CN111152068A - 一种谐振式力感知快速刀具伺服系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，包括后支座、中间基体、快速刀具伺服导向机构和多个石英音叉，所述后支座固定连接于中间基体的后侧，所述中间基体内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构的输出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的装刀平台，所述多个石英音叉安装于敏感刀架的至少两个相对的表面。本发明将石英音叉的谐振式测力原理应用到快速刀具伺服上，丰富了力感知快速刀具伺服的测力原理，实现三轴切削力的鲁棒性测量。

Description

一种谐振式力感知快速刀具伺服系统
技术领域
本发明属于先进光学制造技术领域，涉及一种力感知快速刀具伺服装置，特别是涉及一种谐振式力感知快速刀具伺服系统。
背景技术
20世纪60年代发展起来的金刚石车削技术开创了超精密加工的新领域。金刚石车削是在精密车床上用具有非常锋利刃口的单点金刚石刀具在非常精确的机器和环境条件下制造精密零件。与正常情况下的切削加工相比，金刚石车削可以直接实现光学表面光洁度且不需要后续的研磨和抛光处理，从而提高了加工效率，降低了加工成本。采用快速刀具伺服技术，可以高精度加工复杂的曲面形状。快速刀具伺服是一种能高效制造光学自由曲面或具有亚微米级形状精度和纳米级表面光洁度微观结构的加工技术。其核心技术影响着自由曲面的加工能力和加工精度，因此受到了国内外学者广泛的研究和关注。这些技术概括为FTS结构的设计、先进的控制算法、刀具路径规划、加工状态监测和表面测量及误差补偿。
在微纳切削领域，切削力作为切削时外部显性信号直接反应了材料去除机理甚至亚表面损伤。如在光学晶体材料纳米切削中，切削力作为一个比传统金属切削更为重要的参数，反映了切削过程中材料的复杂相变、材料的脆塑转变等，对切削机理的深入研究需要进行切削力的精确测量。
在车削过程中，切削刀具通过在工件上施加切削力来去除材料以产生所需的形状。因此，切削力是反映加工过程的一个基本参数，切削力的测量一直是实际应用和科学研究中所需要的。切削力的变化直接反映了刀具与工件相互作用规律的变化。如：刀具磨损或刀具破损可能在加工过程中增大加工系统的切削力和振动，导致加工表面粗糙度差、损失形状和尺寸精度，甚至在加工表面上留下振动痕迹。为了避免这种制造缺陷或刀具损坏，研究学者设计和开发了系列用于切削力测量的高精度和宽带宽测量工具。然而仍存在一些主要限制：(1)它们的成本高昂；(2)在严苛的生产环境中可靠性难以保证；(3)大小和重量较大，测力计不适用于布局受限的机器和加工系统布置；(4)刀具刚度的降低，测力计也会干扰加工系统切削加工过程和性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，基于双端固定石英音叉的谐振频率与其轴向受力近似线性相关的测力原理，将基于石英音叉的谐振式力传感单元集成到快速刀具伺服上，实现三轴切削力的鲁棒性测量。
本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，包括后支座、中间基体、快速刀具伺服导向机构和多个石英音叉，所述后支座固定连接于中间基体的后侧，所述中间基体内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构的输出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的装刀平台，所述多个石英音叉安装于敏感刀架的至少两个相对的表面。
优选地，所述快速刀具伺服导向机构还包括四组交叉布置的平行四边形机构、中间运动平台，所述中间运动平台位于四组交叉布置的平行四边形机构的中间。
优选地，每组平行四边形机构包括多个直圆形柔性铰链和至少两个直梁形柔性铰链，每个直梁形柔性铰链的外端和内端分别连接一个直圆形柔性铰链，位于直梁形柔性铰链内端的直圆形柔性铰链与所述中间运动平台连接。
优选地，相邻两组平行四边形机构垂直布置。
优选地，所述敏感刀架的后部与所述中间运动平台连接。
优选地，所述压电驱动器的前端与所述中间运动平台的后端接触。
优选地，所述石英音叉数量为四个，分别安装于敏感刀架的四个表面的中轴线上。
优选地，还包括石英音叉保护罩，所述石英音叉保护罩用于将所述石英音叉罩于其内部。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：1)无需外接力传感器，可以按照特定需求设计使得结构紧凑，实现测力、切削功能的集成；2)将石英音叉的谐振式测力原理应用到快速刀具伺服上，丰富了力感知快速刀具伺服的测力原理，实现三轴切削力的鲁棒性测量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明谐振式力感知快速刀具伺服系统的结构示意图；
图2是谐振式力感知快速刀具伺服系统剖视图。
图3是快速刀具伺服导向机构结构示意图。
图4是石英谐振式力传感器工作原理图。
图5是双端固定石英音叉横向弯曲振动模态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
针对快速刀具伺服微切削工作状态，本发明提出了一种交叉平行四边形柔性导向的单自由度压电驱动快速刀具伺服机构。如图1所示为力感知快速刀具伺服系统装配后的立体结构图，图2所示为其剖视图，图中：1为后支座，用于装置的固定及压电驱动器的预紧；2为中间基体，用于装置的连接与固定；3为快速刀具伺服导向机构；4为双端固定石英音叉的保护罩，对石英音叉10起一定保护作用。如图3所示，快速刀具伺服导向机构3由四组交叉布置的平行四边形机构组成，图中：5为直圆形柔性铰链；7为直梁形柔性铰链；8为伸出的敏感刀架；9为装刀平台，位于敏感刀架前端，用于金刚石刀具的安装；6为中间运动平台，其与敏感刀架串联连接，所述后支座1固定连接于中间基体2的后侧，所述中间基体2内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座1预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构3的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构3的输出端包括伸出的敏感刀架8和位于敏感刀架8前部的装刀平台9，所述多个石英音叉10安装于敏感刀架8的至少两个相对的表面。
图4所示为简化了的石英谐振式力传感器的工作原理图，此时并没有考虑快速刀具伺服机构，仅考虑传统车削加工，刀架可以近似视为悬臂梁结构，其截面为矩形。基于欧拉-伯努利梁理论，梁受弯矩作用时其中性层不发生变形，于是采用四片双端固定石英音叉分别贴在刀架四个侧面的中轴线上，以期减小石英音叉粘贴位置偏移引起的测力串扰。
(a)在背吃刀力Ft的作用下，刀架整体受压承受正应力，四片双端固定石英音叉均受到轴向压力，音叉的谐振频率会降低，频率的变化值与所受压力成比例。
(b)在主切削力Fc作用下，石英音叉1(Tuning Fork 1，简称TF1)受到轴向拉力，谐振频率会增大，与此同时，石英音叉3(TF3)受到等值的轴向压力，谐振频率会减小，将石英音叉1与石英音叉3的谐振频率的变化值进行差分(ΔfTFh-ΔfTF3)就可以得到两倍的谐振频率变化值，这对于转换主切削力的变化较为有益。
(c)在进给力Ff作用下，石英音叉2(TF2)受到轴向拉力，谐振频率会增大，与此同时，石英音叉4(TF4)受到等值的轴向压力，谐振频率会减小，将石英音叉2与石英音叉4的谐振频率的变化值进行差分(ΔfTF2-ΔfTF4)就可以得到两倍的频率变化值用于线性表征进给力的变化。
双底座型的结构能够为音叉谐振器的内部提供良好的动态平衡,石英音叉的两个叉齿的横向弯曲振动相差180°，如图5所示为双端固定石英音叉横向弯曲振动模态图。因此分布在叉齿两端用于固定音叉的基体所受到的动态力是数值相等方向相反的一对力偶。由此对耦合到与音叉相连结构的振动能量比较小，小到忽略不计，使得品质因数(Q值)极高。同时，在实际应用中可以省掉比较笨重的振动隔离系统而不影响快速刀具伺服本体功能。双底座型石英音叉谐振器的谐振频率近似线性的敏感依赖于轴向力(或称纵向力)。
针对谐振式力感知快速刀具伺服装置，本发明可在快速刀具伺服工作时测出其与工件作用所受的力，通过以下方式实现：首先对谐振式力传感器进行静态标定：通过砝码施加作用力，得到刀尖受力与各片石英音叉谐振频率变化之间的比例关系；然后就可以使用标定后的谐振式力感知快速刀具伺服装置在其工作时实时感知刀具所受作用力的大小。
本发明还可以在设计时优化选取铰链部分和伸出刀架部分的关键结构参数，以权衡大行程-高固有频率和高测力分辨率-高输出刚度之间的矛盾，从而按照特定应用需求来设计结构使得结构紧凑，实现测力、切削功能的集成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，包括后支座(1)、中间基体(2)、快速刀具伺服导向机构(3)和多个石英音叉(10)，所述后支座(1)固定连接于中间基体(2)的后侧，所述中间基体(2)内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座(1)预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构(3)的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构(3)的输出端包括伸出的敏感刀架(8)和位于敏感刀架(8)前部的装刀平台(9)，所述多个石英音叉(10)安装于敏感刀架(8)的至少两个相对的表面。
2.根据权利要求1所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，所述快速刀具伺服导向机构(3)还包括四组交叉布置的平行四边形机构、中间运动平台(6)，所述中间运动平台(6)位于四组交叉布置的平行四边形机构的中间。
3.根据权利要求2所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，每组平行四边形机构包括多个直圆形柔性铰链(5)和至少两个直梁形柔性铰链(7)，每个直梁形柔性铰链(7)的外端和内端分别连接一个直圆形柔性铰链(5)，位于直梁形柔性铰链(7)内端的直圆形柔性铰链(5)与所述中间运动平台(6)连接。
4.根据权利要求3所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，相邻两组平行四边形机构垂直布置。
5.根据权利要求3所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，所述敏感刀架(8)的后部与所述中间运动平台(6)连接。
6.根据权利要求3所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，所述压电驱动器的前端与所述中间运动平台(6)的后端接触。
7.根据权利要求1-6任一项所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，所述石英音叉(10)数量为四个，分别安装于敏感刀架(8)的四个表面的中轴线上。
8.根据权利要求7所述的谐振式力感知快速刀具伺服系统，其特征在于，还包括石英音叉保护罩(4)，所述石英音叉保护罩(4)用于将所述石英音叉(10)罩于其内部。
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