一种两轴联动的快刀伺服装置的制作方法

本发明涉及快刀伺服装置技术领域，特别是涉及一种两轴联动的快刀伺服装置。

背景技术：

光学薄膜是液晶显示器背光源模组中重要的零件。一般地，采用基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo，FTS)的金刚石车削加工方法加工光学薄膜。然而，传统的FTS装置为单轴的直线式FTS装置，不能满足加工光学自由曲面的要求。

技术实现要素：

基于此，有必要针对无法加工光学自由曲面的问题，提供一种两轴联动的快刀伺服装置，它能够用于加工光学自由曲面。

一种两轴联动的快刀伺服装置，其特征在于，包括框架、拆卸式柔性连接件、快刀伺服刀架、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷和刀具安装件，所述拆卸式柔性连接件的一端连接所述框架，所述拆卸式柔性连接件的另一端连接所述快刀伺服刀架，所述第一压电陶瓷驱动所述快刀伺服刀架沿第一方向往复运动，所述刀具安装件安装于所述快刀伺服刀架，所述第二压电陶瓷驱动所述刀具安装件沿第二方向往复运动。

上述一种两轴联动的快刀伺服装置，刀具安装件用于安装刀具。第一压电陶瓷驱动快刀伺服刀架沿第一方向往复运动，从而带动安装于快刀伺服刀架上的刀具沿第一方向往复运动。第二压电陶瓷驱动刀具安装件沿第二方向往复运动，从而带动安装于刀具安装件上的刀具沿第二方向往复运动。在第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的作用下，刀具能够在第一方向和第二方向上往复运动，从而能够实现二维加工。光学自由曲面具有微纳阵列结构。压电陶瓷FTS具有响应频率高、加速度高和定位精度高的特点，柔性铰链机构具有无摩擦和高位移分辨率的特点。因此，上述一种两轴联动的快刀伺服装置能够满足高频响、高加速度和高精度的加工要求，能够加工具有微纳阵列结构的光学自由曲面。

在其中一个实施例中，所述拆卸式柔性连接件包括一对以上第一柔性铰链，所述第一柔性铰链的一端可拆卸地连接所述框架，所述第一柔性铰链的另一端可拆卸地连接所述快刀伺服刀架，每对所述第一柔性铰链分别对应设置于所述快刀伺服刀架的两侧。如此，快刀伺服刀架可以拆卸，且快刀伺服刀架的两侧受力均匀，有利于快刀伺服刀架平稳可靠地沿第一方向往复运动。

在其中一个实施例中，所述第一压电陶瓷的设置方向与所述第一方向平行，所述第一压电陶瓷的一端与所述框架连接，所述第一压电陶瓷的另一端与所述快刀伺服刀架连接。框架固定安装于地面、大理石台面或者其他坚硬稳固的表面。第一压电陶瓷在电压作用下，第一压电陶瓷的长度增大或缩小，从而推动沿第一方向往复运动。

在其中一个实施例中，所述快刀伺服刀架设有桥式柔性铰链和第二柔性铰链，所述桥式柔性铰链沿所述第一方向设有桥式柔性铰链第一端和与所述桥式柔性铰链第一端相对设置的桥式柔性铰链第二端，所述桥式柔性铰链沿所述第二方向设有桥式柔性铰链第三端和与所述桥式柔性铰链第三端相对设置的桥式柔性铰链第四端，所述桥式柔性铰链第三端固定设置于所述快刀伺服刀架的一侧，所述第二柔性铰链的一端与所述快刀伺服刀架的另一侧连接，所述第二柔性铰链的另一端与所述桥式柔性铰链第四端连接，所述刀具安装件安装于所述桥式柔性铰链第四端；

上述一种两轴联动的快刀伺服装置还包括第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆的一端安装于所述桥式柔性铰链第一端，所述第一驱动杆的另一端设有第一钩头，所述第一钩头与所述第二压电陶瓷的一端连接，所述第二驱动杆的一端安装于所述桥式柔性铰链第二端，所述第二驱动杆的另一端设有第二钩头，所述第二钩头与所述第二压电陶瓷的另一端连接。当第二压电陶瓷伸长时，由于第一钩头和第二钩头对称分布在快刀伺服刀架上，所以第二压电陶瓷只受第一方向的作用力，而不受第二方向的作用力，避免了运动过程的耦合运动。

如此，第二压电陶瓷在驱动电压作用下，第二压电陶瓷的长度增大，从而推动桥式柔性铰链第四端沿第二方向往复运动，从而能够实现刀具沿第二方向做往复运动。

在其中一个实施例中，所述桥式柔性铰链还包括长度相等的第一铰链杆、第二铰链杆、第三铰链杆和第四铰链杆，所述第一铰链杆的一端与所述桥式柔性铰链第一端连接，所述第一铰链杆的另一端与所述桥式柔性铰链第三端连接，所述第二铰链杆的一端与所述桥式柔性铰链第一端连接，所述第二铰链杆的另一端与所述桥式柔性铰链第四端连接，所述第三铰链杆的一端与所述桥式柔性铰链第二端连接，所述第三铰链杆的另一端与所述桥式柔性铰链第三端连接，所述第四铰链杆的一端与所述桥式柔性铰链第二端连接，所述第四铰链杆的另一端与所述桥式柔性铰链第四端连接，所述第一铰链杆与所述第二方向的夹角大于45度。根据快刀伺服刀架的结构特征，桥式柔性铰链第一端或桥式柔性铰链第二端在第一方向上的移动，将带动桥式柔性铰链第四端在第二方向上的移动。根据杠杆位移放大原理，当第一铰链杆与第二方向的夹角大于45度时，桥式柔性铰链第四端在第二方向上的移动量大于桥式柔性铰链第一端或桥式柔性铰链第二端在第一方向上的移动量。如此，第二压电陶瓷通过快刀伺服刀架实现位移放大，从而上述一种两轴联动的快刀伺服装置具有高频的大行程的运动特性。

在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷的侧面与所述第一驱动杆之间具有第一间隙，所述第二压电陶瓷的侧面与所述第二驱动杆之间具有第二间隙。由于第二压电陶瓷和第一驱动杆之间具有第一间隙，所以第二压电陶瓷与第一驱动杆发生相对运动时，第二压电陶瓷与第一驱动杆不会产生干涉，既便于第二压电陶瓷的安装，又避免了第二压电陶瓷在高频运动过程与第一驱动杆发生摩擦。同理，第二间隙既便于第二压电陶瓷的安装，又避免了第二压电陶瓷在高频运动过程与第二驱动杆发生摩擦。

在其中一个实施例中，所述第一压电陶瓷与所述第二压电陶瓷同轴设置。如此，由于第二压电陶瓷是通过第一驱动杆和第二驱动杆对称分布在快刀伺服刀架中间，在第一压电陶瓷的驱动下，随着快刀伺服刀架整体运动，故第二压电陶瓷只承受轴向力，不承受径向力，有利于提高第二压电陶瓷的寿命。

在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷的一端安装有压力传感器，所述压力传感器与所述第二压电陶瓷的端面接触。压力传感器用于测量第二压电陶瓷的动态受力情况，通过D/A转化，方便工作人员对上述一种两轴联动的快刀伺服装置实现误差分析和补偿。工作人员也可通过压力传感器获知第二压电陶瓷的受力情况，并用于研究分析或调整第二压电陶瓷上施加的电压。

在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷的另一端通过第一紧固件连接到所述快刀伺服刀架。如此，第二压电陶瓷通过第一紧固件获得预紧力，避免第二压电陶瓷在运动过程中发生脱落，且可实时调节桥式柔性铰链的刚度。

在其中一个实施例中，所述第二方向与所述第一方向垂直。如此，刀具在第一方向上的运动不会影响刀具在第二方向上的运动。在第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的独立作用下，刀具在第一方向和第二方向上联动，上述一种两轴联动的快刀伺服装置实现在2个自由度上高频往复运动。

附图说明

图1为本发明实施例中两轴联动的快刀伺服装置的示意图；

图2为本发明实施例中两轴联动的快刀伺服装置的爆炸视图；

图3为图1中沿A-A线的剖视图。

100、框架，110、第一方向，120、第二方向，130、第二紧固件，200、拆卸式柔性连接件，210、第一柔性铰链，300、快刀伺服刀架，310、第二柔性铰链，320、桥式柔性铰链，321、桥式柔性铰链第一端，322、桥式柔性铰链第二端，323、桥式柔性铰链第三端，324、桥式柔性铰链第四端，325、第一铰链杆，326、第二铰链杆，327、第三铰链杆，328、第四铰链杆，400、第一压电陶瓷，500、第二压电陶瓷，501、第一间隙，502、第二间隙，503、第一紧固件，600、刀具安装件，700、刀具，810、第一驱动杆，811、第一钩头，820、第二驱动杆，821、第二钩头，830、压力传感器，841、第三紧固件，842、第四紧固件，843、第五紧固件，844、L板，845、第六紧固件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。本发明中所述“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1和图2所示，一种两轴联动的快刀伺服装置，包括框架100、拆卸式柔性连接件200、快刀伺服刀架300、第一压电陶瓷400、第二压电陶瓷500和刀具安装件600。拆卸式柔性连接件200的一端连接框架100，拆卸式柔性连接件200的另一端连接快刀伺服刀架300。第一压电陶瓷400驱动快刀伺服刀架300沿第一方向110往复运动。刀具安装件600安装于快刀伺服刀架300。第二压电陶瓷500驱动刀具安装件600沿第二方向120往复运动。

上述一种两轴联动的快刀伺服装置，刀具安装件600用于安装刀具700。刀具安装件600可为刀具安装板、刀具安装块或刀具安装架。刀具700可选为金刚石刀具。框架100固定安装于地面、大理石台面或者其他坚硬稳固的表面。第一压电陶瓷400驱动快刀伺服刀架300沿第一方向110往复运动，从而带动安装于快刀伺服刀架300上的刀具700沿第一方向110往复运动。第二压电陶瓷500驱动刀具安装件600沿第二方向120往复运动，从而带动安装于刀具安装件600上的刀具700沿第二方向120往复运动。在第一压电陶瓷400和第二压电陶瓷500的分别作用下，刀具700能够在第一方向110和第二方向120上往复运动，刀具700相对于工件能够同时实现沿两个运动轴的高频往复运动或摆动，从而能够实现二维加工。光学自由曲面具有微纳阵列结构。压电陶瓷FTS具有响应频率高、加速度高和定位精度高的特点，柔性铰链机构具有无摩擦和高位移分辨率的特点。因此，上述一种两轴联动的快刀伺服装置能够满足高频响、高加速度和高精度的加工要求，能够加工具有微纳阵列结构的光学自由曲面。

具体地，如图1所示，拆卸式柔性连接件200包括一对以上第一柔性铰链210。第一柔性铰链210的一端可拆卸地连接框架100，第一柔性铰链210的另一端可拆卸地连接快刀伺服刀架300。每对第一柔性铰链210分别对应设置于快刀伺服刀架300的两侧。快刀伺服刀架300通过第一柔性铰链210与框架100可拆卸连接。快刀伺服刀架300的两侧受力均匀，有利于快刀伺服刀架300平稳可靠地沿第一方向110往复运动。此外，第一柔性铰链210的两端分别与框架100和快刀伺服刀架300可拆卸连接，从而第一柔性铰链210能够通过拆卸更换不同厚度的第一柔性铰链210。如此，工作人员通过更换不同厚度的第一柔性铰链210，改变第一柔性铰链210的固有频率和第一柔性铰链210的刚度。

具体地，如图1所示，第一柔性铰链210可选为半圆角型柔性铰链。半圆角型柔性铰链的一端通过第二紧固件130安装到框架100上。第二紧固件130可选用杯头螺丝。

具体地，如图1所示，第一压电陶瓷400的设置方向与第一方向110平行。第一压电陶瓷400的设置方向为第一压电陶瓷400的长度方向或第一压电陶瓷400的安装方向。第一压电陶瓷400的一端与框架100连接，第一压电陶瓷400的另一端与快刀伺服刀架300连接。在电压作用下，第一压电陶瓷400的长度增大或缩小，从而推动快刀伺服刀架300沿第一方向110往复运动。

可以理解，第一压电陶瓷的设置方向也可选为与第二方向平行。第一压电陶瓷安装于快刀伺服刀架的两端。快刀伺服刀架的另外两端分别与框架和快刀伺服刀架连接。如此，第一压电陶瓷在驱动电压作用下，第一压电陶瓷的长度沿第二方向增大或缩小，带动快刀伺服刀架的两端移动，进而带动快刀伺服刀架的另外两端在第一方向上移动，从而实现刀具沿第一方向往复运动。

在前述实施例的基础上，如图1和图2所示，快刀伺服刀架300设有第二柔性铰链310和桥式柔性铰链320。桥式柔性铰链320沿第一方向110设有桥式柔性铰链第一端321和与桥式柔性铰链第一端321相对设置的桥式柔性铰链第二端322。桥式柔性铰链320沿第二方向120设有桥式柔性铰链第三端323和与桥式柔性铰链第三端323相对设置的桥式柔性铰链第四端324。桥式柔性铰链第三端323固定设置于快刀伺服刀架300的一侧。第二柔性铰链310的一端与快刀伺服刀架300的另一侧连接，第二柔性铰链310的另一端与桥式柔性铰链第四端324连接。刀具安装件600安装于桥式柔性铰链第四端324。具体地，刀具安装件600通过第五紧固件843安装到桥式柔性铰链第四端324。

如图1至图3所示，上述一种两轴联动的快刀伺服装置还包括第一驱动杆810和第二驱动杆820。第一驱动杆810的一端安装于桥式柔性铰链第一端321。第一驱动杆810的另一端设有第一钩头811。第一钩头811与第二压电陶瓷500的一端连接。具体地，第一钩头811通过第六紧固件845与第二压电陶瓷500的一端连接。第二驱动杆820的一端安装于桥式柔性铰链第二端322。第二驱动杆820的另一端设有第二钩头821。第二钩头821与第二压电陶瓷500的另一端连接。

当第二压电陶瓷500伸长时，由于第一钩头811和第二钩头821对称分布在快刀伺服刀架300上，所以第二压电陶瓷500只受第一方向110的作用力，而不受第二方向120的作用力，避免了运动过程的耦合运动。第二压电陶瓷500在电压作用下，第二压电陶瓷500的长度增大，从而第二压电陶瓷500通过第一钩头811对第一驱动杆810施加第一拉力，第二压电陶瓷500通过第二钩头821对第二驱动杆820施加第二拉力。第一拉力的方向为从桥式柔性铰链第一端321指向桥式柔性铰链第二端322。第二拉力的方向为从桥式柔性铰链第二端322指向桥式柔性铰链第一端321。因此，桥式柔性铰链第一端321和桥式柔性铰链第二端322相向运动，从而使得桥式柔性铰链第三端323和桥式柔性铰链第四端324相互远离，带动刀具安装件600沿第二方向120做进给运动。

如此，第二压电陶瓷500在电压作用下，第二压电陶瓷500的长度增大或缩小，从而推动桥式柔性铰链第四端324沿第二方向120往复运动，从而能够实现刀具700沿第二方向120做往复运动。其中，快刀伺服刀架300为一体成型。

具体地，如图2所示，第一驱动杆810通过第三紧固件841安装到桥式柔性铰链第一端321。第二驱动杆820通过第四紧固件842安装到桥式柔性铰链第二端322。第三紧固件841和/或第四紧固件842可选为杯头螺丝。第一驱动杆810和第二驱动杆820相对设置。第一驱动杆810从第二压电陶瓷500的上部安装到桥式柔性铰链320。第二驱动杆820从第二压电陶瓷500的下部安装到桥式柔性铰链320。

具体地，如图1和图2所示，快刀伺服刀架320还包括长度相等的第一铰链杆325、第二铰链杆326、第三铰链杆327和第四铰链杆328。第一铰链杆325的一端与桥式柔性铰链第一端321连接，第一铰链杆325的另一端与桥式柔性铰链第三端323连接。第二铰链杆326的一端与桥式柔性铰链第一端321连接，第二铰链杆326的另一端与桥式柔性铰链第四端324连接。第三铰链杆327的一端与桥式柔性铰链第二端322连接，第三铰链杆327的另一端与桥式柔性铰链第三端323连接。第四铰链杆328的一端与桥式柔性铰链第二端322连接，第四铰链杆328的另一端与桥式柔性铰链第四端324连接。第一铰链杆325与第二方向120的夹角大于45度。

由于第一铰链杆325、第二铰链杆326、第三铰链杆327和第四铰链杆328长度相等，所以桥式柔性铰链320具有对称结构，能够消除位移偶合性，避免第二压电陶瓷500对刀具700产生第一方向110上的位移量。

根据桥式柔性铰链320的结构特征，桥式柔性铰链第一端321或桥式柔性铰链第二端322在第一方向110上的移动，将带动桥式柔性铰链第四端324在第二方向120上的移动。根据杠杆位移放大原理，当第一铰链杆325与第二方向120的夹角大于45度时，桥式柔性铰链第四端324在第二方向120上的移动量大于桥式柔性铰链第一端321或桥式柔性铰链第二端322在第一方向110上的移动量。比如，当第一铰链杆325与第二方向120的夹角为72度时，桥式柔性铰链第四端324的移动距离是桥式柔性铰链第一端321的移动距离的6.16倍。如此，第二压电陶瓷500通过桥式柔性铰链320实现位移放大，从而满足刀具700做高频大位移运动。

在前述实施例的基础上，如图3所示，第二压电陶瓷500的侧面与第一驱动杆810之间具有第一间隙501。第二压电陶瓷500的侧面与第二驱动杆820之间具有第二间隙502。由于第二压电陶瓷500和第一驱动杆810之间具有第一间隙501，所以第二压电陶瓷500与第一驱动杆810发生相对运动时，第二压电陶瓷500与第一驱动杆810不会产生干涉，既便于第二压电陶瓷500的安装，又避免了第二压电陶瓷500在高频运动过程与第一驱动杆810发生摩擦。同理，第二间隙502便于第二压电陶瓷500的安装，又避免了第二压电陶瓷500在高频运动过程与第二驱动杆820发生摩擦。

具体地，如图2和图3所示，第二压电陶瓷500的一端安装有压力传感器830。压力传感器830与第二压电陶瓷500的端面接触。压力传感器830用于测量第二压电陶瓷500的动态受力情况，通过D/A转化，方便工作人员对上述一种两轴联动的快刀伺服装置实现误差分析和补偿。工作人员也可通过压力传感器830获知第二压电陶瓷500的受力情况，并用于研究分析或调整第二压电陶瓷500上施加的电压。

进一步地，如图2和图3所示，第二压电陶瓷500的另一端通过第一紧固件503连接到快刀伺服刀架300。如此，第二压电陶瓷500通过第一紧固件503获得预紧力，避免第二压电陶瓷500在运动过程中发生脱落。此外，工作人员通过拧动第一紧固件503，从而能够改变第二压电陶瓷500的预紧力，预紧力进一步转化为第二压电陶瓷500的阻力电压，实现第二压电陶瓷500的无间隙运动。

在前述实施例的基础上，如图1所示，第一压电陶瓷400与第二压电陶瓷500同轴设置。由于第二压电陶瓷500是通过第一驱动杆810和第二驱动杆820对称分布在快刀伺服刀架300中间，在第一压电陶瓷400的驱动下，随着快刀伺服刀架300整体运动，故第二压电陶瓷500只承受轴向力，不承受径向力，有利于提高第二压电陶瓷500的寿命。

本发明的另一实施例中，第一压电陶瓷400与第二压电陶瓷500的中心轴可以相互垂直。比如，第一压电陶瓷400沿第一方向110设置(请参见图1)。而第二压电陶瓷500沿第二方向120设置。具体地，第二压电陶瓷500一端与快刀伺服刀架300连接，第二压电陶瓷500另一端安装有动块。动块通过柔性铰链安装到快刀伺服刀架300上。刀具安装件600安装于动块上。如此，刀具700在第一压电陶瓷400和第二压电陶瓷500的分别作用下，刀具700也能够沿第一方向110和第二方向120独立地做往复运动。

具体地，第一方向110和第二方向120垂直，刀具700在第一方向110上的运动不会影响刀具在第二方向120上的运动，刀具700能够独立地第一方向110和第二方向120上做往复运动。

具体地，如图1所示，第一柔性铰链210为圆角型柔性铰链。圆角型柔性铰链或直角型柔性铰链比双曲线型柔性铰链或抛物线型柔性铰链的刚度小、柔度大、且具有较强的应变能力。因此，上述一种两轴联动的快刀伺服装置具有高频响的特点。同理，桥式柔性铰链320可选用直角型桥式柔性铰链。

具体地，如图2所示，上述一种两轴联动的快刀伺服装置还包括L板844。L板844的横向端面安装于快刀伺服刀架300。L板844的竖向端面设有通光孔。通光孔用于测量刀具700的移动。具体地，激光通过通光孔测量刀具700的运动信号。上述一种两轴联动的快刀伺服装置根据刀具700的运动信号，获得工件加工反馈，进而控制第一压电陶瓷400或第二压电陶瓷500的施加电压，以提高加工精度。

传统的一维快刀伺服装置只能做一个自由度的匀速进给运动。上述一种两轴联动的快刀伺服装置通过两个自由度运动，可达到以下优点：第一，实现刀尖点随着曲面的变化而变化，加工时被动根据刀具圆弧位置进行计算，而补偿刀具的加工误差；第二，上述一种两轴联动的快刀伺服装置在第一方向或第二方向上的动、静刚度是依靠机械结构和做动器的输出保证的，增加第二方向为主动运动方向，可以在加工过程中闭环控制第二方向的位移，相当于增加了在第二方向的主动刚度；第三，上述一种两轴联动的快刀伺服装置能够与机床相配合，在机床的X向和Z向上做与机床的工作频率相一致的高频运动，使之可以根据刀具圆弧半径主动改变实际切削点，获得高精度的自由曲面微结构。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。