CN111791079B - 基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统，包括基座，设于基座内的音圈电机，通过第一连接部与音圈电机线圈连接的刀具安装座，以及通过设于音圈电机中心处的导轴与所述第一连接部连接的光栅测量装置，第一连接部包括第一柔性铰链和第二柔性铰链，以及位于第一柔性铰链与第二柔性铰链之间的第一连接件，和位于第二柔性铰链与音圈电机线圈之间的第二连接件，所述刀具安装座、第一柔性铰链、第一连接件、第二柔性铰链、第二连接件和导轴的一端由第一水平螺钉同轴串通连接；第一柔性铰链和第二柔性铰链为形状相同的薄片状十字结构，且十字臂的端部与所述基座固定连接。本发明提高了系统在加工过程中的轴向和侧向精度。

Description

基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统
技术领域
本发明涉及一种快刀伺服装置，具体涉及一种基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统。
背景技术
超精密切削技术是信息电子、光学、航空航天等领域关键部件表面微结构的重要加工手段之一。其借助金刚石刀具具有锋利切削刃、硬度高、耐磨性好、能实现超薄切削厚度等特点，具有可以加工超光滑(表面粗糙度Ra优于10nm)、高精度(表面面形精度优于100nm)复杂表面/曲面的优势。快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)是最具有代表性的超精密加工手段。
快刀伺服技术具有高刚度、高频响和高定位精度的特点，特别适用于结构特征周期小、曲面面形复杂的三维微结构表面。同时，相比于光刻技术、飞秒激光加工技术、特种能场加工技术等，快刀伺服技术加工面形精度高、具有自由曲面制造能力和批量复制能力，在三维微结构自由曲面的加工方面具有明显的优势。
然而，随着加工材料的多样化和加工环境的极端化，各领域对于快刀伺服超精密加工系统的要求也更加严苛：在较大行程(1mm)范围内具备极高的加工精度(1nm)。目前常用的压电陶瓷驱动的快刀伺服系统由于其行程通常在几十微米而不能满足要求。而磁致伸缩的快刀伺服系统和麦克斯韦力驱动的快刀伺服系统由于具备非线性和磁致效应而难以满足超高加工精度的要求。
相比而言，电磁驱动型快刀伺服系统由于音圈电机的快速发展逐渐显露优势，其兼具大行程与高精度的特点，具备广阔的发展前景。但其仍受到传导机构的限制：用于压电陶瓷驱动的快速刀具伺服系统的柔性铰链行程小，刚度远远大于音圈电机的工作范围；气浮导轨及超精密轴承也难以满足快刀伺服加工系统对于轴向和侧向的精度要求。
因此，针对以上不足提出一种基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其将解决以下问题：
1.用于大行程快刀伺服系统的传导机构行程太小；
2.用于大行程快刀伺服系统的传导机构难以保证系统的轴向和侧向精度。
发明内容
本发明的目的是针对超精密加工系统大行程和高精度的需求，提供一种基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统，通过三个不同柔性铰链的设计，在保证系统大行程的前提下，提高机构的轴向和侧向刚度，减弱机构拉伸引起的形变与行程损失，提高系统在加工过程中的轴向和侧向精度，实现用于电磁驱动型大行程高精度快刀伺服系统的设计与开发。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统，包括基座，设于基座内的音圈电机，通过传导机构与音圈电机线圈连接的刀具安装座，以及通过设于音圈电机中心处的导轴与所述传导机构连接的位移测量机构，所述传导机构包括第一柔性铰链和第二柔性铰链，以及位于第一柔性铰链与第二柔性铰链之间的第一连接件，和位于第二柔性铰链与音圈电机线圈之间的第二连接件，所述刀具安装座、第一柔性铰链、第一连接件、第二柔性铰链、第二连接件和导轴的一端由第一水平螺钉同轴串通连接；所述第一柔性铰链和第二柔性铰链为形状相同的薄片状十字结构，且十字臂的端部与所述基座固定连接。
进一步的，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的十字臂的宽度大于铰链整体宽度的1/2。
进一步的，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的相邻的十字臂之间设有圆弧形连接部。
进一步的，所述第二连接件通过若干周向布置的水平螺钉与所述音圈电机线圈固定连接。
进一步的，所述位移测量机构包括光栅尺和设于光栅尺末端的光栅尺读数头，以及连接所述光栅尺与导轴另一端的第三柔性铰链和第三连接件，所述光栅尺、第三柔性铰链、第三连接件和导轴另一端通过第二水平螺钉串通连接；所述第三柔性铰链为薄片状十字结构，且十字臂的端部与所述基座固定连接。
进一步的，所述第三柔性铰链的十字臂的宽度小于铰链整体宽度的1/3。
进一步的，所述第三柔性铰链的厚度和轴向刚度小于第一柔性铰链和第二柔性铰链。
进一步的，所述基座上还设有用于对第三柔性铰链进行轴向限位的限位块，所述限位块位于靠近光栅尺的一侧。
进一步的，所述导轴于靠近第二连接件的一端设有台阶结构。
进一步的，所述基座包括底板和围壳，所述音圈电机的外壳通过多个螺钉与所述围壳固定连接。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
第一，本发明设计的柔性铰链满足大行程快刀伺服系统的行程和音圈电机对于传导机构的刚度要求，实现了大行程传导；
第二，该套柔性铰链的不同铰链的轴向刚度的不同削弱了导轴的形变量，保证了金刚石刀具与光栅尺轴向位移的一致性；
第三，该套柔性铰链的不同铰链的侧向刚度与挠曲刚度的比例削弱了重力导致的金刚石刀尖的侧向的偏移，保证了该套电磁驱动型大行程高精度快刀伺服系统的加工的精确性。
附图说明
图1是本发明实施例的电磁驱动型快速刀具伺服系统的结构示意图。
图2是图1中实施例正向的中心剖视图。
图3是图2中实施例沿第一柔性铰链(B-B)的剖视图。
图4是图2中实施例沿第二柔性铰链(C-C)的剖视图。
图5是图2中实施例沿第三柔性铰链(D-D)的剖视图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的实施例涉及一种以柔性铰链作为传导机构的电磁驱动型大行程高精度快刀伺服系统，适用于信息电子、航空航天、新能源、生物医疗等以超精密加工与测量产品作为关键部件的领域。
如附图1和2所示，本实施例中的以柔性铰链作为传导机构的电磁驱动型大行程高精度快刀伺服系统，包括：
基座100，其包括底板1001和围壳1002，两者通过多个螺钉固定连接。
设于围壳1002内的音圈电机，其包括音圈电机的外壳109和音圈电机线圈108。其中，音圈电机的外壳109通过多个螺钉与围壳1002固定连接，保证音圈电机运行的稳定状态。
在音圈电机的中心处，设有一通孔，该通孔内安装有导轴107。该导轴107的直径略小于音圈电机外壳的中心孔径，两端具有螺纹内孔结构。
导轴107的一端及音圈电机线圈108通过一传导机构连接刀具安装座102。该传导机构包括第一柔性铰链103和第二柔性铰链105，以及位于第一柔性铰链103与第二柔性铰链105之间的第一连接件104，和位于第二柔性铰链105与音圈电机线圈108之间的第二连接件106。其中，刀具安装座102上，第一柔性铰链103、第一连接件104、第二柔性铰链105和第二连接件106的中心处，以及导轴107的一端均设有位置/大小相匹配的通孔/螺纹孔，从而使得上述部件可由同一水平螺钉同轴串通连接起来，构成整体运动部件前端。同时，第二连接件106通过若干周向布置的水平螺钉与音圈电机线圈108固定连接。从而可由音圈电机通过该传导机构带动刀具安装座102运动。
如附图3和4所示，本实施例中，第一柔性铰链103和第二柔性铰链105为形状相同的薄片状十字结构，且十字臂的端部与围壳1002通过若干螺钉固定连接。
作为优选实施方案，第一柔性铰链103和第二柔性铰链105的十字臂的宽度大于铰链整体宽度的1/2。较宽的十字臂可以保证其轴向的刚度，同时具备了较大的侧向刚度和扭转刚度。
作为进一步的优选实施方案，第一柔性铰链103和第二柔性铰链105的相邻的十字臂之间设有圆弧形连接部。该圆弧形连接部削弱了其应力集中情况，加强了侧向和挠曲的刚度。
本实施例中，刀具安装座102上安装有金刚石刀具101，其通过竖直螺钉与刀具安装座102连接，同时刀具安装座102上设有凹台阶以对金刚石刀具101进行定位和限位。
如附图2所示，本实施例中的快刀伺服系统还包括设于后端的位移测量机构。该位移测量机构包括光栅尺112和设于光栅尺112末端的光栅尺读数头114，以及连接光栅尺112与导轴107另一端的第三柔性铰链111和第三连接件110。其中，光栅尺112、第三柔性铰链111、第三连接件110和导轴107的另一端上设有位置/大小相匹配的通孔/螺纹孔，从而使得上述部件由同一水平螺钉串通连接起来。
如附图5所示，本实施例中，第三柔性铰链111为薄片状十字结构，且十字臂的端部与围壳1002通过若干螺钉固定连接。该第三柔性铰链的设计减弱了音圈电机线圈的重力作用对于金刚石刀具的侧向偏移的作用。
作为优选实施方案，第三柔性铰链111的十字臂的宽度小于铰链整体宽度的1/3。
作为进一步的优选实施方案，第三柔性铰链111的厚度和轴向刚度小于第一柔性铰链103和第二柔性铰链105。
本实施例中，第三柔性铰链的设计减弱了导轴的受力，减弱了导轴的轴向形变，从而保证了金刚石刀具和光栅尺的轴向位移的一致性。
作为进一步的优选实施方案，本实施例中，导轴107于靠近第二连接件106的一端设有台阶结构，以减小导轴的形变。
如附图2所示，本实施例中的快刀伺服系统，在基座100上还设有用于对第三柔性铰链111进行轴向限位的限位块113。该限位块113位于靠近光栅尺112的一侧。
本实施例中的快刀伺服系统，通过三个并不完全相同的柔性铰链保证了系统的轴向和侧向稳定性，同时减弱了系统相关部件的轴向和侧向的形变。
本实施例中的快刀伺服系统在安装时，先固定音圈电机外壳，再将包括音圈电机线圈、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、导轴及其间连接件等相关运动部件装配完成，之后再将运动部件和位移测量机构/限位块等安装在固定板上，最后将系统安装在加工平台上面。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.基于柔性铰链组合机构的电磁驱动型快速刀具伺服系统，包括基座(100)，设于基座内的音圈电机，通过传导机构与音圈电机线圈(108)连接的刀具安装座(102)，以及通过设于音圈电机中心处的导轴(107)与所述传导机构连接的位移测量机构，其特征在于：所述传导机构包括第一柔性铰链(103)和第二柔性铰链(105)，以及位于第一柔性铰链(103)与第二柔性铰链(105)之间的第一连接件(104)，和位于第二柔性铰链(105)与音圈电机线圈(108)之间的第二连接件(106)，所述刀具安装座(102)、第一柔性铰链(103)、第一连接件(104)、第二柔性铰链(105)、第二连接件(106)和导轴(107)的一端由第一水平螺钉同轴串通连接；所述第一柔性铰链(103)和第二柔性铰链(105)为形状相同的薄片状十字结构，十字臂的宽度大于铰链整体宽度的1/2，且十字臂的端部与所述基座(100)固定连接；所述位移测量机构包括光栅尺(112)和设于光栅尺(112)末端的光栅尺读数头(114)，以及连接所述光栅尺(112)与导轴(107)另一端的第三柔性铰链(111)和第三连接件(110)，所述光栅尺(112)、第三柔性铰链(111)、第三连接件(110)和导轴(107)另一端通过第二水平螺钉串通连接；所述第三柔性铰链(111)为薄片状十字结构，十字臂的宽度小于铰链整体宽度的1/3，且十字臂的端部与所述基座(100)固定连接；所述第三柔性铰链(111)的厚度和轴向刚度小于第一柔性铰链(103)和第二柔性铰链(105)。
2.如权利要求1所述的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其特征在于：所述第一柔性铰链(103)和第二柔性铰链(105)的相邻的十字臂之间设有圆弧形连接部。
3.如权利要求1所述的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其特征在于：所述第二连接件(106)通过若干周向布置的水平螺钉与所述音圈电机线圈(108)固定连接。
4.如权利要求1所述的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其特征在于：所述基座(100)上还设有用于对第三柔性铰链(111)进行轴向限位的限位块(113)，所述限位块(113)位于靠近光栅尺(112)的一侧。
5.如权利要求1所述的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其特征在于：所述导轴(107)于靠近第二连接件(106)的一端设有台阶结构。
6.如权利要求1所述的电磁驱动型快速刀具伺服系统，其特征在于：所述基座(100)包括底板(1001)和围壳(1002)，所述音圈电机的外壳(109)通过多个螺钉与所述围壳(1002)固定连接。
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