CN112276639A - 一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，包括：后固定板垂直固定在基座的后端，音圈电机定子部分的后端垂直固定在后固定板上，音圈电机定子部分的中心轴线与基座平行。音圈电机动子部分连接在音圈电机定子部分的前端，前固定板固定在音圈电机动子部分的前端，前固定板与基座垂直。宏动平台的后端固定在前固定板的下端，微动平台固定在宏动平台的上表面。导轨固定在宏动平台下方的基座上，导轨垂直于前固定板。宏动平台卡在导轨上，宏动平台侧面设置有锁紧装置，以便于需要时将宏动平台定位在导轨上。该装置具有单个自由度上宏动、微动调节两种驱动方式，整个装置具有大驱动行程、高定位精度、高解耦特性、刚度可调、快速响应等优点。
Description
技术领域
本发明涉及快刀伺服装置技术领域，尤其涉及一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着科学技术的进步发展，对于应用于光学激光、光纤通讯、空间研究等领域中的光学元件精度要求不断提升，然而此类精密元件具有不规则变化特征、没有固定的回转中心、形状复杂且对加工精度的要求极高。因此，针对精密复杂形面加工的快刀伺服装置得到了越来越多的关注。
现有的快刀伺服装置可以分为压电陶瓷驱动器型以及音圈电机驱动器型。压电陶瓷驱动器拥有响应速度快、加速度高、分辨率高的特点，能够满足快刀伺服系统的高频响、高精度加工要求，但一般压电陶瓷驱动器的驱动力较小进而导致整个装置的行程一般在微米级别，不能够满足快刀伺服系统毫米级的行程要求。音圈电机驱动器则可以对刀具实现大行程的运动，但是在单独使用过程中存在惯性大、精度低等弊端现象。综上，本发明人认为：同时具有大行程、高精度、快速响应等特点的快刀伺服装置是当前精密光学元件制造领域的主要研究方向，具有重要的工程实践价值。
发明内容
针对上述存在的不足，本发明提供一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，该装置具有单个自由度上宏动、微动调节两种驱动方式，整个装置具有大驱动行程、高定位精度、高解耦特性、刚度可调、快速响应等优点。为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段如下所述。
一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，包括：基座、音圈电机定子部分、音圈电机动子部分、前固定板、宏动平台、微动平台、导轨和后固定板。其中，所述后固定板垂直固定在基座的后端，所述音圈电机定子部分的后端垂直固定在后固定板上，且音圈电机定子部分的中心轴线与基座平行。所述音圈电机动子部分连接在音圈电机定子部分的前端，所述前固定板固定在音圈电机动子部分的前端，且前固定板与基座垂直。所述宏动平台的后端固定在前固定板的下端，所述微动平台固定在宏动平台的上表面。所述导轨固定在宏动平台下方的基座上，且导轨垂直于前固定板，且导轨为两组，其对称分布在基座的两侧。所述宏动平台卡合在导轨上，且宏动平台能够在导轨上滑动，宏动平台侧面设置有锁紧装置，以便于需要时将宏动平台定位在导轨上。
进一步地，所述微动平台包括：微动平台框架，两级杠杆放大机构、第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器、切削刀具和刀具载物台。其中：所述微动平台框架固定在宏动平台的上表面，所述刀具载物台的尾端固定在微动平台框架的前端且两者垂直，所述切削刀具固定在刀具载物台的前端。所述两级杠杆放大机构固定在微动平台框架的内侧，所述所述第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器均连接在两级杠杆放大机构与微动平台框架之间。且两级杠杆放大机构与刀具载物台位于微动平台框架的同一条边的两侧。
进一步地，所述两级杠杆放大机构由两个L型的杠杆放大机构串联而成，两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架共同形成方形结构。所述第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器分别连接在两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架之间。微动平台内采用两级杠杆放大机构对压电陶瓷产生的位移进行放大；同时采用对称分布的双压电陶瓷驱动结构，减少了平台运动时的耦合，更好的保证了平台的输出特性。
进一步地，所述微动平台框架的四角及框架底部开有螺栓孔，通过螺栓连接将微动平台固定在宏动平台上，且微动平台框架的前端与宏动平台的前端平行对齐，将切削刀具伸出微动平台框架的前端。
进一步地，所述基座为矩形平板结构，基座固定在工作平面上，其余的快刀伺服部件均安装在此基座上。
进一步地，所述所述的宏动平台为一矩形平板结构，安装在两条导轨上，沿导轨运动。
进一步地，所述宏动平台的板面的后端两角开有螺栓孔，所述前固定板的下部两角开有螺栓孔，通过所述螺栓孔与螺栓的连接实现宏动平台与前固定板的固定。
进一步地，所述导轨为直线交叉滚子导轨，导轨上等距开有螺栓孔，通过螺栓固定在基座的前端，两条导轨对称分布在基座的左右两侧位置。
进一步地，所述后固定板为矩形平板结构，其通过螺栓固定在基座上。
进一步地，所述音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为动子(即音圈电机定子部分)，电磁部分作为定子(音圈电机动子部分)，所述的动子与定子间有间隙。
与现有技术相比，本发明取得的有益技术效果主要包括以下几部分：
(1)本发明的快刀伺服装置不仅通过音圈电机驱动导轨实现了大行程位移，而且通过压电陶瓷驱动位移平台实现高精度的运动，两者使用独立驱动器进行驱动，互不干扰，可以单独或是相互配合实现多种运动形式，而且这种采用微动平台固定在宏动平台上的安装方式，减少了装置在宏动与微动之间的运动耦合，确保了运动的精确性。
(2)本发明中微动平台采用双压电陶瓷对称驱动的方式，避免了寄生位移的产生。同时，采用两节杠杆放大机构，对压电陶瓷的位移进行精确放大，实现了微动平台纳米级分辨率的同时，保证了微动平台运动的精度。
(3)本发明中的快刀伺服装置克服了目前以压电陶瓷为驱动的小行程的快刀伺服装置存在的诸多不足，使其能够兼备跨尺度的大行程运动和精密运动，应用范围更加广阔。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例中宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置三维结构示意图。
图2为实施例中宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置的主视图。
图3为实施例中宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置的右视图。
图4为实施例中微动平台的结构示意图。
图5为实施例中微动平台的左视图。
上述附图中标记分别代表：1-基座、2-音圈电机定子部分、3-音圈电机动子部分、4-前固定板、5-宏动平台、6-微动平台、7-导轨、8-后固定板、501-锁紧装置、601-微动平台框架，602-两级杠杆放大机构、603-第一压电陶瓷驱动器、604-第二压电陶瓷驱动器、605-切削刀具、606-刀具载物台。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”“前”、“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1-3，示例一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其主要包括：基座1、音圈电机定子部分2、音圈电机动子部分3、前固定板4、宏动平台5、微动平台6、导轨7和后固定板8。其中：
所述基座1为矩形平板结构，基座固定在工作平面上，其余的快刀伺服部件均安装在此基座上。所述后固定板8为矩形平板结构，其通过螺栓垂直固定在基座1的后端。
所述音圈电机定子部分2的后端垂直固定在后固定板8上，且音圈电机定子部分2的中心轴线与基座1平行。所述音圈电机动子部分3连接在音圈电机定子部分2的前端。在本实施例中，所述音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为动子(即音圈电机定子部分2)，电磁部分作为定子(音圈电机动子部分3)，所述的动子与定子间有间隙。
所述前固定板4固定在音圈电机动子部分3的前端，且前固定板4与基座1垂直。所述宏动平台5为一矩形平板结构，其后端固定在前固定板4的下端，宏动平台5的板面的后端两角开有螺栓孔，所述前固定板4的下部两角开有螺栓孔，通过该螺栓孔与螺栓的连接实现宏动平台5与前固定板4的固定。音圈电机动子部分3推动前固定板4，进而带动宏动平台5沿导轨7进行运动，实现快刀伺服装置的大行程运动过程。
所述微动平台6固定在宏动平台5的上表面。所述导轨7固定在宏动平台5下方的基座1上，且导轨7垂直于前固定板4，所述导轨7为直线交叉滚子导轨，导轨上等距开有螺栓孔，通过螺栓固定在基座的前端，两条导轨对称分布在基座的左右两侧位置。所述宏动平台5卡合在导轨7上，且宏动平台5能够在导轨7上滑动，宏动平台5侧面设置有锁紧装置501，以便于需要时使宏动平台5顶住导轨7，实现宏动平台5的自锁。
所述微动平台6固定在宏动平台5的上表面上，当单独驱动音圈电机时，微动平台6做跟随运动，同时对微动平台6进行驱动时，整个快刀伺服做宏微双驱运动，且宏动和微动两部分运动相互独立，不产生干扰，消除了两者进行运动时的误差。
具体地，参考图4和图5，所述微动平台6包括：微动平台框架601，两级杠杆放大机构602、第一压电陶瓷驱动器603、第二压电陶瓷驱动器604、切削刀具605和刀具载物台606。其中：所述微动平台框架601固定在宏动平台5的上表面，所述刀具载物台606的尾端固定在微动平台框架601的前端且两者垂直，所述切削刀具605固定在刀具载物台606的前端。所述两级杠杆放大机构602固定在微动平台框架601的内侧，所述所述第一压电陶瓷驱动器603、第二压电陶瓷驱动器604均连接在两级杠杆放大机构602与微动平台框架601之间。且两级杠杆放大机构602与刀具载物台606位于微动平台框架601的同一条边的两侧。
所述两级杠杆放大机构602由两个L型的杠杆放大机构串联而成，两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架601共同形成方形结构。所述第一压电陶瓷驱动器603、第二压电陶瓷驱动器604分别连接在两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架601之间。通过第一压电陶瓷驱动器603和第二压电陶瓷驱动器604进行驱动，使刀具载物台606产生同宏动方向一致的水平位移，进行精确的刀具定位。两级杠杆放大机构对压电陶瓷驱动器产生的位移进行放大；同时采用对称分布的双压电陶瓷驱动结构能够有效减少平台运动时的耦合，更好地保证平台的输出特性。
所述微动平台框架601的四角及框架底部开有螺栓孔，通过螺栓连接将微动平台6固定在宏动平台5上，且微动平台框架601的前端与宏动平台5的前端平行对齐，将切削刀具605伸出微动平台框架601的前端。刀具安装在宏动平台5的刀具载物台606上，通过放大机构输出实现精密位移运动，实现精密切削工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (10)
1.一种宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，包括：
基座；
后固定板，其垂直固定在基座的后端；
音圈电机定子部分，其后端垂直固定在所述后固定板上，且音圈电机定子部分的中心轴线与所述基座平行；
音圈电机动子部分，其连接在所述音圈电机定子部分的前端；
前固定板，其固定在音圈电机动子部分的前端，前固定板与所述基座垂直；
宏动平台，其后端固定在所述前固定板的下端，
微动平台，其固定在所述宏动平台的上表面；
导轨，其固定在所述宏动平台下方的基座上，导轨垂直于前固定板；
所述导轨为两组，其对称分布在所述基座的两侧；
所述宏动平台卡合在导轨上，且宏动平台能够在导轨上滑动；以及
锁紧装置，其连接在宏动平台侧面。
2.根据权利要求1所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述微动平台包括：
微动平台框架，其固定在所述宏动平台的上表面；
刀具载物台；其尾端固定在所述微动平台框架的前端，且两者垂直；
切削刀具，其固定在所述刀具载物台的前端；
两级杠杆放大机构，其固定在所述微动平台框架的内侧；
第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器，两个所述驱动器均连接在所述两级杠杆放大机构与微动平台框架之间，且两级杠杆放大机构与刀具载物台位于微动平台框架的同一条边的两侧。
3.根据权利要求2所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述两级杠杆放大机构由两个L型的杠杆放大机构串联而成，两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架共同形成方形结构；其中,所述第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器分别连接在两个L型的杠杆放大机构与微动平台框架之间。
4.根据权利要求2所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述微动平台框架的四角及框架底部开有螺栓孔，通过螺栓连接将微动平台固定在宏动平台上，且微动平台框架的前端与宏动平台的前端平行对齐，切削刀具伸出微动平台框架的前端。
5.根据权利要求1所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述宏动平台的板面的后端两角开有螺栓孔，所述前固定板的下部两角开有螺栓孔，通过该螺栓孔与螺栓的连接实现宏动平台与前固定板的固定。
6.根据权利要求1所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述导轨为直线交叉滚子导轨，导轨上等距开有螺栓孔，通过螺栓固定在基座的前端，两条导轨对称分布在基座的左右两侧位置。
7.根据权利要求1所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为动子，电磁部分作为定子，所述的动子与定子间有间隙。
8.根据权利要求1-7任一项所述的宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述基座为矩形平板结构，基座固定在工作平面上。
9.根据权利要求1-7任一项宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述宏动平台为一矩形平板结构，安装在两条导轨上。
10.根据权利要求1-7任一项宏微双驱式大行程高精度快刀伺服装置，其特征在于，所述后固定板为矩形平板结构，其通过螺栓固定在基座上。
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