专利名称：基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置，特别涉及一种用金刚石刀具通过快刀伺服原理加工光学自由曲面的进刀装置，具体涉及基于柔性铰链放大机构和预应力薄膜的频率可调快速伺服进刀装置。属于频率可调快速伺服进刀装置的改造技术。
背景技术：
为了实现光学自由曲面的精确加工，精确、稳定的进给机构显得尤为重要，因为它与产品的质量密切相关。另外，复杂光学自由曲面由于体积小，精度高更是对进给机构提出了严格的要求。因此，性能优良的快速伺服系统就成为加工这样曲面的一个不错的选择。在快速伺服系统中，常用的驱动装置主要有四种洛伦兹力驱动器、压电装置、磁致伸缩致动器和正应力电磁驱动器。常用的导向机构有空气轴承和柔性铰链。目前，已有学者对快速 伺服系统进行了研究并取得了一些成果。比如在刀具驱动方面，采用音圈电机。音圈电机具有高频响、高精度、高加速率等特点，它的控制简单可靠，无需换向装置，寿命长，特别适合用于短行程的闭环伺服控制系统。在位移补偿方面，则采用压电驱动器。压电驱动器具有功耗低、产生力大、响应快等特点，因此是一个很好的位移补偿装置。这样，在音圈电机与压电驱动器的配合下，快速伺服刀具就能实现预期的运动。另外，虽然压电驱动器在轴线方向上能够承受很大的压应力，但拉应力剪切力及扭转力却很容易导致其发生损坏，不能直接用来驱动金刚石刀具。因此，柔性铰链广泛运用在快速伺服系统中，它能将压电驱动器的高频运动准确传递给刀具，同时能消除了加工过程中压电驱动器可能受到的非轴向力，以避免其受到破坏。现有伺服进刀装置一般通过音圈电机直接驱动长冲程柔性铰链与刀具，负载过大。若用音圈电机的伸出轴直接带动长冲程柔性铰链、刀具一起作直线运动，会使得整个切削负载太大，惯性大，影响加工精度，同时长冲程柔性铰链在蠕动变形情况下也会影响加工质量。压电驱动则位移过小，位移放大机构产生不需要的位移和频率固定的特点，难于满足光学自由曲面加工的需要。
发明内容本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种减小快速伺服刀具的惯性，易于控制好刀具的切削力，提高切削质量的基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置。本实用新型切削速度高，冲击力小，切削质量高。本实用新型的技术方案是本实用新型的基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置，包括有基座、预应力薄膜、刀具支架、旋转梁和压电驱动器，压电驱动器的一端固定在基座上，压电驱动器的另一端安装在旋转梁上，旋转梁的一端通过柔性铰链固定在基座上，旋转梁的另一端通过柔性铰链固定在刀具支架上，用于安装刀具的刀具支架与预应力薄膜连接，预应力薄膜的两端分别与基座连接，且基座、预应力薄膜、刀具支架和旋转梁为一体式结构。上述预应力薄膜设有两根，两根预应力薄膜平行设置。本实用新型由于采用压电驱动器作为驱动元。压电驱动器的一端固定在基座上，另一端固定在旋转梁上，而旋转梁的一端通过柔性铰链联接在基座上，另一端通过柔性铰链与刀具支架联接的结构。旋转梁的在压电驱动器的驱动下相对于基座做微小的旋转运动，而在旋转梁的另一端被放大适当的倍数。所以，刀具支架在柔性铰链的驱动下，在水平方向产生较大位移量，同时，两组预应力薄膜有效减小了刀具支架在垂直方向的位移。另夕卜，可以通过调节加在预应力薄膜上的预紧力来调节进刀装置固有频率。本实用新型具有如下显著的特点I)采用压电驱动器来驱动快速伺服刀具在水平方向精密进给，充分利用了压电驱动器功耗低、产生力大、响应快等优点，并通过旋转梁、刀具支架和柔性铰链组成的放大机 构将压电驱动器的位移放大。2)采用预应力薄膜对称张力作用力及刀具支架的变形来减小刀具支架在垂直方向上的位移。3)通过预应力薄膜的预紧力调节实现进刀装置结构频率的调整，满足不同伺服频率的需要。整个机构的运动部件相对较轻，具有惯性小、速度快等特点。本实用新型可以减小快速伺服刀具的惯性，易于控制好刀具的切削力，提高切削质量。本实用新型中压电驱动器通过柔性放大机构直接驱动的部件相对较轻，切削速度高，冲击力小，切削质量高。同时，该结构采用预应力薄膜来减小垂直方向的位移，并通过预应力的调整来改变进刀装置的固有频率，调节简单方便。本实用新型是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置。
图I为本实用新型的整体结构示意图；图2为本实用新型中压电驱动器工作在最大位移处时的状态图。
具体实施方式
实施例本实用新型的结构示意图如图1、2所示，本实用新型的基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置，包括有基座I、预应力薄膜2、刀具支架3、旋转梁4和压电驱动器5，压电驱动器5的一端固定在基座I上，压电驱动器5的另一端安装在旋转梁4上，旋转梁4的一端通过柔性铰链固定在基座I上，旋转梁4的另一端通过柔性铰链固定在刀具支架3上，用于安装刀具的刀具支架3与预应力薄膜2连接，预应力薄膜2的两端分别与基座I连接，且基座I、预应力薄膜2、刀具支架3和旋转梁4为一体式结构。旋转梁4上的柔性铰链直接在旋转梁4上做出。本实用新型的结构除压电驱动器5外，其余部分是一体式结构，由整块材料经过铣削和电火花加工获得。本实施例中，上述预应力薄膜2设有两根，两根预应力薄膜2平行设置。压电驱动器5变形产生的位移作用到旋转梁4上，带动旋转梁4的转动，并将放大压电驱动器5的位移，旋转梁4将放大位移传递给刀具支架3，即旋转梁4通过柔性铰链带动由两个预应力薄膜2支撑的刀具支架3运动，由于预应力薄膜2的牵制作用，刀具支架3垂直方向的运动被抑制，产生的主要运动是快刀伺服所需的水平方向的运动。另外，刀具支架3的运动振幅和频率与两组薄膜2的一阶弯曲频率相关，可以很容易通过调节加在预应力薄膜2的预紧力，从而改变快刀伺服系统的固有频率，实现固有频率的调节，以适应压电执行器不同驱动频率的需要。本实用新型的工作原理如下本实用新型进刀装置的工作次序主要包括进刀、退刀。I、进刀过程当施加电压时，压电驱动器5变长，从而推动旋转梁4绕基座I转动，同时将压电驱动器5的位移放大，并将放大位移传递给刀具支架3，刀具支架3则带动安装在其上的刀具进行进给。2、退刀过程当断电或施加反向电压，压电驱动器5反向运动，刀具支架3在预应力薄膜2的恢复力作用下向左运动，同时拉动旋转梁4反向摆回，实现退刀过程。
这样，通过改变压电驱动器5施加电压的大小和方向，可不断实现进刀、退刀。
权利要求1.一种基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置，其特征在于包括有基座(I)、预应力薄膜(2)、刀具支架(3)、旋转梁(4)和压电驱动器(5)，压电驱动器(5)的一端固定在基座(I)上，压电驱动器(5)的另一端安装在旋转梁(4)上，旋转梁(4)的一端通过柔性铰链固定在基座(I)上，旋转梁(4)的另一端通过柔性铰链固定在刀具支架(3)上，用于安装刀具的刀具支架(3)与预应力薄膜(2)连接，预应力薄膜(2)的两端分别与基座(I)连接，且基座(I)、预应力薄膜(2)、刀具支架(3)和旋转梁(4)为一体式结构。
2.根据权利要求I所述的基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置，其特征在于上述预应力薄膜(2)设有两根，两根预应力薄膜(2)平行设置。
专利摘要本实用新型是一种基于柔性铰链放大机构的频率可调快速伺服进刀装置。包括有基座(1)、预应力薄膜(2)、刀具支架(3)、旋转梁(4)和压电驱动器(5)，压电驱动器(5)的一端固定在基座(1)上，压电驱动器(5)的另一端安装在旋转梁(4)上，旋转梁(4)的一端通过柔性铰链固定在基座(1)上，旋转梁(4)的另一端通过柔性铰链固定在刀具支架(3)上，用于安装刀具的刀具支架(3)与预应力薄膜(2)连接，预应力薄膜(2)的两端分别与基座(1)连接，且基座(1)、预应力薄膜(2)、刀具支架(3)和旋转梁(4)为一体式结构。本实用新型可减小快速伺服刀具的惯性，易于控制好刀具的切削力，且切削速度高，冲击力小，切削质量高。另外，可以通过调节加在预应力薄膜上的预紧力来调节进刀装置固有频率。
文档编号B23Q5/28GK202639967SQ20122035102
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者杨志军, 陈新, 陈新度, 杨海东, 刘强, 李克天, 王晗 申请人:广东工业大学