CN116809976A - 一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 - Google Patents
一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116809976A CN116809976A CN202211319544.5A CN202211319544A CN116809976A CN 116809976 A CN116809976 A CN 116809976A CN 202211319544 A CN202211319544 A CN 202211319544A CN 116809976 A CN116809976 A CN 116809976A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flexible hinge
- rod
- displacement
- driving platform
- piezoelectric ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 238000003754 machining Methods 0.000 title abstract description 27
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 153
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 73
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 69
- 238000007514 turning Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 34
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 3
- 229910000639 Spring steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000007516 diamond turning Methods 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
Abstract
本发明公开了一种三自由度大行程快刀伺服装置，它包括：工作台架、音圈电机、Z向位移传导机构、三轴连接机构、X向驱动平台、Y向驱动平台、车刀座、车刀；所述的三轴连接机构包括：三轴连接板、三轴连接架，三轴连接板四周通过X轴向挠性铰链和Y轴向挠性铰链与三轴连接架相连接；所述的挠性铰链均设有Z轴向挠性铰点；所述的双轴向挠性铰链上至少设有一个X轴向挠性铰点和一个Y轴向挠性铰点；Z向位移传导机构、三轴连接机构和驱动器连杆采用一体式设计。采用压电陶瓷驱动器。能实现车刀三自由度主动切削的同时，具备大行程输出能力，能够高效完成复杂光学曲面的加工过程，同时能够对多个方向上的位移误差进行补偿，解决了切削力扰动问题。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工和光学自由曲面加工技术领域，具体涉及一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法。
背景技术
相比于传统光学元件，自由曲面光学元件具有改善光学性能、优化产品结构、实现轻量化等显著优点。随着科技发展的日新月异，自由光学曲面在多个领域应用广泛，不仅包括国防、航空、航天、军事等核心技术领域，还涉及到医疗设备、3D扫描、红外夜视等领域。因此，对具有光学自由曲面类型的光学元件进行加工和制造显得意义重大。
传统光学曲面加工方法有慢刀伺服加工技术、磨削加工、飞切加工等均可实现超精密加工，但大都效率低、加工时间长。快刀伺服装置能够以更高的频率进行加工运动，根据结构和算法的不同以实现不同的加工运动，以其高效率、高精度、低成本和挠性好的优点，本普遍认为是一种最具有发展前途的光学自由曲面创成方法。
以音圈电机驱动的快刀伺服装置结构简单，行程大，能实现装置大行程位移输出，以压电陶瓷作为驱动器的快刀伺服系统具有高频响、高精度、高刚度、输出力大等优点，利用位移放大机构和位移传导机构，也能实现装置的大行程输出。同时目前绝大多数快刀伺服装置能实现的自由度单一，能加工的光学曲面类型有限；而多自由度快刀伺服装置可以实现多方向主动切削加工和多方位位移补偿，能够解决切削力扰动，实现机床主轴与FTS装置的同步性和协调性，克服单自由度FTS加工中存在的问题，扩展基于光学自由曲面加工的FTS金刚石车削加工领域和加工能力。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，而提供了一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法。
一种三自由度大行程快刀伺服装置，它包括：工作台架1、音圈电机2、Z向位移传导机构3、三轴连接机构4、X向驱动平台5、Y向驱动平台6、车刀座8、车刀9；
所述的工作台架1包括：底板11、立板12、固定外框架13，立板12设在底板11一侧，音圈电机2设立板12上方；固定外框架13设在底板11另一侧；
所述的三轴连接机构4包括：三轴连接板41、三轴连接架42，三轴连接板41四周通过X轴向挠性铰链43和Y轴向挠性铰链44与三轴连接架42相连接；所述的挠性铰链均设有Z轴向挠性铰点；
所述的音圈电机2设在立板12上方，音圈电机动子22末端通过Z向位移传导机构3上的双轴向挠性铰链33与三轴连接板41左侧相连；刀座8安装在三轴连接板41右侧；
所述的双轴向挠性铰链33上至少设有一个X轴向挠性铰点和一个Y轴向挠性铰点；
所述的X向驱动平台5、Y向驱动平台6的本体固定在固定外框架13上，X向驱动平台5的驱动器通过设有Y轴向挠性铰点的挠性铰链与三轴连接架42相连；Y向驱动平台6的驱动器通过设有X轴向挠性铰点的挠性铰链与三轴连接架42相连；
所述的双轴向挠性铰链33为四个，均为直圆型挠性铰链；
所述的X向驱动平台5、Y向驱动平台6均为两个，采用压电陶瓷驱动器，设有二级放大连杆传动；
所述的Z向位移传导机构3、三轴连接机构4和放大连杆为一体，由65Mn弹簧钢材料制成；
所述的伺服装置，还设有位移传感器组件，包括： X向位移传感器71、Y向位移传感器72、Z向位移传感器73；X向位移传感器71和Y向位移传感器72均设有2个；X向位移传感器71、Y向位移传感器72和Z向位移传感器73均为电感式位移传感器；
所述的伺服装置，还设有多轴控制器；
所述的Y向驱动平台6包括：驱动平台外架61、驱动平台内架62、第一传导杆63、左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆65、二级放大杆66、Y向压电陶瓷驱动器67、前挡板68、后挡板69；
所述的第一传导杆63、左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆65和二级放大杆66均为对称式结构；前挡板68和后挡板69设在驱动平台外架61两侧；驱动平台内架62设在驱动平台外架61内；
所述的驱动平台外架61内的两侧设有外架连杆凸缘611；驱动平台外架61内侧底部设有Y向压电陶瓷安装套612，Y向压电陶瓷驱动器67底部固定在Y向压电陶瓷安装套612内；Y向压电陶瓷驱动器67顶部与第一传导杆63中部连接；
所述的第一传导杆63两端均设有Y形连接臂631，两端Y形连接臂631结构对称；并且Y形连接臂631左右两端依次连接的部件也相互对称；
所述的Y形连接臂631上一侧设有第一挠性铰链632，Y形连接臂631上另一侧第二挠性铰链633；两端Y形连接臂631一侧上端通过第一挠性铰链632与左侧一级放大杆64中部连接；两端Y形连接臂631另一侧上端通过第二挠性铰链633与右侧一级放大杆65的一侧端部连接；左侧一级放大杆64的左侧端部设有第三挠性铰链641，左侧一级放大杆64左侧下端通过第三挠性铰链641与外架连杆凸缘611连接；右侧一级放大杆65下端中部设有第四挠性铰链651，右侧一级放大杆65下端中部通过第四挠性铰链651与驱动平台内架62左侧端部连接；
所述的二级放大杆66上设有第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662、第三连杆挠性铰链663；二级放大杆66下端近中部通过第一连杆挠性铰链661与左侧一级放大杆64右侧上端连接；二级放大杆66右侧下端通过第二连杆挠性铰链662与右侧一级放大杆65右侧上端连接；二级放大杆66左侧上端通过第三连杆挠性铰链663与三轴连接架42连接；
所述的第一挠性铰链632、第二挠性铰链633、第三挠性铰链641和第四挠性铰链651均为单Z轴向直圆型挠性铰链相连；第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662和第三连杆挠性铰链663均为双Z轴向直圆型挠性铰链相连；
所述的驱动平台外架61、外架连杆凸缘611、驱动平台内架62、第一传导杆63、Y形连接臂631、第一挠性铰链632、第二挠性铰链633、左侧一级放大杆64、第三挠性铰链641、右侧一级放大杆65、第四挠性铰链651、二级放大杆66、第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662、第三连杆挠性铰链663、三轴连接板41、三轴连接架42和X轴向挠性铰链43为一体式结构；
所述的Y向压电陶瓷安装套612设在驱动平台外架61一侧内部；Y向压电陶瓷驱动器67套接在Y向压电陶瓷安装套612中；Y向压电陶瓷驱动器67与第一传导杆63连接；左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆55、二级放大杆66之间采用直圆型挠性铰链相连，左侧一级放大杆64与右侧一级放大杆55均以驱动平台外架61的固定点作为支点构成一级放大杠杆；Y向压电陶瓷驱动器67输出微小位移；微小位移经第一传导杆63传递至右侧一级放大杆55与左侧一级放大杆64，对位移进行一级放大后，同时传递至二级放大杆66，对位移进行二级放大，再由第三连杆挠性铰链663传递至三轴连接机构4，车刀9通过螺栓固定在车刀座8上，车刀座8通过螺栓固定在三轴连接机构4上，最终能够实现该方向上车刀的直线运动；
所述的X向驱动平台5与Y向驱动平台6结构相同。
一种三自由度大行程快刀伺服装置的曲面加工方法，它包括：
1）根据待加工图形表面轮廓得到车刀运动轨迹，通过相关设备对待加工曲面进行预处理，其中包括利用LVDT对待加工曲面表面轮廓的采集，然后进行刀具路径规划和刀具半径补偿后，最终得到待加工图形的车刀运动轨迹点，得到刀具轨迹点后开始利用本装置完成后续加工过程：将车刀运动轨迹点的运动坐标输入至多轴控制器；多轴控制器控制驱动器输出位移，驱动器包括：音圈电机和压电陶瓷驱动器；音圈电机用于实现Z方向上的位移输出，压电陶瓷驱动器用于实现X、Y向位移输出，从而控制车刀的三自由度运动；
2）音圈电机单独驱动车刀Z方向上的往复运动；X、Y向的往复运动则由两个结构相同、对称布置安装的X向压电陶瓷驱动器57和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器67实现，切削过程中，对称安装的两个X向压电陶瓷驱动器57和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器67的输入变化率、方向相反的信号，输出位移经放大后传递至车刀9；同时利用挠性铰链的特性实现三自由度解耦；最终实现三自由度的解耦运动，同时具备大行程输出能力，从而高效地完成对复杂光学曲面的加工；
3）三轴连接机构4的三个方向上安装了X向位移传感器71、Y向位移传感器72、 Z向位移传感器73；X向位移传感器71、Y向位移传感器72和Z向位移传感器73均为电感式位移传感器，结构简单、灵敏度高、分辨率高，可用于检测车刀实际输出位移，同时将位移实时反馈至多轴控制器，多轴控制器根据接收到的信号，处理后进一步控制各驱动器的输出位移，从而构成闭环控制系统，实现X、Y、Z三个方向上的位移误差补偿，提高了快刀伺服装置的整体加工精度。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明公开的解耦式三自由度快刀伺服装置采用音圈电机和压电陶瓷驱动器两种驱动方式，分别实现车刀X、Y、Z三个方向的加工运动，利用挠性铰链的传导特性，设计相互正交的开口方向的直圆型挠性铰链，以完成车刀在三个方向上的运动解耦。相比于单自由度快刀伺服装置，本发明能够完成更加复杂的曲面加工，能够实现多个方向上的主动切削和多方向位移补偿，有效地解决切削力扰动问题，实现机床主轴与快刀伺服装置的同步性和协调性,消除了单自由度快刀伺服装置加工的局限性，扩展基于曲面加工的快刀伺服装置金刚石车削加工领域和加工能力。
2、本发明公开的解耦式三自由度快刀伺服装置车刀Z向运动采用音圈电机驱动，本身具备大行程能力，X向和Y向采用分别采用两个压电陶瓷驱动，经位移放大机构和位移传导机构对位移进行放大，从而能够满足三自由度的大行程加工能力；同时X向与Y向采用两个压电陶瓷驱动器驱动，替代依靠挠性铰链的弹性形变完成车刀的反向运动，减小挠性铰链造成的位移损失，最大程度的发挥压电陶瓷本身的性能。
3、本发明公开的解耦式三自由度快刀伺服装置针对压电陶瓷驱动器设计了预紧装置，通过预紧螺栓推动压块，对压电陶瓷驱动器锁紧，提高整体装置刚度，最大程度上保证压电陶瓷驱动器的工作性能。
4、本发明公开的解耦式三自由度快刀伺服装置采用的位移放大机构和位移传导机构采用高度对称结构，两者为一体式结构，安装方式紧凑，消除了装配误差和挠性机构的寄生位移，提高装置整体加工精度。
5、本发明公开的解耦式三自由度快刀伺服装置采用电感式位移传感器，结构简单，灵敏度高、分辨率高，能够实时反馈实际输出位移至多轴处理器，实现位移误差补偿，提高加工曲面表面质量。
附图说明
图1是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置整体结构示意图；
图2是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置内部结构示意图；
图3是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置位移放大及传导示意图；
图4是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置中Y向驱动平台结构示意图；
图5是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置中Y位移传导机构运动简图；
图6是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置中Z向位移传导机构和三轴连接机构结构示意图；
图7是本发明一种三自由度大行程快刀伺服装置中Y向压电陶瓷驱动器连接示意图；
图中：工作台架1，底板11，立板12，固定外框架13，加强肋板14，音圈电机2，音圈电机定子21，音圈电机动子22，Z向位移传导机构3，Z向机构第一连接板31，Z向机构第二连接板32，双轴向挠性铰链33，三轴连接机构4，三轴连接板41，三轴连接架42，X轴向挠性铰链43，Y轴向挠性铰链44，X向驱动平台5，X向压电陶瓷驱动器57，X向压电陶瓷安装套512，Y向驱动平台6，驱动平台外架61，外架连杆凸缘611，驱动平台内架62，Y向压电陶瓷安装套612，第一传导杆63，Y形连接臂631，第一挠性铰链632，第二挠性铰链633，左侧一级放大杆64，第三挠性铰链641，右侧一级放大杆65，第四挠性铰链651，二级放大杆66，第一连杆挠性铰链661，第二连杆挠性铰链662，第三连杆挠性铰链663，Y向压电陶瓷驱动器67，压块671，前挡板68，后挡板69，X向位移传感器71，Y向位移传感器72， Z向位移传感器73，传感器支架731，车刀座8，车刀9。
具体实施方式
实施例1一种三自由度大行程快刀伺服装置
参见图1至图7所示，一种三自由度大行程快刀伺服装置，它包括：工作台架1、音圈电机2、Z向位移传导机构3、三轴连接机构4、X向驱动平台5、Y向驱动平台6、位移传感器组件、车刀座8、车刀9；
所述的工作台架1包括：底板11、立板12、固定外框架13，立板12设在底板11一侧，立板12上方设有音圈电机2锁固的螺纹孔121；固定外框架13设在底板11另一侧；立板12与底板11间还设有加强肋板14；
所述的音圈电机2包括：音圈电机定子21、音圈电机动子22，音圈电机动子22与音圈电机定子21同轴配合；音圈电机定子21通过螺栓锁固在螺纹孔121处；
所述的音圈电机动子22末端与Z向位移传导机构3左端通过螺栓连接；Z向位移传导机构3右端与三轴连接机构4通过螺栓固定；三轴连接机构4右侧与车刀座8通过螺栓固定；即音圈电机2通过Z向位移传导机构3与三轴连接机构4一侧连接；车刀座8固定在三轴连接机构4另一侧；
所述的Z向位移传导机构3包括：Z向机构第一连接板31、Z向机构第二连接板32、双轴向挠性铰链33；
所述的双轴向挠性铰链33上设有至少一个X轴向挠性铰点和一个Y轴向挠性铰点；本实施例中的双轴向挠性铰链33设有4个；Z向机构第一连接板31和Z向机构第二连接板32通过4个双轴向挠性铰链33连接；
所述的三轴连接机构4包括：三轴连接板41、三轴连接架42、X轴向挠性铰链43、Y轴向挠性铰链44；X轴向挠性铰链43和Y轴向挠性铰链44均为直圆型挠性铰链相连；X轴向挠性铰链43和Y轴向挠性铰链44均设有2个；三轴连接板41的左右两端分别通过X轴向挠性铰链43与三轴连接架42连接；三轴连接板41的上下两端分别通过Y轴向挠性铰链44与三轴连接架42连接；
所述的音圈电机动子22的轴向位移输出，经Z向位移传导机构3传递至三轴连接机构4；进而三轴连接机构4带动车刀座8上的车刀9实现Z方向的位移往复运动；其中音圈电机2在位移输出方面具备大行程的特性，进而满足Z向大行程位移输出。
所述的刀座8上开设的四个环形孔在Y方向上的位置可调，车刀9通过螺栓固定在车刀座上，从而实现车刀的Y向可调。
所述的X向驱动平台5和Y向驱动平台6结构相同；X向驱动平台5和Y向驱动平台6均设有2个；X向驱动平台5和Y向驱动平台6的两侧设有挡板；两个X向驱动平台5对称布置在三轴连接机构4的X轴的两侧；两个Y向驱动平台6相对设置在三轴连接机构4的Y轴的两侧；
所述的X向驱动平台5与Y向驱动平台6的结构相同，以单个Y向驱动平台6展开具体分析，其余的构造同理；
参见图4所示，所述的Y向驱动平台6包括：驱动平台外架61、驱动平台内架62、第一传导杆63、左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆65、二级放大杆66、Y向压电陶瓷驱动器67、前挡板68、后挡板69；
所述的第一传导杆63、左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆65和二级放大杆66均为对称式结构；前挡板68和后挡板69设在驱动平台外架61两侧；驱动平台内架62设在驱动平台外架61内；
所述的驱动平台外架61内的两侧设有外架连杆凸缘611；驱动平台外架61内侧底部设有Y向压电陶瓷安装套612，Y向压电陶瓷驱动器67底部固定在Y向压电陶瓷安装套612内；Y向压电陶瓷驱动器67顶部与第一传导杆63中部连接；
所述的第一传导杆63两端均设有Y形连接臂631，两端Y形连接臂631结构对称；并且Y形连接臂631左右两端依次连接的部件也相互对称；
所述的Y形连接臂631上一侧设有第一挠性铰链632，Y形连接臂631上另一侧第二挠性铰链633；两端Y形连接臂631一侧上端通过第一挠性铰链632与左侧一级放大杆64中部连接；两端Y形连接臂631另一侧上端通过第二挠性铰链633与右侧一级放大杆65的一侧端部连接；左侧一级放大杆64的左侧端部设有第三挠性铰链641，左侧一级放大杆64左侧下端通过第三挠性铰链641与外架连杆凸缘611连接；右侧一级放大杆65下端中部设有第四挠性铰链651，右侧一级放大杆65下端中部通过第四挠性铰链651与驱动平台内架62左侧端部连接；
所述的二级放大杆66上设有第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662、第三连杆挠性铰链663；二级放大杆66下端近中部通过第一连杆挠性铰链661与左侧一级放大杆64右侧上端连接；二级放大杆66右侧下端通过第二连杆挠性铰链662与右侧一级放大杆65右侧上端连接；二级放大杆66左侧上端通过第三连杆挠性铰链663与三轴连接架42连接；
所述的第一挠性铰链632、第二挠性铰链633、第三挠性铰链641和第四挠性铰链651均为单Z轴向直圆型挠性铰链相连；第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662和第三连杆挠性铰链663均为双Z轴向直圆型挠性铰链相连；
所述的驱动平台外架61、外架连杆凸缘611、驱动平台内架62、第一传导杆63、Y形连接臂631、第一挠性铰链632、第二挠性铰链633、左侧一级放大杆64、第三挠性铰链641、右侧一级放大杆65、第四挠性铰链651、二级放大杆66、第一连杆挠性铰链661、第二连杆挠性铰链662、第三连杆挠性铰链663、三轴连接板41、三轴连接架42和X轴向挠性铰链43为一体式结构；
所述的Y向压电陶瓷安装套612设在驱动平台外架61一侧内部；Y向压电陶瓷驱动器67套接在Y向压电陶瓷安装套612中；Y向压电陶瓷驱动器67与第一传导杆63连接；左侧一级放大杆64、右侧一级放大杆55、二级放大杆66之间采用直圆型挠性铰链相连，左侧一级放大杆64与右侧一级放大杆55均以驱动平台外架61的固定点作为支点构成一级放大杠杆；Y向压电陶瓷驱动器67输出微小位移；微小位移经第一传导杆63传递至右侧一级放大杆55与左侧一级放大杆64，对位移进行一级放大后，同时传递至二级放大杆66，对位移进行二级放大，再由第三连杆挠性铰链663传递至三轴连接机构4，车刀9通过螺栓固定在车刀座8上，车刀座8通过螺栓固定在三轴连接机构4上，最终能够实现该方向上车刀的直线运动；
X向驱动平台5的驱动原理与Y向驱动原理一致，整个X向和Y向驱动平台实现了位移的一级放大、二级放大及传导，同时设计成一体式结构，整体装配紧凑，消除了装配误差和挠性铰链的寄生位移，提高快刀伺服装置的整体加工精度；
所述的位移传感器组件包括： X向位移传感器71、Y向位移传感器72、Z向位移传感器73；X向位移传感器71和Y向位移传感器72均设有2个；X向位移传感器71、Y向位移传感器72和Z向位移传感器73均为电感式位移传感器；
两个X向位移传感器71分别设在两个X向驱动平台5中近三轴连接架42处的后挡板上；两个Y向位移传感器72分别设在两个Y向驱动平台6中近三轴连接架42处的后挡板上； Z向位移传感器73通过传感器支架731固定在底板11上；
所述的X向位移传感器71作为X轴向位移检测装置，Y向位移传感器72作为Y轴向位移检测装置，Z向位移传感器73作为Z轴向位移检测装置；即X向位移传感器71、Y向位移传感器72和Z向位移传感器73检测车刀9的X、Y、Z向上的位移输出，并实时反馈实际输出位移量反馈至多轴控制器，多轴控制器是独立于本装置以外的控制设备，用于对反馈信号处理并对各个驱动器进行相关控制，最终构成闭环控制系统。
所述的Z向位移传导机构3通过螺栓与三轴连接机构4固定连接；三轴连接机构4与车刀座8锁固连接；Z向位移通过Z向位移传导机构3传递至三轴连接机构4，X向位移与Y向位移通过驱动平台输出、放大、传递后，最终经第三连杆挠性铰链663传递给三轴连接机构4；其中Z向位移传导机构3上设计了开口相互正交的直圆型铰链，且与连接三轴连接机构4内外两部分的连接杆的铰链开口方向两两正交，从而实现车刀座X、Y、Z三个方向上的运动解耦，最终实现车刀三自由度切削运动。
本三自由度大行程快刀伺服装置中X向和Y向的位移放大传递原理，其中以Y向驱动平台为例说明；Y向压电陶瓷驱动器67作为装置驱动器，按照Y向压电陶瓷驱动器67输出微小位移的方向，第一传导杆63进行位移传递、放大，最终输出至三轴连接机构4；基于杠杆放大原理，实现快刀伺服装置X向、Y向的大行程输出能力；Y向压电陶瓷驱动器67前端与位移放大机构初始端贴合，末端与压块671贴合，压块671端面开设螺纹孔，用于与预紧螺栓相连，Y向压电陶瓷驱动器67和压块7191安装在Y向压电陶瓷安装套612内，从而实现压电陶瓷驱动器的预紧，提高整体装置刚度，采用螺栓预紧，是基于螺纹自锁原理，且螺栓能沿进给方向及相反方向连续调节，稳定可靠高。
本实施例的三自由度大行程快刀伺服装置能够单独安装在高精密车床上，用于加工非回转复杂光学曲面。其中音圈电机能够实现Z向的大行程输出能力，X向和Y向依靠压电陶瓷驱动器和位移放大机构实现X向和Y向的大行程输出能力；并且设计了三处开口方向相互正交的挠性铰链，实现三个方向上的运动解耦，扩大了加工范围和应用领域；X向驱动平台和Y向驱动平台的位移放大机构和位移传导杆的设计采用一体式结构，消除了挠性机构的寄生位移；各个方向上安装了电感式位移传感器，实时反馈输出位移，提高了整体系统的加工精度。
实施例2一种三自由度大行程快刀伺服装置的曲面加工方法:
采用实施例1所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置进行曲面加工，其步骤如下：
1）根据待加工图形表面轮廓得到车刀运动轨迹，通过相关设备对待加工曲面进行预处理，其中包括利用LVDT对待加工曲面表面轮廓的采集，然后进行刀具路径规划和刀具半径补偿后，最终得到待加工图形的车刀运动轨迹点，得到刀具轨迹点后开始利用本装置完成后续加工过程：将车刀运动轨迹点的运动坐标输入至多轴控制器；多轴控制器控制驱动器输出位移，驱动器包括：音圈电机和压电陶瓷驱动器；音圈电机用于实现Z方向上的位移输出，压电陶瓷驱动器用于实现X、Y向位移输出，从而控制车刀的三自由度运动；
2）音圈电机单独驱动车刀Z方向上的往复运动；X、Y向的往复运动则由两个结构相同、对称布置安装的X向压电陶瓷驱动器57和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器67实现，切削过程中，对称安装的两个X向压电陶瓷驱动器57和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器67的输入变化率、方向相反的信号，输出位移经放大后传递至车刀9；同时利用挠性铰链的特性实现三自由度解耦；最终实现三自由度的解耦运动，同时具备大行程输出能力，从而高效地完成对复杂光学曲面的加工；
3）三轴连接机构4的三个方向上安装了X向位移传感器71、Y向位移传感器72、 Z向位移传感器73；X向位移传感器71、Y向位移传感器72和Z向位移传感器73均为电感式位移传感器，结构简单、灵敏度高、分辨率高，可用于检测车刀实际输出位移，同时将位移实时反馈至多轴控制器，多轴控制器根据接收到的信号，处理后进一步控制各驱动器的输出位移，从而构成闭环控制系统，实现X、Y、Z三个方向上的位移误差补偿，提高了快刀伺服装置的整体加工精度。
本实施例提供的曲面加工方法应用领域广泛，能实现车刀三自由度主动切削的同时，具备大行程输出能力，能够高效完成复杂光学曲面的加工过程，同时能够对多个方向上的位移误差进行补偿，有效地解决了切削力扰动问题，实现机床主轴与快刀伺服装置的同步性和协调性，扩展基于曲面加工的快刀伺服装置金刚石车削加工领域和加工能力。
Claims (7)
1.一种三自由度大行程快刀伺服装置，它包括：工作台架（1）、音圈电机（2）、Z向位移传导机构（3）、三轴连接机构（4）、X向驱动平台（5）、Y向驱动平台(6)、车刀座(8)、车刀(9)；
所述的工作台架（1）包括：底板（11）、立板（12）、固定外框架（13），立板（12）设在底板（11）一侧，音圈电机（2）设立板（12）上方；固定外框架（13）设在底板（11）另一侧；
所述的三轴连接机构（4）包括：三轴连接板（41）、三轴连接架（42），三轴连接板（41）四周通过X轴向挠性铰链（43）和Y轴向挠性铰链（44）与三轴连接架（42）相连接；所述的挠性铰链均设有Z轴向挠性铰点；
所述的音圈电机（2）设在立板（12）上方，音圈电机动子（22）末端通过Z向位移传导机构（3）上的双轴向挠性铰链(33)与三轴连接板（41）左侧相连；刀座8安装在三轴连接板（41）右侧；
所述的双轴向挠性铰链(33)上至少设有一个X轴向挠性铰点和一个Y轴向挠性铰点；
所述的X向驱动平台（5）、Y向驱动平台(6)的本体固定在固定外框架（13）上，X向驱动平台（5）的驱动器通过设有Y轴向挠性铰点的挠性铰链与三轴连接架（42）相连；Y向驱动平台(6)的驱动器通过设有X轴向挠性铰点的挠性铰链与三轴连接架（42）相连。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置，其特征在于：所述的双轴向挠性铰链(33)为四个，均为直圆型挠性铰链。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置，其特征在于：X向驱动平台（5）、Y向驱动平台(6)均为两个，采用压电陶瓷驱动器，二级放大连杆传动。
4.根据权利要求3所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置，其特征在于：所述的Z向位移传导机构（3）、三轴连接机构（4）和放大连杆为一体，由弹簧钢材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置，其特征在于：设有多轴控制器。
6.根据权利要求5所述的一种三自由度大行程快刀伺服装置，其特征在于：所述的Y向驱动平台(6)包括：驱动平台外架(61）、驱动平台内架（62）、第一传导杆（63）、左侧一级放大杆（64）、右侧一级放大杆（65）、二级放大杆（66）、Y向压电陶瓷驱动器（67）、前挡板(68)、后挡板(69)；
所述的第一传导杆（63）、左侧一级放大杆（64）、右侧一级放大杆（65）和二级放大杆（66）均为对称式结构；前挡板(68)和后挡板(69)设在驱动平台外架(61）两侧；驱动平台内架（62）设在驱动平台外架(61）内；
所述的驱动平台外架(61）内的两侧设有外架连杆凸缘(611)；驱动平台外架(61）内侧底部设有Y向压电陶瓷安装套(612)，Y向压电陶瓷驱动器（67）底部固定在Y向压电陶瓷安装套(612)内；Y向压电陶瓷驱动器（67）顶部与第一传导杆（63）中部连接；
所述的第一传导杆（63）两端均设有Y形连接臂(631)，两端Y形连接臂(631)结构对称；并且Y形连接臂(631)左右两端依次连接的部件也相互对称；
所述的Y形连接臂(631)上一侧设有第一挠性铰链(632)，Y形连接臂(631)上另一侧第二挠性铰链(633)；两端Y形连接臂(631)一侧上端通过第一挠性铰链(632)与左侧一级放大杆（64）中部连接；两端Y形连接臂(631)另一侧上端通过第二挠性铰链(633)与右侧一级放大杆（65）的一侧端部连接；左侧一级放大杆（64）的左侧端部设有第三挠性铰链(641)，左侧一级放大杆（64）左侧下端通过第三挠性铰链(641)与外架连杆凸缘(611)连接；右侧一级放大杆（65）下端中部设有第四挠性铰链(651)，右侧一级放大杆（65）下端中部通过第四挠性铰链(651)与驱动平台内架（62）左侧端部连接；
所述的二级放大杆（66）上设有第一连杆挠性铰链(661)、第二连杆挠性铰链(662)、第三连杆挠性铰链(663)；二级放大杆（66）下端近中部通过第一连杆挠性铰链(661)与左侧一级放大杆（64）右侧上端连接；二级放大杆（66）右侧下端通过第二连杆挠性铰链(662)与右侧一级放大杆（65）右侧上端连接；二级放大杆（66）左侧上端通过第三连杆挠性铰链(663)与三轴连接架（42）连接；
所述的第一挠性铰链(632)、第二挠性铰链(633)、第三挠性铰链(641)和第四挠性铰链(651)均为单Z轴向直圆型挠性铰链相连；第一连杆挠性铰链(661)、第二连杆挠性铰链(662)和第三连杆挠性铰链(663)均为双Z轴向直圆型挠性铰链相连；
所述的驱动平台外架(61）、外架连杆凸缘(611)、驱动平台内架（62）、第一传导杆（63）、Y形连接臂(631)、第一挠性铰链(632)、第二挠性铰链(633)、左侧一级放大杆（64）、第三挠性铰链(641)、右侧一级放大杆（65）、第四挠性铰链(651)、二级放大杆（66）、第一连杆挠性铰链(661)、第二连杆挠性铰链(662)、第三连杆挠性铰链(663)、三轴连接板（41）、三轴连接架（42）和X轴向挠性铰链（43）为一体式结构；
所述的Y向压电陶瓷安装套(612)设在驱动平台外架(61）一侧内部；Y向压电陶瓷驱动器（67）套接在Y向压电陶瓷安装套(612)中；Y向压电陶瓷驱动器（67）与第一传导杆（63）连接；左侧一级放大杆（64）、右侧一级放大杆(55)、二级放大杆（66）之间采用直圆型挠性铰链相连，左侧一级放大杆（64）与右侧一级放大杆(55)均以驱动平台外架(61）的固定点作为支点构成一级放大杠杆；Y向压电陶瓷驱动器（67）输出微小位移；微小位移经第一传导杆（63）传递至右侧一级放大杆(55)与左侧一级放大杆（64），对位移进行一级放大后，同时传递至二级放大杆（66），对位移进行二级放大，再由第三连杆挠性铰链(663)传递至三轴连接机构（4），车刀(9)通过螺栓固定在车刀座(8)上，车刀座(8)通过螺栓固定在三轴连接机构（4）上，最终能够实现该方向上车刀的直线运动；
所述的X向驱动平台（5）与Y向驱动平台(6)结构相同。
7.一种三自由度大行程快刀伺服装置的曲面加工方法，它包括：
1）根据待加工图形表面轮廓得到车刀运动轨迹，通过相关设备对待加工曲面进行预处理，其中包括利用LVDT对待加工曲面表面轮廓的采集，然后进行刀具路径规划和刀具半径补偿后，最终得到待加工图形的车刀运动轨迹点，得到刀具轨迹点后开始利用本装置完成后续加工过程：将车刀运动轨迹点的运动坐标输入至多轴控制器；多轴控制器控制驱动器输出位移，驱动器包括：音圈电机和压电陶瓷驱动器；音圈电机用于实现Z方向上的位移输出，压电陶瓷驱动器用于实现X、Y向位移输出，从而控制车刀的三自由度运动；
2）音圈电机单独驱动车刀Z方向上的往复运动；X、Y向的往复运动则由两个结构相同、对称布置安装的X向压电陶瓷驱动器（57）和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器（67）实现，切削过程中，对称安装的两个X向压电陶瓷驱动器（57）和两个相对安装的Y向压电陶瓷驱动器（67）的输入变化率、方向相反的信号，输出位移经放大后传递至车刀(9)；同时利用挠性铰链的特性实现三自由度解耦；最终实现三自由度的解耦运动；
3）三轴连接机构（4）的三个方向上安装了X向位移传感器(71)、Y向位移传感器(72)、 Z向位移传感器(73)；X向位移传感器(71)、Y向位移传感器(72)和Z向位移传感器(73)均为电感式位移传感器，结构简单、灵敏度高、分辨率高，可用于检测车刀实际输出位移，同时将位移实时反馈至多轴控制器，多轴控制器根据接收到的信号，处理后进一步控制各驱动器的输出位移，从而构成闭环控制系统，实现X、Y、Z三个方向上的位移误差补偿。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211319544.5A CN116809976A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211319544.5A CN116809976A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116809976A true CN116809976A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88122698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211319544.5A Pending CN116809976A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116809976A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117040313A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 季华实验室 | 电机线性促动装置和电机线性促动装置的控制方法 |
-
2022
- 2022-10-26 CN CN202211319544.5A patent/CN116809976A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117040313A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 季华实验室 | 电机线性促动装置和电机线性促动装置的控制方法 |
| CN117040313B (zh) * | 2023-10-10 | 2024-01-09 | 季华实验室 | 电机线性促动装置和电机线性促动装置的控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN219233964U (zh) | 一种三自由度大行程快刀伺服装置 | |
| Zhu et al. | Development of a novel 2-D vibration-assisted compliant cutting system for surface texturing | |
| Di Gregorio | A new family of spherical parallel manipulators | |
| Gao et al. | Development of a novel flexure-based XY platform using single bending hybrid piezoelectric actuator | |
| CN112427911B (zh) | 高精度装配系统及装配方法 | |
| CN105252285A (zh) | 一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台 | |
| CN116809976A (zh) | 一种三自由度大行程快刀伺服装置及其曲面加工方法 | |
| CN111890128A (zh) | 一种三向解耦的测力型压电快刀伺服装置 | |
| Han et al. | Design and computational optimization of elliptical vibration-assisted cutting system with a novel flexure structure | |
| Wang et al. | Design and control of a spatial micromanipulator inspired by deployable structure | |
| Lu et al. | Design and analysis of a novel piezoelectrically actuated vibration assisted rotation cutting system | |
| Han et al. | Evaluation of the power consumption of a high-speed parallel robot | |
| US6354168B1 (en) | Tripod bearing device and a method of torsion compensation | |
| Raut et al. | Development & Analysis of XY Stage Mechanism | |
| CN106312591A (zh) | 一种三压电垂直驱动的三维椭圆微位移运动平台 | |
| Brogårdh et al. | Application-oriented development of parallel kinematic manipulators with large workspace | |
| CN112405108B (zh) | 一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法 | |
| Pham et al. | Micromanipulation system design based on selective actuation mechanisms | |
| CN205166404U (zh) | 一种压电驱动三维椭圆微进给运动平台 | |
| CN207953316U (zh) | 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 | |
| He et al. | Design and performance analysis of a novel parallel servo press with redundant actuation | |
| CN110316695B (zh) | 一种微纳双模检测加工模块 | |
| Majou et al. | The design of parallel kinematic machine tools using kinetostatic performance criteria | |
| Du et al. | Output decoupling property of planar flexure-based compliant mechanisms with symmetric configuration | |
| Yoshioka et al. | Design Concept and Structural Configuration of Advanced Nano-Pattern Generator with Large Work Area" ANGEL". |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |