CN111890128A - 一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，涉及超精密加工技术领域，其包括刀柄座、X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台，刀柄座内设置有用于解耦测量刀具车削力的三向测力装置，X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台的结构相同且均包括与刀柄座连接的柔性连接头，柔性连接头的两侧通过柔性铰链对称连接有位移放大机构，位移放大机构与压电驱动器连接，位移放大机构包括通过柔性铰链连接的多级放大机构，柔性连接头上设置有位移检测机构。解决了现有技术中的快刀伺服装置难以同时实现X向、Y向和Z向的大行程同步往复运动以及不具备同时检测加工过程中的切削力和运动位置导致加工质量不高的问题。

Description

一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置。

背景技术

非圆截面零件和非回转对称光学元件分别在机械工业和光电产业中得到了广泛应用，其表面轮廓非对称、形状复杂、精度要求高，传统加工方法的加工效率较低，加工精度一致性差，难以满足需求。非圆数控车削和非轴对称车削分别是加工这两类零件的有效方法，可实现零件的高效率、高精度、柔性化加工，具有显著的经济效益。这两种加工方法的一项共同关键技术是在车床上安装具有快速响应能力的快速刀具伺服(Fast Tool Servo,简称FTS)装置。

快速刀具伺服装置的工作原理是：在车削加工过程中，主轴带动工件旋转，刀具在FTS的驱动下，以与主轴转速相关联的频率沿工件径向(对于非圆车削)或轴向(对于非轴对称车削)做往复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓或非轴对称端面。在非圆数控车削中，FTS的应用实例有加工内燃机活塞轮廓、凸轮轴、凸轮、非圆轴承内轮廓等。在非轴对称车削中，金刚石作刀具在FTS驱动下车削光学元件的非轴对称表面，可加工的典型非轴对称元件包括自由曲面透镜、微镜阵列、微沟槽阵列等。

现有技术中的大多数快刀伺服系统加工自由度比较单一，仍主要以单自由度或两自由度为主，难以同时实现X向、Y向和Z向的大行程同步往复运动，难以满足高质量复杂零件的加工需求。现有技术中，能够实现无耦合的三自由度或多自由度的FTS装置很少，限制了FTS技术的广泛应用。并且，现有快刀伺服装置大多能够测量刀具末端位移量，不具备同时在线检测加工过程中的切削力和运动位置等核心信息的功能，难以全面测量刀具加工过程中的车削力，使得其控制部分难以获取足够多的即时反馈信息以用于误差补偿，导致整体上加工性能不能得到很好的保证。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，解决了现有技术中的快刀伺服装置难以同时实现X向、Y向和Z向的大行程同步往复运动以及不具备同时检测加工过程中的切削力和运动位置导致加工质量不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其包括刀柄座、X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台，刀柄座内设置有用于解耦测量刀具车削力的三向测力装置，X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台的结构相同且均包括与刀柄座连接的柔性连接头，柔性连接头的两侧通过柔性铰链对称连接有位移放大机构，位移放大机构与压电驱动器连接，位移放大机构包括通过柔性铰链连接的多级放大机构，柔性连接头上设置有位移检测机构。

本发明的有益效果为：通过设置在刀柄座内的三向测力装置能够检测刀具的切削力，三向测力装置中在X、Y、Z三个方向上的测力机构采用正交设计，能够实现三向车削力的解耦测量，测力准确度高，力的测量互不影响，从而降低了控制难度。

刀具在空间中需要的位移通过X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台共同作用，实现刀具加工过程中的三个自由度的位移误差补偿，X向驱动平台、Y向驱动平台和Z向驱动平台均采用压电驱动器产生位移，然后通过位移放大机构将传递到刀具上的位移放大，以实现大行程加工，压电驱动器的驱动推力大、定位精度高、响应速度快，能够对刀具的位移实现精准控制，同时位移放大机构内的传动采用柔性铰链，柔性铰链之间无机械摩擦、无间隙，运动灵敏度高，进一步提高了传动精度。三个方向上的驱动平台之间相互正交，并且通过柔性连接头与刀柄座连接，能够实现三个方向上的位移解耦，减小耦合的影响，使之能够在各个方向上更好地独立运动，增强了刀具的加工性，使之适应多种加工环境，并且能够实现XYZ三个方向上的位移误差补偿。柔性连接头上设置的位移检测机构能够对刀具的位移进行实时反馈，提高控制精度。

本方案中的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置结构简单、紧凑，三个方向的驱动平台采用对称并联式结构布置，谐振频率高，有利于实现高速运动控制。

附图说明

图1为三向解耦的测力型压电快刀伺服装置的立体结构示意图。

图2为X或Y或Z向驱动平台的正面图。

图3为三向测力装置的立体结构示意图。

图4为位移放大机构的结构原理图。

图5为L型杠杆放大机构和拱桥型放大机构的位移放大原理图。

图6为三向测力装置的测力原理图。

其中，1、刀柄座；2、三向测力装置；21、刀柄连接块；22、Z向弹性块；23、X向弹性块；24、Y向弹性块；3、X向驱动平台；4、Y向驱动平台；5、Z向驱动平台；6、柔性连接头；7、位移放大机构；71、L型杠杆放大机构；711、水平杆；712、竖直杆；72、拱桥型放大机构；721、中间杆；722、倾斜杆；73、直杠杆放大机构；731、上直杆；732、直梁型柔性铰链；731、下直杆；74、底座；75、门型架；8、压电驱动器；9、三轴连接块；10、壳体；11、刀柄；12、圆弧型柔性铰链。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～图3所示，该三向解耦的测力型压电快刀伺服装置包括刀柄座1、X向驱动平台3、Y向驱动平台4和Z向驱动平台5，刀柄座1内设置有用于解耦测量刀具车削力的三向测力装置2，X向驱动平台3、Y向驱动平台4和Z向驱动平台5的结构相同且均包括与刀柄座1连接的柔性连接头6，柔性连接头6的两侧通过柔性铰链对称连接有位移放大机构7，位移放大机构7与压电驱动器8连接，位移放大机构7包括通过柔性铰链连接的多级放大机构，柔性连接头6上设置有位移检测机构。X向驱动平台3、Y向驱动平台4和Z向驱动平台5通过底座74安装于壳体10中。

刀柄座1的下方固定连接有三轴连接块9，Z向驱动平台5的柔性连接头6连接于三轴连接块9的底面上，Y向驱动平台4的柔性连接头6连接于三轴连接块9的左侧面上，X向驱动平台3的柔性连接头6连接于三轴连接块9的后侧面上。

位移放大机构7包括相对设置的两个L型杠杆放大机构71，两个L型杠杆放大机构71的非支点端分别铰接于拱桥型放大机构72的两端，拱桥型放大机构72支撑于直杠杆放大机构73的中部，直杠杆放大机构73的端部柔性铰接于柔性连接头6上，L型杠杆放大机构71和直杠杆放大机构73的支点设置于底座74上。

两个L型杠杆放大机构71形成第一级位移放大，拱桥型放大机构72形成第二级位移放大，直杠杆放大机构73形成第三级位移放大，通过三级位移放大以实现刀具的大行程位移补偿，三级位移放大机构之间的空间布局紧凑，位移的放大量易于计算，降低了控制难度，提高了控制精度。

L型杠杆放大机构71包括垂直固定连接为一体的水平杆711和竖直杆712，水平杆711远离竖直杆712的一端通过柔性铰链连接于底座74的底板上形成杠杆的支点，竖直杆712远离水平杆711的一端通过柔性铰链连接于拱桥型放大机构72的端部。

两个L型杠杆放大机构71对称设置于压电驱动器8的两侧，压电驱动器8的作用端固定于门型架75的中部，门型架75的两侧柔性铰接于对应侧L型杠杆放大机构71上，具体地，门型架75置于两个竖直杆712之间且位于两个水平杆711的上方，门型架75的底面与水平杆711的顶面之间连接有圆弧型柔性铰链12，水平杆711的底面与底座74的顶面之间连接有圆弧型柔性铰链12。

拱桥型放大机构72包括支撑于直杠杆放大机构73中部的中间杆721，中间杆721的两端分别通过圆弧型柔性铰链12连接有倾斜杆722，两端的倾斜杆722相对设置于中间杆721的两侧，倾斜杆722远离中间杆721的一端通过圆弧型柔性铰链12与L型杠杆放大机构71的非支点一端连接。如果将L型杠杆放大机构71中的圆弧型柔性铰链12的安装称为竖直安装，那么在拱桥型放大机构72中的柔性铰链的安装则成为水平安装。在竖直杆712的非支点端的内侧设置有贯穿内侧面的缺口，该缺口的底面与门型架75的顶面齐平，该缺口用于安装竖直杆712与倾斜杆722连接的圆弧型柔性铰链12，倾斜杆722朝向竖直杆712的端面与竖直杆712的内侧面齐平。

直杠杆放大机构73包括平行设置的上直杆731和下直杆733，上直杆731和下直杆733的一端均通过直梁型柔性铰链732连接于底座74的侧板上，底座74的侧板为固定的竖直板，上直杆731和下直杆733的另一端均通过圆弧型柔性铰链与柔性连接头6连接，该处的圆弧型柔性铰链12与拱桥型放大机构72中圆弧型柔性铰链12的安装方向相同。直梁型柔性铰链732为直杠杆放大机构73的支点。位移检测机构包括粘贴于直梁型柔性铰链732上的应变片，该应变片为电阻应变片(SGS应变片)。

上直杆731、下直杆733、底座74的侧板和柔性连接头6构成一个平行四边形，上直杆731与下直杆733平行，柔性连接头6与底座74的侧板平行，根据平行四边形的结构特性，下直杆733在拱桥型放大机构72的上顶作用下，由于底座74的侧板始终竖直，可以保证柔性连接头6始终在竖直方向移动，不偏左也不偏右。

位移放大机构7能够放大位移的原理为：L型杠杆放大机构71构成一级L型杠杆放大，拱桥型放大机构72构成二级三角形放大，直杠杆放大机构73构成三级直杠杆放大。

如图2所示，在下述的原理描述中，各方向也是以图2和图4中所示的方向进行阐述，给压电驱动器8施加输入电压使其产生长度变化，压电驱动器8会给门型架75施加一个竖直向上的输入位移A，门型架75给两侧的水平杆711同时施加一个相等且向上的输入位移B，输入位移B向竖直上方拉动L型杠杆放大机构71，使L型杠杆绕着其支点向内侧转动，右边的L型杠杆放大机构71的输出位移C为向左上倾斜，左边的L型杠杆放大机构71的输出位移D为向右上倾斜。

在输出位移C和输出位移D的共同作用下，使拱桥型放大机构72构成的二级三角形放大中的“三角形”的两个底角向中间移动，那么“三角形”的顶角则竖直向上移动形成输出位移E。输出位移E向上抬高下直杆733，下直杆733绕着直梁型柔性铰链732处转动使柔性连接头6竖直向上移动形成最终的输出位移F。如图4所示为位移放大机构7的原理图。

如图5所示，在L型杠杆放大机构71和拱桥型放大机构72中，对杆L1施加一个位移Δy_in，L1和L2相连(L1和L2构成门型架75)，以柔性铰链为圆心，以L3为半径转动，上升Δy_in的位移之后，L3和L4组成的L型杠杆以作为其支点的底端柔性铰链为圆心，以L3和L4组成的三角型的斜边为半径进行转动，L4和L5通过柔性铰链连接，L4杆推动L5杆移动的同时，L5杆进行转动，由于拱桥型放大机构72构成的三角形放大结构是对称结构，三角形放大结构的合位移是竖直向上，此时L6的距离减小，L7的竖直分量距离变大，进行位移放大，输出位移Δy_out等于L4杆上升的位移加上L7的竖直距离增量。

三向测力装置2包括与刀柄11连接的Z向弹性块22、X向弹性块23和Y向弹性块24，Z向弹性块22、X向弹性块23和Y向弹性块24上固定有分别测Z向、X向和Y向的测力应变片。测力应变片优选PVDF(聚偏二氟乙烯)压电薄膜，施加在刀具上的力通过刀柄11传递到刀柄座1，该力的各个方向上的分力被粘贴在刀柄座1内的各方向(X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2、Z3、Z4)弹性块上的PVDF压电薄膜感知，进而经过应变信号调理电路标定和输出对应力的数值。由于弹性块之间相互正交，因此各个分力之间也相互解耦。各弹性块的材质优选铝合金AL7075。

四个Z向弹性块22沿刀柄11连接块21的四周固定连接，在X轴上的两块Z向弹性块22在其远离刀柄连接块21的一侧分别固定一个X向弹性块23，在Y轴上的两块Z向弹性块22在其远离刀柄连接块21的一侧分别固定一个Y向弹性块24。

如图6所示，到刀具加工过程中，工件作用于刀具上的力为F，可分解为(F_x,F_y,F_z)，在力的作用下，X向弹性块(X1、X2)，Y向弹性块(Y1、Y2)，Z向弹性块(Z1、Z2、Z3、Z4)都将发生变形，其变形方向如图6中的弯曲箭头所示。每个弹性体上标示的两端带箭头的直线，表示了在其上粘贴PVDF压电薄膜的方向，PVDF压电薄膜感知弯曲变形后，其输出的电信号经过放大滤波等信号调理之后可用于检测力F的大小。

Claims (10)

1.一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，包括刀柄座(1)、X向驱动平台(3)、Y向驱动平台(4)和Z向驱动平台(5)，所述刀柄座(1)内设置有用于解耦测量刀具车削力的三向测力装置(2)，所述X向驱动平台(3)、Y向驱动平台(4)和所述Z向驱动平台(5)的结构相同且均包括与所述刀柄座(1)连接的柔性连接头(6)，所述柔性连接头(6)的两侧通过柔性铰链对称连接有位移放大机构(7)，所述位移放大机构(7)与压电驱动器(8)连接，所述位移放大机构(7)包括通过柔性铰链连接的多级放大机构，所述柔性连接头(6)上设置有位移检测机构。

2.根据权利要求1所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述位移放大机构(7)包括相对设置的两个L型杠杆放大机构(71)，两个所述L型杠杆放大机构(71)的非支点端分别铰接于拱桥型放大机构(72)的两端，所述拱桥型放大机构(72)支撑于直杠杆放大机构(73)的中部，所述直杠杆放大机构(73)的端部柔性铰接于所述柔性连接头(6)上，所述L型杠杆放大机构(71)和所述直杠杆放大机构(73)的支点设置于底座(74)上。

3.根据权利要求2所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述L型杠杆放大机构(71)包括垂直固定连接的水平杆(711)和竖直杆(712)，所述水平杆(711)远离所述竖直杆(712)的一端通过柔性铰链连接于所述底座(74)上，所述竖直杆(712)远离所述水平杆(711)的一端通过柔性铰链连接于所述拱桥型放大机构(72)的端部。

4.根据权利要求2所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，两个所述L型杠杆放大机构(71)对称设置于所述压电驱动器(8)的两侧，所述压电驱动器(8)的作用端固定于门型架(75)的中部，所述门型架(75)的两侧柔性铰接于对应侧L型杠杆放大机构(71)上。

5.根据权利要求2所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述拱桥型放大机构(72)包括支撑于所述直杠杆放大机构(73)中部的中间杆(721)，所述中间杆(721)的两端分别通过柔性铰链连接有倾斜杆(722)，两端的倾斜杆(722)相对设置于所述中间杆(721)的两侧，所述倾斜杆(722)远离所述中间杆(721)的一端通过柔性铰链与所述L型杠杆放大机构(71)的非支点一端连接。

6.根据权利要求2所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述直杠杆放大机构(73)包括平行设置的上直杆(731)和下直杆(733)，所述上直杆(731)和所述下直杆(733)的一端均通过直梁型柔性铰链(732)连接于所述底座(74)上，所述上直杆(731)和所述下直杆(733)的另一端均通过圆弧型柔性铰链与所述柔性连接头(6)连接。

7.根据权利要求6所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述位移检测机构包括粘贴于所述直梁型柔性铰链(732)上的应变片。

8.根据权利要求1所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述三向测力装置(2)包括与刀柄连接的Z向弹性块(22)、X向弹性块(23)和Y向弹性块(24)，所述Z向弹性块(22)、X向弹性块(23)和所述Y向弹性块(24)上固定有分别测Z向、X向和Y向的测力应变片。

9.根据权利要求8所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，四个所述Z向弹性块(22)沿刀柄连接块(21)的四周固定连接，在X轴上的两块所述Z向弹性块(22)在其远离所述刀柄连接块(21)的一侧分别固定一个所述X向弹性块(23)，在Y轴上的两块所述Z向弹性块(22)在其远离所述刀柄连接块(21)的一侧分别固定一个所述Y向弹性块(24)。

10.根据权利要求1所述的三向解耦的测力型压电快刀伺服装置，其特征在于，所述刀柄座(1)的下方固定连接有三轴连接块(9)，所述Z向驱动平台(5)的所述柔性连接头(6)连接于所述三轴连接块(9)的底面上，所述Y向驱动平台(4)的所述柔性连接头(6)连接于所述三轴连接块(9)的左侧面上，所述X向驱动平台(3)的所述柔性连接头(6)连接于所述三轴连接块(9)的后侧面上。

Images