CN115194194A - 一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,属于快刀伺服装置技术领域。滑动导轨固定连接在L型底座的底边上,挡板固定连接在滑动导轨上,音圈电机一端固定在L型底座侧边上、另一端与挡板固定连接,柔性传导装置固定连接在挡板的中间,压电驱动装置与柔性传导装置内部固定连接,车刀装置与柔性传导装置固定连接,光栅尺传感器分别与L型底座和挡板固定连接。优点是具备两个自由度,通过程序化控制,能够同时实现车刀在X向和Z向的往复运动,应用更加广泛,能应用于更复杂、更高要求的曲面加工,复合设计使得结构紧凑,消除了柔性机构的寄生位移,实现了压电陶瓷驱动器的大行程输出。
Description
技术领域
本发明涉及快刀伺服装置技术领域,尤其涉及一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展,光学技术也取得了极大的进展,具有自由曲面的光学元件在光学、机械、通讯等领域发挥着重要的作用。由于曲面复杂,该类零件加工困难,传统加工方法难以满足加工中的高效率、低成本等问题。快刀伺服装置一般由压电陶瓷和音圈电机驱动,使得快速刀具能够以更高频率进行加工。在复杂曲面加工过程中,为实现不同的加工行程,新型结构和算法的应用越来越广泛。
压电陶瓷驱动方式具有频响高、定位精度高、输出力大且易于控制的优点,但是其行程小,存在迟滞和蠕变现象。现有技术公开了一种压电陶瓷驱动的快刀伺服装置,利用柔性铰链机构对压电陶瓷驱动器输出位移进行放大,但未解决由于压电陶瓷的堆叠结构带来的影响。而音圈电机的原理简单,行程大,能够实现毫米级的超长行程位移输出,满足大行程的快刀伺服加工要求。且现有公开技术中,大多数快刀伺服装置仅能完成一个自由度的加工要求,无法实现某些特殊产品的加工要求。
发明内容
本发明提供一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,以解决大多数快刀伺服装置仅能完成一个自由度的加工要求的问题。
本发明采取的技术方案是,包括光栅尺传感器、L型底座、音圈电机、挡板、柔性传导装置、车刀装置、滑动导轨和压电驱动装置,其中滑动导轨固定连接在L型底座的底边上,挡板固定连接在滑动导轨上,音圈电机一端固定在L型底座侧边上、另一端与挡板固定连接,柔性传导装置固定连接在挡板的中间,压电驱动装置与柔性传导装置内部固定连接,车刀装置与柔性传导装置固定连接,光栅尺传感器分别与L型底座和挡板固定连接。
所述光栅尺传感器包括X向光栅尺传感器保护罩、X向光栅标尺、X向光栅读数头、X向L型块、Z向L型块、Z向光栅读数头、Z向光栅标尺和Z向光栅尺传感器保护罩,其中X向标尺光栅固定连接在L型底座的底部侧边,X向L型块与滑块固定连接,X向光栅读数头与X向L型块固定连接,使X向光栅读数头与X向标尺光栅平行安装,X向光栅尺传感器保护罩用螺钉固定在L型底座上,用于保护X向标尺光栅,Z向光栅标尺通过螺钉固定在靠近车刀座处的后挡板上,Z向L型块与车刀座固定连接,Z向光栅读数头与Z向L型块固定连接、并与车刀座中轴线重合,Z向光栅尺传感器保护罩用螺钉固定在后挡板上。
所述音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子,音圈电机定子和音圈电机动子之间采用同轴配合,音圈电机定子通过螺栓与L型底座侧边固定连接,音圈电机动子通过螺栓与前挡板侧边固定连接。
所述挡板包括前挡板和后挡板,两者并排放置,前挡板侧边与音圈电机动子通过螺栓连接、底部用螺栓固定在滑块上,后挡板底部与滑块螺栓固定;
所述前挡板和后挡板上下两排均设有螺纹孔,中间部分也设有两个螺纹孔,用于和柔性传导部分通过螺栓固定。
所述柔性传导装置采用一体式结构,包括一级放大机构、二级放大机构、柔性导向机构、固定外架、正圆型铰链一、位移传导杆一、直圆型铰链、正圆型铰链二、正圆型铰链三、正圆型铰链四和位移传导杆二,其中固定外架上下设有两排螺纹孔,用于和上述前挡板和后挡板通过螺栓进行固定;能够通过音圈电机驱动柔性传导装置实现X方向的往复运动;一级放大机构和二级放大机构与位移传导杆一采用正圆型铰链一铰接,一级放大机构和二级放大机构与固定外架分别采用正圆型铰链二、正圆型铰链三铰接,二级放大机构和柔性导向机构与位移传导杆二采用正圆型铰链四铰接,柔性导向机构两侧分别通过直梁型铰链与固定外架铰接。
所述车刀装置包括刀具紧固螺栓、车刀座和金刚石车刀,其中柔性导向机构内部有车刀座,车刀座上有两个螺纹孔,通过刀具紧固螺栓将金刚石车刀固定连接在车刀座中。
所述滑动导轨包括滑块和滑轨,滑轨用螺栓固定在L型底座上,滑块和滑轨滑动连接。
所述压电驱动装置包括第一压电陶瓷驱动组件和第二压电陶瓷驱动组件,第一压电陶瓷驱动组件和第二压电陶瓷驱动组件的结构相同,其中第一压电陶瓷驱动组件包括压电陶瓷驱动器固定套、第一压电陶瓷驱动器、双头螺柱、预紧螺母、内六角螺栓和预紧块;其中预紧块置于压电陶瓷驱动器固定套内部,压电陶瓷驱动器固定套底端通过四个内六角螺栓与固定外架固定连接、且其底端开设通孔,第一压电陶瓷驱动器一端位于压电陶瓷驱动器固定套中、另一端与一级放大机构顶接,双头螺柱一端与预紧块螺纹连接、另一端穿过压电陶瓷驱动器固定套和固定外架与预紧螺母螺纹连接,用预紧螺母对第一压电陶瓷驱动器施加预紧力。
本发明的有益效果是:
1.本发明公开的快刀伺服装置具备两个自由度,通过程序化控制,能够同时实现车刀在X向和Z向的往复运动,应用更加广泛,能应用于更复杂、更高要求的曲面加工。
2.本发明公开的压电驱动装置包括两个压电陶瓷驱动器,两者对称布置,分别实现车刀Z向的进刀和退刀动作,由于压电陶瓷的堆叠结构,只能承受较大的推力而不能承受拉力,通常需要柔性铰链弹性变形所产生的恢复力完成退刀动作,因此两个压电陶瓷驱动器能够在最大程度上利用压电陶瓷本身具有的特性。
3.本发明公开的柔性放大机构和柔性导向机构采用高度对称布置,同时该种复合设计使得结构紧凑,消除了柔性机构的寄生位移,实现了压电陶瓷驱动器的大行程输出,扩大了应用范围,提高了加工精度。
4.本公开发明公开的光栅尺位移传感器对两个方向上的位移量进行实时测量,能够实现完成高精度加工同步测量。
5.本公开发明公开的音圈电机驱动快刀实现X方向的往复运动,配合高精度滑动导轨,结构简单,同时能够具备X向大行程输出能力。
附图说明
图1是本发明结构示意图;
图2是本发明音圈电机、挡板、柔性传导装置、车刀装置、滑动导轨的结构示意图;
图3是本发明的内部结构示意图;
图4是本发明柔性传导装置、车刀装置和压电驱动装置的剖视图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在为本公开提供进一步的说明。除非有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如图1所示,包括光栅尺传感器1、L型底座2、音圈电机3、挡板4、柔性传导装置5、车刀装置6、滑动导轨7和压电驱动装置8,其中滑动导轨7固定连接在L型底座2的底边上,挡板4固定连接在滑动导轨7上,音圈电机3一端固定在L型底座2侧边上、另一端与挡板4固定连接,柔性传导装置5固定连接在挡板4的中间,压电驱动装置8与柔性传导装置5内部固定连接,车刀装置6与柔性传导装置5固定连接,光栅尺传感器1分别与L型底座2和挡板4固定连接。
音圈电机3用于驱动该装置在X方向上往复运动,压电驱动装置8配合柔性传导装置5,实现车刀固定装置6在Z方向上的往复运动,从而实现双自由度大行程驱动功能。
所述光栅尺传感器1包括X向光栅尺传感器保护罩101、X向光栅标尺102、X向光栅读数头103、X向L型块104、Z向L型块105、Z向光栅读数头106、Z向光栅标尺107和Z向光栅尺传感器保护罩108,其中X向标尺光栅102固定连接在L型底座2的底部侧边,X向L型块104与滑块701固定连接,X向光栅读数头103与X向L型块104固定连接,使X向光栅读数头103与X向标尺光栅102平行安装,从而使X向光栅读数头103实现对滑块701位移量的同步记录,即快刀伺服装置X方向上的位移量,X向光栅尺传感器保护罩101用螺钉固定在L型底座2上,用于保护X向标尺光栅102,Z向光栅标尺107通过螺钉固定在靠近车刀座602处的后挡板402上,Z向L型块105与车刀座602固定连接,Z向光栅读数头106与Z向L型块105固定连接,并与车刀座602中轴线重合,Z向光栅尺传感器保护罩108用螺钉固定在后挡板402上。
这样能够将车刀座602的位移实时反馈至第一压电陶瓷驱动组件801和第二压电陶瓷驱动组件802,从而提高压电陶瓷驱动器输出位移的精度。
如图2所示,音圈电机3包括音圈电机定子301和音圈电机动子302,音圈电机定子301和音圈电机动子302之间采用同轴配合,音圈电机定子301通过螺栓与L型底座侧边固定连接,音圈电机动子302通过螺栓与前挡板401侧边固定连接。
如图2所示,所述挡板4包括前挡板401和后挡板402,两者并排放置,前挡板401侧边与音圈电机动子302通过螺栓连接、底部用螺栓固定在滑块701上,后挡板402底部与滑块701用螺栓固定;
进一步的,前挡板401和后挡板402上下两排均设有螺纹孔,中间部分也设有两个螺纹孔,用于和柔性传导部分5通过螺栓固定。
如图3所示,柔性传导装置5采用一体式结构,包括一级放大机构501、二级放大机构502、柔性导向机构503、固定外架504、正圆型铰链一505、位移传导杆一506、直圆型铰链507、正圆型铰链二508、正圆型铰链三509、正圆型铰链四510和位移传导杆二511,其中固定外架504上下设有两排螺纹孔,用于和上述前挡板401和后挡板402通过螺栓进行固定;能够通过音圈电机3驱动柔性传导装置5实现X方向的往复运动;如图4所示,一级放大机构501和二级放大机构502与位移传导杆一506采用正圆型铰链一505铰接,其铰接处的主要运动方式为平移和转动,一级放大机构501和二级放大机构502与固定外架504分别采用正圆型铰链二508、正圆型铰链三509铰接,运动方式主要为转动,二级放大机构502和柔性导向机构503与位移传导杆二511采用正圆型铰链四510铰接,柔性导向机构503两侧分别通过直梁型铰链507与固定外架504铰接,柔性导向机构503的作用是保证末端沿一定方向移动。
所述车刀装置6包括刀具紧固螺栓601、车刀座602和金刚石车刀603,其中柔性导向机构503内部有车刀座602,车刀座602上有两个螺纹孔,通过刀具紧固螺栓601将金刚石车刀603固定连接在车刀座602中,提高车刀在加工过程中的稳定性。
所述滑动导轨7包括滑块701和滑轨702,滑轨702用螺栓固定在L型底座2上,滑块701和滑轨702滑动连接,该种连接方式能够保证挡板4和音圈电机动子302实现同步位移,从而实现快刀伺服装置在X方向上的往复运动。
由音圈电机3作为驱动机构,滑动导轨7作为导向机构,基于音圈电机3能实现大行程位移的优点,实现快刀伺服装置X方向的大行程往复运动。
如图4所示,压电驱动装置8包括第一压电陶瓷驱动组件801和第二压电陶瓷驱动组件802,第一压电陶瓷驱动组件801和第二压电陶瓷驱动组件802的结构相同,其中第一压电陶瓷驱动组件801包括压电陶瓷驱动器固定套80101、第一压电陶瓷驱动器80102、双头螺柱80103、预紧螺母80104、内六角螺栓80105和预紧块80106;其中预紧块80106置于压电陶瓷驱动器固定套80101内部,压电陶瓷驱动器固定套80101底端通过四个内六角螺栓80105与固定外架504固定连接、且其底端开设通孔,第一压电陶瓷驱动器80102一端位于压电陶瓷驱动器固定套80101中、另一端与一级放大机构501顶接,双头螺柱80103一端与预紧块80106螺纹连接、另一端穿过压电陶瓷驱动器固定套80101和固定外架504与预紧螺母80104螺纹连接,用预紧螺母80104对第一压电陶瓷驱动器80102施加预紧力,第二压电陶瓷驱动组件802的安装方式同上,从而完成压电驱动装置8的装配。
两个压电陶瓷驱动组件对立布置,其中第一压电陶瓷驱动组件801负责该装置Z方向的进刀动作,第二压电陶瓷驱动组件802负责该装置Z方向的退刀动作;在加工过程中通过程序化控制,两个压电陶瓷驱动器交替伸长,产生微位移,并传递给柔性传导装置5。
由第一压电陶瓷驱动组件801和第二压电陶瓷驱动组件802产生的微位移经过一级放大机构501和二级放大机构502放大后,由柔性导向机构503传递给车刀座602;其中一级放大机构501、二级放大机构502和柔性导向机构503均采用对称布置,结构紧凑,同时消除了柔性机构产生的寄生位移,从而提高整体机构的运动精度。
上述压电驱动装置8和柔性传导装置5用于实现快刀伺服装置Z方向的大行程输出。
工作过程:
驱动器包括音圈电机3和压电驱动装置8,在加工复杂曲面的过程中,Z向金刚石车刀603的进给运动由第一压电陶瓷驱动组件801驱动,压电驱动装置8输出微小位移后,经过一级放大机构501进行位移的一级放大,然后传递给二级放大机构502进行二级放大,最后经过柔性导向机构503传导给车刀座602内的金刚石车刀603,进行Z向位移输出;其中压电驱动装置8包括第一压电陶瓷驱动器802和第二压电陶瓷驱动器807,通过程序化控制分别实现装置的进刀和退刀动作,由一级放大机构501和二级放大机构502的位移放大功能达到大行程要求;当由于曲面的复杂性需要金刚石车刀603进行X方向的位移时,通过音圈电机3驱动,由滑动导轨7作为导向机构,实现X方向的往复运动,利用音圈电机3本身特点能够实现大行程要求;运动过程中,利用光栅尺传感器1实时记录两个方向上的位移,以提高伺服装置的精度,从而实现复杂曲面的高效加工。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种变化和更改。凡在本公开的精神和原则以内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:包括光栅尺传感器、L型底座、音圈电机、挡板、柔性传导装置、车刀装置、滑动导轨和压电驱动装置,其中滑动导轨固定连接在L型底座的底边上,挡板固定连接在滑动导轨上,音圈电机一端固定在L型底座侧边上、另一端与挡板固定连接,柔性传导装置固定连接在挡板的中间,压电驱动装置与柔性传导装置内部固定连接,车刀装置与柔性传导装置固定连接,光栅尺传感器分别与L型底座和挡板固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述光栅尺传感器包括X向光栅尺传感器保护罩、X向光栅标尺、X向光栅读数头、X向L型块、Z向L型块、Z向光栅读数头、Z向光栅标尺和Z向光栅尺传感器保护罩,其中X向标尺光栅固定连接在L型底座的底部侧边,X向L型块与滑块固定连接,X向光栅读数头与X向L型块固定连接,使X向光栅读数头与X向标尺光栅平行安装,X向光栅尺传感器保护罩用螺钉固定在L型底座上,用于保护X向标尺光栅,Z向光栅标尺通过螺钉固定在靠近车刀座处的后挡板上,Z向L型块与车刀座固定连接,Z向光栅读数头与Z向L型块固定连接、并与车刀座中轴线重合,Z向光栅尺传感器保护罩用螺钉固定在后挡板上。
3.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子,音圈电机定子和音圈电机动子之间采用同轴配合,音圈电机定子通过螺栓与L型底座侧边固定连接,音圈电机动子通过螺栓与前挡板侧边固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述挡板包括前挡板和后挡板,两者并排放置,前挡板侧边与音圈电机动子通过螺栓连接、底部用螺栓固定在滑块上,后挡板底部与滑块螺栓固定。
5.根据权利要求4所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述前挡板和后挡板上下两排均设有螺纹孔,中间部分也设有两个螺纹孔,用于和柔性传导部分通过螺栓固定。
6.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述柔性传导装置采用一体式结构,包括一级放大机构、二级放大机构、柔性导向机构、固定外架、正圆型铰链一、位移传导杆一、直圆型铰链、正圆型铰链二、正圆型铰链三、正圆型铰链四和位移传导杆二,其中固定外架上下设有两排螺纹孔,用于和上述前挡板和后挡板通过螺栓进行固定;能够通过音圈电机驱动柔性传导装置实现X方向的往复运动;一级放大机构和二级放大机构与位移传导杆一采用正圆型铰链一铰接,一级放大机构和二级放大机构与固定外架分别采用正圆型铰链二、正圆型铰链三铰接,二级放大机构和柔性导向机构与位移传导杆二采用正圆型铰链四铰接,柔性导向机构两侧分别通过直梁型铰链与固定外架铰接。
7.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述车刀装置包括刀具紧固螺栓、车刀座和金刚石车刀,其中柔性导向机构内部有车刀座,车刀座上有两个螺纹孔,通过刀具紧固螺栓将金刚石车刀固定连接在车刀座中。
8.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述滑动导轨包括滑块和滑轨,滑轨用螺栓固定在L型底座上,滑块和滑轨滑动连接。
9.根据权利要求1所述的一种双驱式双自由度大行程快刀伺服装置,其特征在于:所述压电驱动装置包括第一压电陶瓷驱动组件和第二压电陶瓷驱动组件,第一压电陶瓷驱动组件和第二压电陶瓷驱动组件的结构相同,其中第一压电陶瓷驱动组件包括压电陶瓷驱动器固定套、第一压电陶瓷驱动器、双头螺柱、预紧螺母、内六角螺栓和预紧块;其中预紧块置于压电陶瓷驱动器固定套内部,压电陶瓷驱动器固定套底端通过四个内六角螺栓与固定外架固定连接、且其底端开设通孔,第一压电陶瓷驱动器一端位于压电陶瓷驱动器固定套中、另一端与一级放大机构顶接,双头螺柱一端与预紧块螺纹连接、另一端穿过压电陶瓷驱动器固定套和固定外架与预紧螺母螺纹连接,用预紧螺母对第一压电陶瓷驱动器施加预紧力。
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