一种刚度自调节快刀伺服装置
技术领域
本发明涉及精密加工技术领域,具体地说是一种刚度自调节快刀伺服装置。
背景技术
近年来随着光电子学的发展,自由曲面光学元件在航天、军事、医学、通讯等一系列科技领域中起到了关键甚至决定性的作用,已成为用于光电不可替代的关键零部件。但由于非回转对称曲面的复杂性,传统的加工工艺无法有效满足加工需求,很多新兴的加工方法也存在着较大的局限性。与其他技术对比,快刀伺服技术加工成本低、效率高、精度高、重复性好等特点,用于复杂非对称自由曲面零件上的优越性越来越明显,被认为是最有发展前途的超精密加工技术。。
刚度是衡量装置在外力作用下抵抗变形能力的大小,刚度包括静态刚度和动态刚度,非对称自由曲面加工中切削深度的变化使得切削力也是不均匀的。切削力由静态力和动态力组成,静态力只影响工件的大小,而动态力则直接影响工件的形状。如果快速刀具伺服装置的刚度很低,切削过程的误差复映效应就较为严重,会大大降低加工精度,甚至会造成切削颤振,影响到整个切削过程的稳定性。
在现有技术中,申请号为2018114536455的中国专利申请公开了一种基于磁流变体的刚度自适应快速刀具伺服装置及方法,并具体公开了以下技术内容:包括刀架固定件、金刚石刀具、刀座、线圈、压力传感器、位移输出件、传感器固定件、电容位于传感器、柱形压电陶瓷促动器、框架、磁流变弹体安装件、调节螺栓、磁流变弹体和螺钉。本技术方案通过设置磁流变体在磁场激励下刚度变化这一特性,通过压力传感器和电容位移传感器测得快速刀具伺服装置在加工过程的切削力大小和实际输出位移,计算出切削变形误差来控制线圈的通电电流大小,进而改变磁场强度,控制磁流变弹体的刚度,实现整个装置的刚度自适应在线调节。但是该技术方案中,磁流变弹性体设置在压电陶瓷的尾部,其结构本身对整体结构的刚度影响较小。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足,提供一种由音圈电机作为驱动装置的刚度自调节快刀伺服装置,该快刀伺服装置通过磁流变弹性体对装置整体的刚度变化影响更大。
本发明所采用技术方案是:
一种刚度自调节快刀伺服装置,包括整体框架和设置在整体框架内的音圈电机,所述整体框架包括刀架安装部和驱动器安装部,带有金刚石刀具的刀架安装在刀架安装部上,所述音圈电机固定安装在驱动器安装部中,音圈电机的动作元件顶在刀架安装部上,且音圈电机的动作元件与刀架安装部之间设置有传感器安装部,刀架安装部的两侧均连接有磁流变弹性体组件,所述磁流变弹性体组件包括磁流变弹性体和一对弹性梁,两个弹性梁沿刀架安装部的进给方向间隔设置,所述磁流变弹性体设置在两个弹性梁之间,两组磁流变弹性体组件的外侧连接有同一线圈支架,且线圈支架为U形,所述线圈支架上缠绕有用于激励磁流变弹性体的线圈。
作为进一步的优化,本发明所述驱动器安装部包括驱动器托架和设置在驱动器托架两侧的中间支架,所述驱动器托架为U形,且驱动器托架位于线圈支架的内侧,所述中间支架为L形,中间支架的一端连接在驱动器托架的一端,中间支架的另一端连接在弹性梁远离刀架安装部的一端,刀架安装部、两个弹性梁和中间支架的围成磁流变弹性体的安装空间,中间支架的与弹性梁平行设置的一侧与弹性梁相间隔设置,中间支架与线圈支架相平行设置的一侧设有用于线圈缠绕的间隔空间。
作为进一步的优化,本发明所述中间支架包括横和纵杆,所述横杆的厚度大于纵杆的厚度。
作为进一步的优化,本发明所述刀架安装部、弹性梁、驱动器安装部和线圈支架为一体成型。
作为进一步的优化,本发明所述整体框架的端面上设置有定位安装孔,刀架安装部的前立面上设置有刀架安装孔,驱动器托架的底部设置有音圈电机固定孔。
作为进一步的优化,本发明所述刀架安装部、两个弹性梁和中间支架围成的磁流变弹性体的安装空间的截面为平行四边形,且所述磁流变弹性体粘接在磁流变弹性体安装空间内。
作为进一步的优化,本发明所述直线驱动器为音圈电机或压电陶瓷驱动器。
本发明具有以下优点:
1、本发明磁流变弹性体设置在刀架安装部的两侧,相对于现有技术中磁流变弹性体直接对接在压电陶瓷的尾部这种串联的方式,本发明的磁流变弹性体以并联的方式设置在刀架安装部上,导致磁流变弹性体的刚度变化对装置整体的影响更大,可实现更大范围的刚度调节;
2、本发明磁流变弹性体与运动平台即刀架安装部直接对接,在加工过程中产生的振动能够被磁流变弹性体吸收,磁流变弹性体的设置形式增大了系统的阻尼,在工作过程中起到了吸振的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中描述中所需要使用的附图作简要介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明:
图1为本发明的正视示意图;
图2为本发明的立体结构示意图;
图3为本发明的工作形变示意图;
图4为本发明装置的磁通密度与系统刚度的曲线示意图;
图5为不同磁场下系统的刚度特性和频率响应曲线。
其中:1、金刚石刀具,2、刀架,3、整体框架,4、传感器安装部,5、磁流变弹性体,6、音圈电机,7、线圈,3-1、刀架安装部,3-2、第一弹性梁,3-3、第二弹性梁,3-4、中间支架,3-5、驱动器托架,3-6、线圈支架,3-7、定位安装孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定,在不冲突的情况下,本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
需要理解的是,在本发明实施例的描述中,“第一”、“第二”等词汇,仅用于区分描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性,也不能理解为指示或暗示顺序。在本发明实施例中的“多个”,是指两个或两个以上。
本发明实施例中的属于“和/或”,仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,单独存在B,同时存在A和B这三种情况。另外,本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本实施例提供一种刚度自调节快刀伺服装置,如图1和图2所示,包括整体框架3和设置在整体框架3内的音圈电机6,该处音圈电机6可替换为其他直线驱动器,如压电陶瓷驱动器。所述整体框架3包括刀架安装部3-1和驱动器安装部,刀架安装部3-1的前端立面上设置有刀架安装孔,刀架安装孔为丝孔,带有金刚石刀具1的刀架2通过螺栓固定连接在刀架安装部3-1上,所述音圈电机6固定安装在驱动器安装部中,音圈电机6的动作元件顶在刀架安装部3-1上,且音圈电机6与刀架安装部之间设置有传感器安装部4,用于安装位移传感器以及力传感器,力传感器可以设置在音圈电机6与刀架安装部3-1之间,位移传感器的动作感应元件设置在音圈电机6与刀架安装部3-1之间,跟随音圈电机6一起运动。所述驱动器安装部包括驱动器托架3-5和设置在驱动器托架3-5两侧的中间支架3-4,所述驱动器托架3-5为U形,所述中间支架3-4为L形,中间支架3-4的一端连接在驱动器托架3-5的端部,中间支架3-4的另一端连接在两组弹性梁远离刀架安装部3-1的一端,刀架安装部3-1、两组弹性梁和中间支架3-4的围成磁流变弹性体5的安装空间,且该空间的截面为平行四边形,方便受力变形。因为中间支架3-4为L形,因此中间支架3-4包括横杆和纵杆,所述横杆的厚度大于纵杆的厚度,横杆与弹性梁平行设置,需要承担剪切力,增大横杆的厚度能够增加横杆的结构强度,降低其自身形变量,且横杆与第二弹性梁3-3间隔设置,不接触,避免对弹性梁的形变产生影响,驱动器托架3-5的底部设置有音圈电机固定孔,音圈电机6通过螺栓固定设置在驱动器托架3-5的U形空间内,该U形空间在设置时应保证其支撑结构强度足够的同时,可考虑材料所用损耗,其设置的大小与音圈电机相适宜即可。刀架安装部3-1的两侧均设置有磁流变弹性体组件,所述磁流变弹性体组件包括磁流变弹性体5、第一弹性梁3-2和第二弹性梁3-3,第一弹性梁3-2与第二弹性梁3-3沿刀架安装部3-1的进给方向间隔设置,所述磁流变弹性体5通过粘接的方式设置在第一弹性梁3-2与第二弹性梁3-3之间,两组磁流变弹性形组件的外侧设置有U形的线圈支架3-6,所述线圈支架3-6缠绕有用于激励磁流变弹性体5的线圈7,线圈支架3-6和驱动器托架3-5均为U形,线圈支架3-6位于音圈电机6的外侧,且线圈支架3-6的端部分别固定连接在两组中间支架3-4的端部,线圈支架3-6无需承担受力作用,因此其宽度和厚度均可设置的相对较小,中间支架3-4的纵杆与线圈支架3-6的两侧平行设置,为了避免影响线圈7的缠绕,中间支架3-4的纵杆与线圈支架3-6除端部相连接外,其平行段设置有间隔空间。
本实施例中,如图1和图2所示,上述中刀架安装部3-1、第一弹性梁3-2、第二弹性梁3-3、驱动器托架3-5、中间支架3-4和线圈支架3-6均为一体成型。中间支架3-4上设置有用于安装该快刀伺服装置的定位安装孔3-7。
结构原理:本实施例利用磁流变弹性体在磁场激励下刚度发生变化的这一特性,通过相关传感器如压力传感器和位移传感器测得快速快刀伺服装置在加工过程中的切削力大小和实际输出位移,计算出切削变形误差来控制线圈的通电电流大小,进而改变磁场强度,进而改变磁场强度,从而控制磁流变弹性体的刚度,实现整个装置的刚度自适应在线调节。音圈电机6推动刀架安装部3-1的工作状态如图3所示。
与申请号为2018114536455的现有技术相比,本实施例的通过整体框架的结构改进进而增强装置的使用效果,主要存在以下三个方面:
一:线圈的设置位置的改进,线圈通过外侧的线圈支架为载体,可以容纳更多的绕线梁,这也是得激励磁流变弹性体的磁通密度更大,进而让磁流变弹性体的刚度变化对线圈电流更敏感,即调节精度可以更高,可实现加工精度也就更高;
二、磁流变弹性体的设置位置的改进,磁流变弹性体设置在刀架安装部的两侧,相对于现有技术中磁流变弹性体直接对接在压电陶瓷的尾部这种串联的方式,本实施例的磁流变弹性体以并联的方式设置在刀架安装部上,导致磁流变弹性体的刚度变化对装置整体的影响更大,即本实施例可以实现更大范围的刚度调节,本实施装置的磁通密度与刚度调节的曲线图如图4所示,不同磁通密度下频率与振幅的变化曲线如图5所示;
三、磁流变弹性体与运动平台即刀架安装部直接对接,在加工过程中产生的振动能够被磁流变弹性体吸收,起到吸振的作用,即磁流变弹性体的设置形式增大了装置的阻尼。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。