两种，一种是刀具的输出频率较高，可实现高精度的表面加工，但是刀具的输出位移较小，对零件的可加工尺寸范围较小，通用性不好；另一种是可实现刀具的大行程加工（即有较大的输出位移），但是其频响较低，无法实现高精度的表面加工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二自由度伺服刀架，其使刀具具有高频响、大行程，即可满足高精度的光学零件的表面加工，又对零件具有较大的可加工尺寸，其适用范围较广。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，包括机架、刀具安装架、第一压电陶瓷安装座、第二压电陶瓷安装座、第三压电陶瓷安装座和第四压电陶瓷安装座，所述的第一压电陶瓷安装座中设置有第一压电陶瓷，所述的第二压电陶瓷安装座中设置有第二压电陶瓷，所述的第三压电陶瓷安装座中设置有第三压电陶瓷，所述的第四压电陶瓷安装座中设置有第四压电陶瓷，所述的第一压电陶瓷和所述的第三压电陶瓷沿所述的刀具安装架中心对称且用于驱动所述的刀具安装架沿X向移动，所述的第二压电陶瓷和所述的第四压电陶瓷沿所述的刀具安装架中心对称且用于驱动所述的刀具安装架沿Y向移动，所述的刀具安装架的左、右两侧通过柔性铰链连接有X向左拉杆和X向右拉杆，所述的X向右拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向右解耦机构，所述的Y向右解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第一压电陶瓷安装座、所述的第二压电陶瓷安装座相连接，所述的第一压电陶瓷与所述的Y向右解耦机构之间设置有X正向位移放大机构，所述的X向左拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向左解耦机构，所述的Y向左解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第三压电陶瓷安装座、所述的第四压电陶瓷安装座相连接，所述的第三压电陶瓷与所述的Y向左解耦机构之间设置有X负向位移放大机构，所述的刀具安装架的前、后两侧通过柔性铰链连接有Y向前拉杆和Y向后拉杆，所述的Y向前拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向前解耦机构，所述的X向前解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第二压电陶瓷安装座、所述的第三压电陶瓷安装座相连接，所述的第二压电陶瓷与所述的X向前解耦机构之间设置有Y正向位移放大机构，所述的Y向后拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向后解耦机构，所述的X向后解耦机构的的两端分别通过柔性铰链与所述的第一压电陶瓷安装座、所述的第四压电陶瓷安装座相连接，所述的第四压电陶瓷与所述的X向后解耦机构之间设置有Y负向位移放大机构。

进一步地，所述的Y向右解耦机构、所述的Y向左解耦机构、所述的X向前解耦机构、所述的X向后解耦机构的结构均相同，均包括连接块和四根连杆，四根所述的连杆的端部均与所述的连接块通过柔性铰链相连接，四根所述的连杆两两平行且对称地设置在所述的连接块的两侧，所述的Y向右解耦机构中的连接块与所述的X向右拉杆通过柔性铰链相连接，所述的Y向右解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座、第二压电陶瓷安装座相连接，所述的Y向左解耦机构中的连接块与所述的X向左拉杆通过柔性铰链相连接，所述的Y向左解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第三压电陶瓷安装座、第四压电陶瓷安装座相连接，所述的X向前解耦机构中的连接块与所述的Y向前拉杆通过柔性铰链相连接，所述的X向前解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第二压电陶瓷安装座、第三压电陶瓷安装座相连接，所述的X向后解耦机构中的连接块与所述的Y向后拉杆通过柔性铰链相连接，所述的X向后解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座、第四压电陶瓷安装座相连接。

进一步地，所述的X正向位移放大机构、所述的X负向位移放大机构、所述的Y正向位移放大机构、所述的Y负向位移放大机构的结构均相同，均包括一级位移放大机构和二级位移放大机构，所述的一级位移放大机构与所述的二级位移放大机构均通过柔性铰链与所述的机架相连接，所述的一级位移放大机构与所述的二级位移放大机构之间通过柔性铰链相连接，所述的X正向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第一压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的X正向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的Y向右解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的X负向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第三压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的X负向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的Y向左解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的Y正向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第二压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的Y正向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的X向前解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的Y负向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第四压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的Y负向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的X向后解耦机构通过柔性铰链相连接。

进一步地，所述的一级位移放大机构为第一位移驱动块，所述的二级位移放大机构包括第二位移驱动块和位移连接块，所述的第一位移驱动块的一端与所述的机架通过柔性铰链相连接，所述的第一位移驱动块的另一端与所述的第二位移驱动块的一端通过柔性铰链相连接，同侧，所述的第一位移驱动块与所述的第一压电陶瓷、所述的第二压电陶瓷、所述的第三压电陶瓷或所述的第四压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的第二位移驱动块的另一端通过柔性铰链与所述的Y向右解耦机构、所述的Y向左解耦机构、所述的X向前解耦机构或所述的X向后解耦机构相连接，所述的位移连接块的一端与所述的机架通过柔性铰链相连接，所述的位移连接块的另一端与所述的第二位移驱动块通过柔性铰链相连接。

与现有技术相比，本发明的优点是由于刀具安装架在X和Y方向的进刀和退刀运动都由压电陶瓷驱动，且通过四个位移放大机构实现两个方向的二次位移放大，使得安装在刀具安装架上的刀具具有高频响、大行程，即可满足高精度的光学零件的表面加工，又对微米级的零件加工具有较大的可加工尺寸，其适用范围较广；此外，由于该伺服刀架沿刀具安装架呈中心对称设置，使得整个结构简单且紧凑，降低了加工难度。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的X正向位移放大机构的结构示意图。

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，一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，包括机架1、刀具安装架2、第一压电陶瓷安装座3、第二压电陶瓷安装座4、第三压电陶瓷安装座5和第四压电陶瓷安装座6，第一压电陶瓷安装座3中设置有第一压电陶瓷31，第二压电陶瓷安装座4中设置有第二压电陶瓷41，第三压电陶瓷安装座5中设置有第三压电陶瓷51，第四压电陶瓷安装座6中设置有第四压电陶瓷61，第一压电陶瓷31和第三压电陶瓷51沿刀具安装架2中心对称且用于驱动刀具安装架2沿X向移动，第二压电陶瓷41和第四压电陶瓷61沿刀具安装架2中心对称且用于驱动刀具安装架2沿Y向移动，刀具安装架2的左、右两侧通过柔性铰链连接有X向左拉杆21和X向右拉杆22，X向右拉杆22的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向右解耦机构7，Y向右解耦机构7包括连接块71和四根连杆72，四根连杆72的端部均与连接块71通过柔性铰链相连接，四根连杆72两两平行且对称地设置在连接块71的两侧，连接块71与X向右拉杆22通过柔性铰链相连接，连杆72的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座3、第二压电陶瓷安装座4相连接，第一压电陶瓷31与Y向右解耦机构7之间设置有X正向位移放大机构8，X向左拉杆21的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向左解耦机构9，Y向左解耦机构9的结构与Y向右解耦机构7的结构相同，Y向左解耦机构9中的连接块与X向左拉杆21通过柔性铰链相连接，Y向左解耦机构9中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第三压电陶瓷安装座5、第四压电陶瓷安装座6相连接，第三压电陶瓷51与Y向左解耦机构9之间设置有X负向位移放大机构10，刀具安装架2的前、后两侧通过柔性铰链连接有Y向前拉杆23和Y向后拉杆24，Y向前拉杆23的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向前解耦机构11，X向前解耦机构11的结构与Y向右解耦机构7的结构相同，X向前解耦机构11中的连接块与Y向前拉杆23通过柔性铰链相连接，X向前解耦机构11中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第二压电陶瓷安装座4、第三压电陶瓷安装座5相连接，第二压电陶瓷41与X向前解耦机构11之间设置有Y正向位移放大机构12，Y向后拉杆24的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向后解耦机构13，X向后解耦机构13的结构与Y向右解耦机构7的结构相同，X向后解耦机构13中的连接块与Y向后拉杆24通过柔性铰链相连接， X向后解耦机构13中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座3、第四压电陶瓷安装座6相连接，第四压电陶瓷61与X向后解耦机构13之间设置有Y负向位移放大机构14。

上述实施例中，X正向位移放大机构8包括一级位移放大机构和二级位移放大机构，一级位移放大机构为第一位移驱动块81，第一位移驱动块81的一端与机架1通过柔性铰链相连接，二级位移放大机构采用Scott-Russell机构，具体包括第二位移驱动块82和位移连接块83，第一位移驱动块81的另一端与第二位移驱动块82的一端通过柔性铰链相连接，连接点标为A，同侧，第一位移驱动块81与第一压电陶瓷31通过柔性铰链相连接，第二位移驱动块82的另一端通过柔性铰链与Y向右解耦机构7中的连接块71相连接，连接点记为B，位移连接块83的一端与机架1通过柔性铰链相连接，连接点记为O，位移连接块83的另一端与第二位移驱动块82通过柔性铰链相连接，连接点记为C，其中：连接点A、B、C位于同一直线上，且连接点C位于连线AB的中点，连线OC的长度与连线AC、BC的长度相等。

X负向位移放大机构10、Y正向位移放大机构12、Y负向位移放大机构14的结构均与X正向位移放大机构8的结构相同，X负向位移放大机构10中的一级位移放大机构与第三压电陶瓷51通过柔性铰链相连接，X负向位移放大机构10中的二级位移放大机构与Y向左解耦机构9中的连接块通过柔性铰链相连接，Y正向位移放大机构12中的一级位移放大机构与第二压电陶瓷41通过柔性铰链相连接，Y正向位移放大机构12中的二级位移放大机构与X向前解耦机构11中的连接块通过柔性铰链相连接，Y负向位移放大机构14中的一级位移放大机构与第四压电陶瓷61通过柔性铰链相连接，Y负向位移放大机构14中的二级位移放大机构与X向后解耦机构13中的连接块通过柔性铰链相连接。

上述实施例中，该二自由度伺服刀架适用于零件的微米级尺寸加工，其工作原理为（以图2所显示的位置方向进行工作原理说明）：

当需要刀具进行X正向移动时，给第一压电陶瓷31施加正向电压，第一压电陶瓷31伸长，同时给第三压电陶瓷51施加相同的反向电压，第三压电陶瓷51缩短相同的位移，第一压电陶瓷31伸长推动X正向位移放大机构8中的第一位移驱动块81顺时针转动，第一位移驱动块81通过连接点A拉动第二位移驱动块82向顺时针方向旋转，第二位移驱动块82通过连接点B带动Y向右解耦机构7和X向右拉杆22，而通过Y向右解耦机构7对X向位移解耦，使得X向右拉杆22只向右移动（即X正向），同时，第三压电陶瓷51缩短带动X负向位移放大机构10中的第一位移驱动块逆时针转动，第一位移驱动块推动第二位移驱动块逆时针旋转，第二位移驱动块推动Y向左解耦机构9和X向左拉杆21，通过Y向左解耦机构9对X向位移解耦，使得X向左拉杆21只向右移动（即X正向），在X向左拉杆21和X向右拉杆22的共同作用下驱动刀具沿X正向运动，实现X向的进刀；而要实现刀具在X向的退刀时，只要对第一压电陶瓷31和第三压电陶瓷51改变电压方向即可；当需要刀具进行Y向的移动时，只要对第二压电陶瓷41和第四压电陶瓷61施加相反的电压即可，原理与X向的驱动原理相同。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，包括机架、刀具安装架、第一压电陶瓷安装座、第二压电陶瓷安装座、第三压电陶瓷安装座和第四压电陶瓷安装座，所述的第一压电陶瓷安装座中设置有第一压电陶瓷，所述的第二压电陶瓷安装座中设置有第二压电陶瓷，所述的第三压电陶瓷安装座中设置有第三压电陶瓷，所述的第四压电陶瓷安装座中设置有第四压电陶瓷，所述的第一压电陶瓷和所述的第三压电陶瓷沿所述的刀具安装架中心对称且用于驱动所述的刀具安装架沿X向移动，所述的第二压电陶瓷和所述的第四压电陶瓷沿所述的刀具安装架中心对称且用于驱动所述的刀具安装架沿Y向移动，所述的刀具安装架的左、右两侧通过柔性铰链连接有X向左拉杆和X向右拉杆，所述的X向右拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向右解耦机构，所述的Y向右解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第一压电陶瓷安装座、所述的第二压电陶瓷安装座相连接，所述的第一压电陶瓷与所述的Y向右解耦机构之间设置有X正向位移放大机构，所述的X向左拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的Y向左解耦机构，所述的Y向左解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第三压电陶瓷安装座、所述的第四压电陶瓷安装座相连接，所述的第三压电陶瓷与所述的Y向左解耦机构之间设置有X负向位移放大机构，所述的刀具安装架的前、后两侧通过柔性铰链连接有Y向前拉杆和Y向后拉杆，所述的Y向前拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向前解耦机构，所述的X向前解耦机构的两端分别通过柔性铰链与所述的第二压电陶瓷安装座、所述的第三压电陶瓷安装座相连接，所述的第二压电陶瓷与所述的X向前解耦机构之间设置有Y正向位移放大机构，所述的Y向后拉杆的端部通过柔性铰链连接有与其相垂直的X向后解耦机构，所述的X向后解耦机构的的两端分别通过柔性铰链与所述的第一压电陶瓷安装座、所述的第四压电陶瓷安装座相连接，所述的第四压电陶瓷与所述的X向后解耦机构之间设置有Y负向位移放大机构；

其特征在于：所述的Y向右解耦机构、所述的Y向左解耦机构、所述的X向前解耦机构、所述的X向后解耦机构的结构均相同，均包括连接块和四根连杆，四根所述的连杆的端部均与所述的连接块通过柔性铰链相连接，四根所述的连杆两两平行且对称地设置在所述的连接块的两侧，所述的Y向右解耦机构中的连接块与所述的X向右拉杆通过柔性铰链相连接，所述的Y向右解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座、第二压电陶瓷安装座相连接，所述的Y向左解耦机构中的连接块与所述的X向左拉杆通过柔性铰链相连接，所述的Y向左解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第三压电陶瓷安装座、第四压电陶瓷安装座相连接，所述的X向前解耦机构中的连接块与所述的Y向前拉杆通过柔性铰链相连接，所述的X向前解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第二压电陶瓷安装座、第三压电陶瓷安装座相连接，所述的X向后解耦机构中的连接块与所述的Y向后拉杆通过柔性铰链相连接，所述的X向后解耦机构中的连杆的端部分别通过柔性铰链与其对应端的第一压电陶瓷安装座、第四压电陶瓷安装座相连接。

2.如权利要求1所述的一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，其特征在于：所述的X正向位移放大机构、所述的X负向位移放大机构、所述的Y正向位移放大机构、所述的Y负向位移放大机构的结构均相同，均包括一级位移放大机构和二级位移放大机构，所述的一级位移放大机构与所述的二级位移放大机构均通过柔性铰链与所述的机架相连接，所述的一级位移放大机构与所述的二级位移放大机构之间通过柔性铰链相连接，所述的X正向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第一压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的X正向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的Y向右解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的X负向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第三压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的X负向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的Y向左解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的Y正向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第二压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的Y正向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的X向前解耦机构通过柔性铰链相连接，所述的Y负向位移放大机构中的一级位移放大机构与所述的第四压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的Y负向位移放大机构中的二级位移放大机构与所述的X向后解耦机构通过柔性铰链相连接。

3.如权利要求2所述的一种具有大行程高频响的二自由度伺服刀架，其特征在于：所述的一级位移放大机构为第一位移驱动块，所述的二级位移放大机构包括第二位移驱动块和位移连接块，所述的第一位移驱动块的一端与所述的机架通过柔性铰链相连接，所述的第一位移驱动块的另一端与所述的第二位移驱动块的一端通过柔性铰链相连接，同侧，所述的第一位移驱动块与所述的第一压电陶瓷、所述的第二压电陶瓷、所述的第三压电陶瓷或所述的第四压电陶瓷通过柔性铰链相连接，所述的第二位移驱动块的另一端通过柔性铰链与所述的Y向右解耦机构、所述的Y向左解耦机构、所述的X向前解耦机构或所述的X向后解耦机构相连接，所述的位移连接块的一端与所述的机架通过柔性铰链相连接，所述的位移连接块的另一端与所述的第二位移驱动块通过柔性铰链相连接。