基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置及方法与流程

本发明属于超精密加工设备技术领域，具体涉及一种基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置及其刚度自适应方法。

背景技术：

近年来随着光电子学的发展，光学元件在航天、军事、医学、通讯等一系列科技领域中起到了关键甚至决定性的作用，非回转对称光学曲面元件已成为用于光电不可替代的关键零部件。传统的加工越来越不能满足加工需求，很多新兴的加工方法也存在着很大的局限性，因此，快速刀具伺服(fts)技术用于复杂非对称自由曲面零件上的优越性越来越明显。

刚度是衡量装置在外力作用下抵抗变形能力的大小，刚度包括静态刚度和动态刚度。非对称自由曲面加工中切削深度的变化使得切削力也是不均匀的。切削力由静态力和动态力组成，静态力只影响工件的大小，而动态力则直接影响工件的形状。如果快速刀具伺服装置的刚度很低，切削过程的“误差复映”效应就非常严重，会大大降低加工精度，甚至会造成切削颤振，影响到整个切削过程的稳定性。

现有的刚度可调快速刀具伺服装置大多是通过压紧弹簧来实现刚度手动调节，在调节过程中受人为因素影响大，并且无法实现实时调节刚度，无法满足现代化快速刀具伺服装置的动态要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置及其刚度自适应方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置，包括刀架固定件、金刚石刀具、刀座、线圈、压力传感器、位移输出件、传感器固定件、电容位移传感器、柱形压电陶瓷促动器、框架、磁流变弹体安装件、调节螺栓、磁流变弹体和螺钉。所述的框架包括一体成型的框架前梁、框架横梁、框架后梁和倒圆直梁型柔性铰链；两根框架横梁的一端与框架后梁两端分别连接，两根框架横梁的另一端均通过间距设置的两个倒圆直梁型柔性铰链与框架前梁连接；四个倒圆直梁型柔性铰链阵列排布在框架前梁两侧；所述的倒圆直梁型柔性铰链包括直梁和一体成型且设置在直梁两端的两根柔性连接梁；两根柔性连接梁分别连接框架前梁和对应测的框架横梁；直梁、框架横梁和框架前梁与柔性连接梁的连接处倒有圆角。框架后梁、框架前梁、两根框架横梁和靠近框架后梁的两个倒圆直梁型柔性铰链合围成促动器安放腔；框架后梁开设有中心螺纹孔和对称位于中心螺纹孔两侧的两个连接螺纹孔。所述的刀座固定在框架前梁前端，金刚石刀具通过刀架固定件固定在刀座上。所述的框架前梁开设有线圈安放口，线圈通过胶粘固定在线圈安放口中。所述的压力传感器固定在框架前梁后端；所述的柱形压电陶瓷促动器设置在促动器安放腔内，并位于压力传感器与框架后梁之间；柱形压电陶瓷促动器与框架前梁同轴设置；所述的磁流变弹体安装件开设有磁流变弹体安放槽，且在磁流变弹体安放槽中心处设有一体成型的限位块；所述的限位块开设有中心通孔；磁流变弹体安装件还开设有关于中心通孔对称的两个连接通孔；所述的磁流变弹体放置在磁流变弹体安装件的磁流变弹体安放槽中，并套置在限位块上；磁流变弹体安装件的每个连接通孔与框架后梁对应的一个连接螺纹孔通过螺钉连接；调节螺栓穿过磁流变弹体安装件的中心通孔，并与框架后梁的中心螺纹孔连接；柱形压电陶瓷促动器两端分别由压力传感器和调节螺栓的尾部限位；传感器固定件固定在框架横梁上，电容位移传感器固定在传感器固定件上；位移输出件一端固定在框架前梁上，另一端正对电容位移传感器的测头。压力传感器、电容位移传感器和柱形压电陶瓷促动器的信号输出端均与控制器连接；线圈的供电源的信号输入端与控制器连接。

所述框架的加工过程如下：首先，通过线切割在块状不锈钢上切割出促动器安放腔和四个倒圆直梁型柔性铰链，从而形成框架前梁、框架后梁和两根框架横梁；然后，在框架后梁上攻丝形成中心螺纹孔和两个连接螺纹孔。

所述的柱形压电陶瓷促动器换成音圈电机。

该基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度自适应方法，具体如下：

1)将柱形压电陶瓷促动器的刚度kpzt预先存储到控制器中，通过调节螺栓调节柱形压电陶瓷促动器的预紧力。

2)柱形压电陶瓷促动器输入位移，压力传感器测得金刚石刀具在加工过程中受到沿柱形压电陶瓷促动器轴向的切削力fy，电容位移传感器测得金刚石刀具沿柱形压电陶瓷促动器轴线方向的输出位移lmech；控制器读取fy、lmech和柱形压电陶瓷促动器的输入位移lpzt，并通过(1)式和(2)式计算出整个基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度kmech以及金刚石刀具沿柱形压电陶瓷促动器轴向的切削变形误差δy。

3)当切削变形误差δy超过预设值时，控制器输出控制信号增大线圈的通电电流大小，增大磁场强度，从而增加磁流变弹体的刚度，整个基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度变大，直到切削变形误差δy等于预设值的95％时，保持线圈的通电电流不变；当切削变形误差δy低于预设值的80％时，控制器输出控制信号减小线圈的通电电流大小，直到切削变形误差δy等于预设值的95％时，保持线圈的通电电流不变。

本发明具有的有益效果：

1、本发明利用磁流变弹体在磁场激励下刚度变化这一特性，通过压力传感器和电容位移传感器测得快速刀具伺服装置在加工过程的切削力大小和实际输出位移，计算出切削变形误差来控制线圈的通电电流大小，进而改变磁场强度，从而控制磁流变弹体的刚度，实现整个装置的刚度自适应在线调节。

2、本发明的框架前梁为双平行四杆机构的连接件，且柱形压电陶瓷促动器与框架前梁同轴设置，因此，通过调节螺栓调节柱形压电陶瓷促动器的预紧力时或者柱形压电陶瓷促动器输入位移时，均可以有效防止刀座在垂直柱形压电陶瓷促动器轴线方向的位移偏差，提高金刚石刀具沿柱形压电陶瓷促动器轴线方向输出位移的线性度，从而提高整个装置的精度。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明中磁流变弹体与磁流变弹体安装件的装配示意图；

图3是本发明中磁流变弹体安装件的立体图；

图4是本发明中框架的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

如图1和4所示，基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置，包括刀架固定件1、金刚石刀具2、刀座3、线圈5、压力传感器6、位移输出件7、传感器固定件8、电容位移传感器9、柱形压电陶瓷促动器10、框架11、磁流变弹体安装件12、调节螺栓13、磁流变弹体14和螺钉15。框架11包括一体成型的框架前梁11-1、框架横梁11-2、框架后梁11-3和倒圆直梁型柔性铰链4；两根框架横梁11-2的一端与框架后梁11-3两端分别连接，两根框架横梁11-2的另一端均通过间距设置的两个倒圆直梁型柔性铰链4与框架前梁11-1连接；四个倒圆直梁型柔性铰链4阵列排布在框架前梁11-1两侧；倒圆直梁型柔性铰链4包括直梁和一体成型且设置在直梁两端的两根柔性连接梁；两根柔性连接梁分别连接框架前梁11-1和对应测的框架横梁11-2；直梁、框架横梁11-2和框架前梁11-1与柔性连接梁的连接处倒有圆角。框架后梁11-3、框架前梁11-1、两根框架横梁11-2和靠近框架后梁11-3的两个倒圆直梁型柔性铰链4合围成促动器安放腔；框架后梁11-3开设有中心螺纹孔和对称位于中心螺纹孔两侧的两个连接螺纹孔。框架11的加工过程如下：首先，通过线切割在块状304不锈钢上切割出促动器安放腔和四个倒圆直梁型柔性铰链4，从而形成框架前梁11-1、框架后梁11-3和两根框架横梁11-2；然后，在框架后梁11-3上攻丝形成中心螺纹孔和两个连接螺纹孔。刀座3固定在框架前梁11-1前端，金刚石刀具2通过刀架固定件1固定在刀座3上。框架前梁11-1开设有线圈安放口，线圈5通过胶粘固定在线圈安放口中。压力传感器6固定在框架前梁11-1后端；柱形压电陶瓷促动器10设置在促动器安放腔内，并位于压力传感器6与框架后梁11-3之间；柱形压电陶瓷促动器10与框架前梁11-1同轴设置；如图2和3所示，磁流变弹体安装件12开设有磁流变弹体安放槽，且在磁流变弹体安放槽中心处设有一体成型的限位块；限位块开设有中心通孔；磁流变弹体安装件12还开设有关于中心通孔对称的两个连接通孔；磁流变弹体14放置在磁流变弹体安装件12的磁流变弹体安放槽中，并套置在限位块上；磁流变弹体安装件12的每个连接通孔与框架后梁11-3对应的一个连接螺纹孔通过螺钉15连接；调节螺栓13穿过磁流变弹体安装件12的中心通孔，并与框架后梁11-3的中心螺纹孔连接；柱形压电陶瓷促动器10两端分别由压力传感器6和调节螺栓13的尾部限位；通过调节螺栓13可以调节柱形压电陶瓷促动器10的预紧力。传感器固定件8固定在框架横梁10-2上，电容位移传感器9固定在传感器固定件8上；位移输出件7一端固定在框架前梁11-1上，另一端正对电容位移传感器9的测头。压力传感器6、电容位移传感器9和柱形压电陶瓷促动器的信号输出端均与控制器连接；线圈5的供电源信号输入端与控制器连接。

柱形压电陶瓷促动器10可以换成音圈电机作为驱动器。

该基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度自适应方法，具体如下：

1)将柱形压电陶瓷促动器的刚度kpzt预先存储到控制器中，通过调节螺栓13调节柱形压电陶瓷促动器10的预紧力。

2)柱形压电陶瓷促动器10输入位移，压力传感器6测得金刚石刀具2在加工过程中受到沿柱形压电陶瓷促动器轴向的切削力fy，电容位移传感器9测得金刚石刀具2沿柱形压电陶瓷促动器10轴线方向的输出位移lmech；控制器读取fy、lmech和柱形压电陶瓷促动器的输入位移lpzt，并通过(1)式和(2)式计算出整个基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度kmech以及金刚石刀具2沿柱形压电陶瓷促动器轴向的切削变形误差δy。

3)当切削变形误差δy超过预设值时，即系统刚度不够时，为了减小误差复映对加工精度的影响，控制器输出控制信号增大线圈5的通电电流大小，增大磁场强度，从而增加磁流变弹体的刚度。磁流变弹体和框架与磁流变弹体安装件12的组件可以等效成两个弹簧并联，磁流变弹体的刚度变大，导致整个基于磁流变弹体的刚度自适应快速刀具伺服装置的刚度变大，直到切削变形误差δy等于预设值的95％时，保持线圈5的通电电流不变；当切削变形误差δy低于预设值的80％时，即系统刚度有很大余量时(由(1)式可知，lmech与kmech成反比，即kmech变大，lmech变小，因此，系统刚度余量过大，只会缩小金刚石刀具2沿柱形压电陶瓷促动器10轴线方向的最大行程，可见，kmech并不是越大越好)，控制器输出控制信号减小线圈5的通电电流大小，直到切削变形误差δy等于预设值的95％时，保持线圈5的通电电流不变。上述过程实现了整个装置的刚度自适应调节。

本发明中由于四个倒圆直梁型柔性铰链4阵列排布在框架前梁11-1两侧，同侧的两个倒圆直梁型柔性铰链4与框架前梁11-1以及对应侧框架横梁11-2形成一个平行四杆机构，从而框架前梁11-1为双平行四杆机构的连接件，且柱形压电陶瓷促动器10与框架前梁11-1同轴设置，因此，通过调节螺栓13调节柱形压电陶瓷促动器10的预紧力时或者柱形压电陶瓷促动器10输入位移时，均可以有效防止刀座3在垂直柱形压电陶瓷促动器10轴线方向的位移偏差，提高金刚石刀具2沿柱形压电陶瓷促动器10轴线方向输出位移的线性度，从而提高整个装置的精度。