一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置及驱动方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种能够满足高精度且能同时实现宏位移和微位移运动的宏微双驱式快刀伺服装置。

背景技术

通过高频高位置精度振动金刚石刀具，快速刀具伺服辅助金刚石车削对于复杂形状光学元件的超精密加工制造非常有前景，具有高精度、高效率、一次车削就可以获得镜面质量曲面的优点，目前已广泛应用于光学自由曲面、微纳结构功能曲面、非圆零件等复杂零件的加工。但是现有的快刀伺服装置在加工过程中，金刚石刀具会随着被加工曲面面型的变化进行变深度切削，此过程中，车削深度的变化过大会导致切削力变大从而影响加工精度，并且机床主轴转速的漂移会使刀具存在定位误差，导致加工表面质量不均匀，进而影响加工效率。并且在一些实际加工应用中，复杂曲面的形状过于难加工，需要刀具在进给方向上拥有足够高的精度才能满足加工需求。而且加工过程中音圈电机运动所产生的振动以及切削过程中刀具与工件之间的碰撞所产生的振动对加工精度等造成不利影响，此问题也亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置及驱动方法。

一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置，包括：底座1、驱动机构2、两个圆盘型柔性铰链3、两个减振电机轴4，一体式宏动平台5，微动平台6，刀具载物台8和装置外壳；

所述的装置外壳的后盖板1009中心位置设有十字分布直梁型柔性铰链100901；

所述的圆盘型柔性铰链3包括：动子圆盘型柔性铰链301和定子圆盘型柔性铰链302；

所述的减振电机轴4包括：动子减振电机轴401、定子减振电机轴402；

所述的驱动机构2和圆盘型柔性铰链3通过电机压圈203固定在底座1上；

所述的定子圆盘型柔性铰链302一端与驱动机构2的音圈电机定子201螺栓固定连接，另一端与定子减振电机轴402固定连接，定子减振电机轴402与十字分布直梁型柔性铰链100901接触；

音圈电机动子202、动子圆盘型柔性铰链301、动子减振电机轴401、依次固定连接；

动子减振电机轴401与一体式宏动平台5接触，刀具载物台8通过板簧弹片801铰接于一体式宏动平台5上；

所述的动子减振电机轴401通过柔性安装法兰403柔性绞接在装置外壳上；

所述的圆盘型柔性铰链3，从内至外：内层圆盘0101， 镂空“Z”字型圆盘30102，双层直圆型柔30103性铰链；直圆型柔性铰链30103均匀分布于镂空“Z”字型圆盘30102周围，与装置外壳固定连接；内层圆盘0101分别与减振电机轴4及驱动机构2的动子或定子固定连接；

所述的柔性安装法兰403包括：质量法兰片40301、法兰安装部、直板型柔性铰链40302和弧形柔性铰链40303；

所述的质量法兰片40301上下两端通过若干个直板型柔性铰链40302、两个弧形柔性铰链40303与法兰安装部相连；左右两端为凹弧面，两个弧形柔性铰链40303相对称，与质量法兰片40301的凹弧面同弧。

所述的一体式宏动平台5周围为一框体，框体分别与底座1及装置外壳固定，框体内设有微动平台座503，并通过直圆型柔性铰链Ⅴ501与微动平台座503铰接；所述的刀具载物台8通过六组板簧弹片801与微动平台座503绞接固定。

所述的微动平台6包括：框架601，压电陶瓷驱动器602，压电预紧螺钉603，柔性刀架604，导向杆605和直圆型柔性铰链Ⅵ606；

所述的压电陶瓷驱动器602末端、柔性刀架604、直圆型柔性铰链Ⅵ606和导向杆605依次相连铰接；

所述的压电陶瓷驱动器602通过压电预紧螺钉603固定在框架601上，所述的导向杆605两组直圆型柔性铰链Ⅵ606与框架601绞接；

所述的导向杆605与刀具载物台8接触；安装在刀具载物台8上。

所述的柔性刀架604包括：两级L型杠杆放大机构；

第一L型杠杆放大机构60401和第二L型杠杆放大机构60402，呈对称布置，所述第一L型杠杆放大机构60401包括依次连接的第一连杆6040101、第二连杆6040102、第三连杆6040103、第四连杆6040104和第五连杆6040105；第一连杆6040101一端与第一L型杠杆放大机构60401的第二连杆6010402铰接，一端与第二L型杠杆放大机构60402的第六连杆6040201铰接，一端与压电陶瓷驱动器602接触；第二连杆6040102一端与第一连杆6040101铰接，一端与第三连杆6040103铰接；第三连杆6040103一端与第二连杆6040102铰接，一端与框架601铰接，一端与第四连杆6040104铰接；第四连杆6040104一端与第三连杆6040103铰接，一端与第五连杆6040105铰接；第五连杆6040105一端与框架601铰接，一端与第四连杆6040104铰接，一端与导向杆605铰接；所述第二L型杠杆放大机构60402包括依次连接的第一连杆6040101、第六连杆6040201、第七连杆6040202、第八连杆6040203和第九连杆6040204；第六连杆6040201一端与第一连杆6040101铰接，一端与第七连杆6040202铰接；第七连杆6040202一端与第六连杆6040201铰接，一端与框架601铰接，一端与第八连杆6040203铰接；第八连杆6040203一端与第七连杆6040202铰接，一端与第九连杆6040204铰接；第九连杆6040204一端与框架601铰接，一端与第八连杆6040203铰接，一端与导向杆605铰接；所述导向杆605一端与柔性刀架604铰接，一端与框架601通过直圆型柔性铰链Ⅵ606铰接；微动平台6通过压电陶瓷驱动器602推动两级L型杠杆放大机构，将压电陶瓷驱动器602输出的位移放大，传递到导向杆605，进而推动刀具载物台8上的金刚石刀具9做快速往复运动。

还设有光栅尺703和电容传感器701，所述光栅尺703传感器包括连杆70301、标尺光栅70302和读数头70303；所述的连杆70301一端通过螺钉固定在刀具载物台8上，一端固定在标尺光栅70302上；所述标尺光栅70302随连杆70301移动而滑动；所述读数头70303固定在一体式宏动平台5上，用来读取宏位移大小或宏微位移总和；所述电容传感器701固定在微动平台座503上。

所述的直圆型柔性铰链Ⅴ501之间设有菱形板簧弹片502。

一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置使用方法，它包括：

1）给予驱动机构2输入信号，音圈电机动子202带动圆盘型柔性铰链3、减振电机轴4、一体式宏动平台5和金刚石刀具9做宏运动，经由光栅尺703检测位移量并传送至微处理器，并反馈给驱动机构2。

2）给予压电陶瓷驱动器602输入信号，压电陶瓷驱动器602推动两级L型杠杆放大机构，将输出的微位移放大传递到导向杆605，进而推动刀具载物台8上刀具9做微运动，经由电容传感器701检测位移量并传送至微处理器，并反馈给压电陶瓷驱动器602；

3）同时给予驱动机构2和压电陶瓷驱动器602输入信号，经由两种传感器检测位移量传送至微处理器，并反馈给驱动机构2和压电陶瓷驱动器602。

本发明提供了一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置，包括：底座1、驱动机构2、两个圆盘型柔性铰链3、两个减振电机轴4，一体式宏动平台5，微动平台6，刀具载物台8和装置外壳；

符合快刀伺服加工特性，运动精度高，且同时采用宏动和微动两种运动方式，既可通过音圈电机实现大行程位移，又可通过压电陶瓷实现高精度运动，补偿运动误差，可加工范围广，加工方式灵活，并且采用十六组安装法兰分别铰接在两组减振电机轴上，用来降低减振电机轴在快速往复运动过程中产生的不利振动，而且整套装置以驱动机构为中心呈现对称布局，同样可以有效地抑制加工过程中的不利振动对金刚石刀具的影响，提高了定位精度和加工精度，可以完成复杂微结构光学曲面的加工。

本发明的有益效果

本发明一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置及驱动方法在音圈电机驱动下可以实现进给方向宏运动，在压电陶瓷驱动器的驱动下可以实现进给方向微运动，在二者共同驱动下，保证大行程输出的同时又可进行误差补偿，将宏动和微动集中到一套装置中，可以适应不同的加工材料和加工方式。而且采用这种圆盘式柔性铰链可以保证整套装置在进给方向的刚度较小，在其余非切削方向的刚度较大，实现了高分辨率的工作性能，提高了刀具定位精度，符合快刀伺服加工特性，运动精度高，并且采用十六组安装法兰分别铰接在两组减振电机轴上，用来降低减振电机轴在快速往复运动过程中产生的不利振动，而且整套装置以驱动机构为中心呈现对称布局，同样可以有效地抑制加工过程中的不利振动对金刚石刀具的影响，提高了定位精度和加工精度，可以完成复杂微结构光学曲面的加工。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明爆炸图；

图3为本发明正视图；

图4为本发明正视图A-A全剖示图；

图5为本发明俯视图；

图6为本发明俯视图B-B全剖视图；

图7为本发明左视图；

图8为本发明一体式宏动平台立体结构示意图；

图9为本发明微动平台俯视图及其全剖视图；

图10为本发明圆盘型柔性铰链及其全剖视图；

图11为本发明部分结构示意图；

附图标记：

1-底座，2-驱动机构，201-电机定子，202-电机动子，203-电机压圈，3-圆盘型柔性铰链，301-动子圆盘型柔性铰链，30101-内层圆盘，30102-镂空“Z”字型圆盘，30103-双层直圆型柔性铰链，302-定子圆盘型柔性铰链，4-减振电机轴，401-第一减振电机轴，402-第二减振电机轴，403-安装法兰，40301-质量法兰片，40302-直板型柔性铰链，40303-叶型柔性铰链，5-一体式宏动平台，501-直圆型柔性铰链Ⅴ，502-菱形板簧弹片，503-微动平台底座，6-微动平台，601-框架，602-压电陶瓷驱动器，603-压电预紧螺钉，604-柔性刀架，60401-第一L型杠杆放大机构，60402-第二L型杠杆放大机构，6040101-第一连杆，6040102-第二连杆，6040103-第三连杆，6040104-第四连杆，6040105-第五连杆，6040201-第六连杆，6040202-第七连杆，6040203-第八连杆，6040204-第九连杆，605-导向杆，Ⅵ606-直圆形柔性铰链Ⅵ，7-传感器，701-电容传感器，702-电容传感器固定架，703-光栅尺，70301-连杆,70302-标尺光栅，70303-读数头，8-刀具载物台，801-板簧弹片，9-金刚石刀具， 1001-第一上盖板，1002-第二上盖板，1003-第一下盖板，1004-第二下盖板，1005-第一侧盖板，1006-第二侧盖板，1007-第三侧盖板，1008-第四侧盖板，1009-后盖板，100901-十字分布直梁型柔性铰链。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置

如图1-11，本发明提供了一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置，包括：底座1、驱动机构2、两个圆盘型柔性铰链3、两个减振电机轴4、一体式宏动平台5、微动平台6、传感器7、刀具载物台8、金刚石刀具9和装置外壳；

所述的装置外壳包括：第一上盖板1001、第二上盖板1002、第一下盖板1003，第二下盖板1004、第一侧盖板1005、第二侧盖板1006、第三侧盖板1007、第四侧盖板1008、后盖板1009；所述的后盖板1009中心位置设有十字分布直梁型柔性铰链100901；

所述的圆盘型柔性铰链3包括：动子圆盘型柔性铰链301和定子圆盘型柔性铰链302；它们结构相同；采用轮边式设计，从内至外分为三层：内层圆盘0101， 镂空“Z”字型圆盘30102，双层直圆型柔30103性铰链；直圆型柔性铰链30103为九个均匀分布于镂空“Z”字型圆盘30102周围，与装置外壳固定连接；内层圆盘0101分别与减振电机轴4及驱动机构2动子或定子固定连接；

所述的减振电机轴4包括：动子减振电机轴401、定子减振电机轴402；

所述的驱动机构2和两个圆盘型柔性铰链3通过电机压圈203固定在底座1上；

定子圆盘型柔性铰链302一端与驱动机构2的音圈电机定子201螺栓固定连接，另一端与定子减振电机轴402固定连接，定子减振电机轴402与十字分布直梁型柔性铰链100901接触；

音圈电机动子202、动子圆盘型柔性铰链301、动子减振电机轴401、依次固定连接；

动子减振电机轴401与一体式宏动平台5接触，刀具载物台8通过六组板簧弹片801铰接于一体式宏动平台5上；

所述的动子减振电机轴401通过八组对称布置的柔性安装法兰403柔性绞接在装置外壳上，用于抑制切削加工过程中产生的不利振动；

所述的柔性安装法兰403包括：质量法兰片40301、法兰安装部、直板型柔性铰链40302和弧形柔性铰链40303；

所述的质量法兰片40301上下两端通过若干个直板型柔性铰链40302、两个弧形柔性铰链40303与法兰安装部相连；左右两端为凹弧形，两个对称的弧形柔性铰链40303在同一弧面上；

所述的一体式宏动平台5周围为一框体，框体分别与底座1及装置外壳固定，框体内设有微动平台座503，并通过直圆型柔性铰链Ⅴ501与微动平台座503铰接；

所述的直圆型柔性铰链Ⅴ501之间设有菱形板簧弹片502，用于恢复进给方向的形变；

所述的刀具载物台8通过六组板簧弹片801与微动平台座503绞接固定；

所述的微动平台6包括：框架601，压电陶瓷驱动器602，压电预紧螺钉603，柔性刀架604，导向杆605和直圆型柔性铰链Ⅵ606；

所述的压电陶瓷驱动器602末端、柔性刀架604、直圆型柔性铰链Ⅵ606和导向杆605依次相连铰接；

所述的压电陶瓷驱动器602通过压电预紧螺钉603固定在框架601上，所述的导向杆605两组直圆型柔性铰链ⅥⅥ606与框架601绞接；

所述的导向杆605与刀具载物台8接触；金刚石刀具9安装在刀具载物台8上；

所述的柔性刀架604包括：两级L型杠杆放大机构；

第一L型杠杆放大机构60401和第二L型杠杆放大机构60402，呈对称布置，所述第一L型杠杆放大机构60401包括依次连接的第一连杆6040101、第二连杆6040102、第三连杆6040103、第四连杆6040104和第五连杆6040105；第一连杆6040101一端与第一L型杠杆放大机构60401的第二连杆6010402铰接，一端与第二L型杠杆放大机构60402的第六连杆6040201铰接，一端与压电陶瓷驱动器602接触；第二连杆6040102一端与第一连杆6040101铰接，一端与第三连杆6040103铰接；第三连杆6040103一端与第二连杆6040102铰接，一端与框架601铰接，一端与第四连杆6040104铰接；第四连杆6040104一端与第三连杆6040103铰接，一端与第五连杆6040105铰接；第五连杆6040105一端与框架601铰接，一端与第四连杆6040104铰接，一端与导向杆605铰接；所述第二L型杠杆放大机构60402包括依次连接的第一连杆6040101、第六连杆6040201、第七连杆6040202、第八连杆6040203和第九连杆6040204；第六连杆6040201一端与第一连杆6040101铰接，一端与第七连杆6040202铰接；第七连杆6040202一端与第六连杆6040201铰接，一端与框架601铰接，一端与第八连杆6040203铰接；第八连杆6040203一端与第七连杆6040202铰接，一端与第九连杆6040204铰接；第九连杆6040204一端与框架601铰接，一端与第八连杆6040203铰接，一端与导向杆605铰接；所述导向杆605一端与柔性刀架604铰接，一端与框架601通过直圆型柔性铰链Ⅵ606铰接；微动平台6通过压电陶瓷驱动器602推动两级L型杠杆放大机构，将压电陶瓷驱动器602输出的位移放大，传递到导向杆605，进而推动刀具载物台8上的金刚石刀具9做快速往复运动；微动平台6输出的微位移不仅可以单独对工件表面进行切削加工，还可以用来补偿宏动情况下产生的位移误差。

所述的传感器7包括光栅尺703和电容传感器701，所述光栅尺703传感器包括连杆70301、标尺光栅70302和读数头70303；所述连杆70301一端通过螺钉固定在刀具载物台8上，一端固定在标尺光栅70302上；所述标尺光栅70302随连杆70301移动而滑动；所述读数头70303固定在一体式宏动平台5上，用来读取宏位移大小或宏微位移总和；所述电容传感器701通过电容传感器固定架702固定在微动平台座503，用于读取微位移大小。

实施例2一种具备减振功能的宏微双驱式快刀伺服装置使用方法

一、给予驱动机构2输入信号，音圈电机动子202带动圆盘型柔性铰链3、减振电机轴4、一体式宏动平台5和金刚石刀具9做宏运动，经由光栅尺703检测位移量并传送至微处理器，并反馈给驱动机构2；

二、给予压电陶瓷驱动器602输入信号，压电陶瓷驱动器602推动两级L型杠杆放大机构，将输出的微位移放大传递到导向杆605，进而推动刀具载物台8上金刚石刀具9做微运动，经由电容传感器701检测位移量并传送至微处理器，并反馈给压电陶瓷驱动器602；

三、同时给予驱动机构2和压电陶瓷驱动器602输入信号，既可加工具有较大幅度变化的复杂曲面，又可在复杂曲面上加工微结构，而且微动机构又可对宏动机构进行误差补偿，经由两种传感器检测位移量传送至微处理器，并反馈给驱动机构2和压电陶瓷驱动器602。