一种超精密加工装置及检测控制系统的制作方法

本发明涉及超高精度机械加工技术领域，特别是涉及一种快刀伺服技术的加工装置及检测控制系统。

背景技术：

由于精确运动控制和测量/高精度加工刀具的进步，当前的超精度切割/研磨加工技术已经能够容易地以亚微米级以下的精度来执行加工。基于该高精度加工技术，申请号为200810188113.3的中国专利公开了一种加工装置，包括具有切割刃的加工部，被配置为使所述加工部轻微地振动的致动器，以及被配置为检测所述加工部的位移的位移传感器，其中，所述力传感器设置在切割刃和预载荷机构之间。该专利技术中力传感器检测到的力f＝f1+f2，f1为实际切削力，f2为机构惯性力(f2＝m*a，m为刀具、刀架和力传感器的质量之和，a为切削加速度)，此专利的缺点为：f值虽然接近实际切削力但仍然无法彻底消除惯性力影响，切削惯性冲击会使得机构基座相对机床滑块产生微位移，导致位移传感器测得的位移与实际切削量产生误差，从而影响切削精度。

鉴于此，需要进一步改进现有加工装置结构，消除惯性力和惯性冲击的影响，检测实际切削力并使位移传感器可以得到精确的实际切削量。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种超精密加工装置及检测控制系统，能够平衡切削过程中的惯性冲击，消除惯性冲击的影响，使位移传感器可以得到精确的实际切削量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超精密加工装置，包括：基座、加工机构、配重机构，所述加工机构与所述配重机构的质量相等、结构相同，分别设置在所述基座上并以基座的中心线为基准呈镜像对称；

所述加工机构包括第一壳体，安装在第一壳体内的第一致动器、位移传感器，安装在第一壳体侧面上的第一预载荷件，以及安装在第一预载荷件上的第一刀具，所述第一预载荷件用于向所述第一致动器施加预载荷，所述位移传感器用于检测所述第一刀具的切削位移量。

在本发明一个较佳实施例中，所述配重机构包括第二壳体，安装在第二壳体内的第二致动器、配重棒，安装在第二壳体侧面上的第二预载荷件，以及安装在第二预载荷件上的第二刀具。

在本发明一个较佳实施例中，所述基座呈t型，包括水平底板、位于水平底板中部的竖直板，所述第一壳体、第二壳体的底端分别固定在所述竖直板上。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一壳体的底端与竖直板之间还设置有第一力传感器，所述第一力传感器用于检测加工机构传递的力，所述第二壳体的底端与竖直板之间还设置有第二力传感器，所述第二力传感器用于检测配重机构传递的力。

在本发明一个较佳实施例中，所述位移传感器位于所述第一致动器内并与所述第一致动器同心装配，所述配重棒位于所述第二致动器内并与所述第二致动器同心装配。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一力传感器的中心线与第一致动器的中心线在同一直线上，所述第二力传感器的中心线与第二致动器的中心线在同一直线上。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一预载荷件、第二预载荷件均为柔性铰链。

在本发明一个较佳实施例中，所述柔性铰链内侧设有与第一致动器、第二致动器端部相匹配的限位槽。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一致动器、第二致动器均为中空圆柱形压电陶瓷致动器。

基于上述超精密加工装置，本发明还提供了一种超精密加工装置的控制系统，包括：函数发生器、pzt驱动器、锁相放大器、第一电荷放大器、第二电荷放大器、位移传感器放大器和计算机；

所述函数发生器用于产生振动频率信号，并将产生的频率信号输入锁相放大器和pzt驱动器；

所述pzt驱动器用于将频率信号转变为电压信号并同时输出至第一致动器、第二致动器驱动第一致动器、第二致动器振动；

所述第一电荷放大器与第一力传感器电连接，第一力传感器检测到的第一致动器的输出力信号经由第一电荷放大器、锁相放大器和a/d转换板向计算机输入；

所述第二电荷放大器与第二力传感器电连接，第二力传感器检测到的第二致动器的输出力信号经由第二电荷放大器、锁相放大器和a/d转换板向计算机输入；

所述位移传感器放大器与位移传感器电连接，位移传感器将检测到的第一刀具的切削位移量信号经位移传感器放大器和a/d转换板向计算机输入；

所述计算机用于对所述第一力传感器、第二力传感器、位移传感器输出的信号进行分析处理并计算出反馈信号，反馈信号通过d/a转换板输出至加法器，加法器将来自d/a转换板的输出信号与来自函数发生器的输出频率信号相加，并向pzt驱动器输入相加的信号。

本发明的有益效果是：本发明装置整体结构采用镜像对称设计，可以平衡切削过程中的惯性冲击，使结构更加稳定，由于抵消了惯性冲击，装置基座相对于机床滑块没有位移，因此位移传感器可以得到精确的实际切削进给量；

同时，对称分布的力传感器可以分别实时测量机构惯性力和切削力，二者差值即为实际切削力，由此检测控制系统可以检测实际切削力；

通过位移传感器、两个相同规格的力传感器将检测获得的相关信号输送至该加工装置的检测控制系统，使检测控制系统能够根据实际切削进给量、实际切削力控制致动器按相应的振幅振动并沿其轴向伸出或缩进，从而能够提高切削精度；

此外本装置中将力传感器置于壳体末端，力传感器的质量和体积限制可以放宽，起始量程也可以放宽。

附图说明

图1是本发明高精度加工装置的立体结构示意图；

图2是本发明高精度加工装置的爆炸图；

图3是本发明高精度加工装置的主视图；

图4是图3所示的a-a面剖视图；

图5是本发明高精度加工装置的控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参考图1，本发明包括：

一种超精密加工装置，包括：基座1、加工机构2、配重机构3，所述加工机构2与所述配重机构3的质量相等、结构相同，分别设置在所述基座1上并以基座1的中心线为基准呈镜像对称；具体地，所述基座1呈t型，包括水平底板11、位于水平底板11中部的竖直板12，所述加工机构2、配重机构3分别通过预紧螺栓20连接在竖直板12上，加工时，所述基座1放置在机床滑块上，所述配重机构3用于平衡所述加工机构2，使加工机构2在切削过程中对基座1产生的惯性冲击被抵消，从而基座1相对于机床滑块不会产生相对位移，进而使加工机构2内的位移传感器能够获得实际切削量。

继续参考图2～4，所述加工机构2包括第一壳体21，安装在第一壳体21内的第一致动器22、位移传感器23，安装在第一壳体21侧面上的第一预载荷件24，以及安装在第一预载荷件24上的第一刀具25，所述第一预载荷件24用于向所述第一致动器22施加预载荷，所述位移传感器23用于检测所述第一刀具25的切削位移量；具体地，所述第一壳体21开设有容纳第一致动器22的安装腔211，所述第一预载荷件24为柔性铰链，所述柔性铰链通过紧固螺钉10安装在所述安装腔211上，所述第一致动器22通过所述柔性铰链预紧并水平支撑在所述安装腔211内，本实施例中，所述柔性铰链内侧设有与第一致动器22端部相匹配的限位槽，所述第一致动器22的一端限位卡嵌在所述限位槽内，另一端支撑在第一壳体21内的安装腔211底部，所述位移传感器23位于所述第一致动器22内并与所述第一致动器22同心装配；所述加工机构2还包括第一力传感器26，所述第一力传感器26通过预紧螺栓20预紧限位固定在第一壳体21底端与竖直板12之间，所述第一力传感器26的中心线与第一致动器22、位移传感器23的中心线均在同一直线上，所述第一力传感器26用于检测加工机构2传递的力。

继续参考图2～4，所述配重机构3包括第二壳体31，安装在第二壳体31内的第二致动器32、配重棒33，安装在第二壳体31侧面上的第二预载荷件34，以及安装在第二预载荷件34上的第二刀具35，所述第二刀具35也可以用与第一刀具25结构相同、质量相等的配重块代替；具体地，所述第二壳体31内开设有容纳第二致动器32的安装腔311，所述第二预载荷件34为柔性铰链，所述柔性铰链通过紧固螺钉10安装在所述安装腔311上，所述第二致动器32通过所述柔性铰链预紧并水平支撑在所述安装腔311内，本实施例中，所述柔性铰链内侧设有与第二致动器32端部相匹配的限位槽，所述第二致动器32的一端限位卡嵌在所述限位槽内，另一端支撑在第二壳体31内的安装腔311底部，所述配重棒33位于所述第二致动器32内并与所述第二致动器32同心装配；所述配重机构3还包括第二力传感器36，所述第二力传感器36通过预紧螺栓20预紧限位固定在第二壳体31底端与竖直板12之间，所述第二力传感器36的中心线与第二致动器32、配重棒33的中心线均在同一直线上，所述第二力传感器36用于检测配重机构3传递的力。

本实施例中，所述第一致动器22、第二致动器32规格相同，均为中空圆柱形压电陶瓷致动器，加工时，pzt驱动器同时给所述第一致动器22、第二致动器32相同的驱动信号，由于配重机构3与加工机构2质量相等、结构相同，并相对于基座1的中心线呈镜像对称分布，即两侧对于基座1的惯性冲击相互抵消，基座1相对于机床滑块不会产生位移，从而位移传感器23测得的数据为实际切削量，第一力传感器26和第二力传感器36测得的数据之差为实际切削力值，消除了惯性力的影响。

继续参考图5，所述超精密加工装置还包括控制系统4，所述控制系统4包括：函数发生器、pzt驱动器、锁相放大器、第一电荷放大器、第二电荷放大器、位移传感器放大器和计算机；

所述函数发生器产生用于使第一致动器22、第二致动器32以轻微振幅振动的正弦波信号，将产生的正弦波信号输入锁相放大器和pzt驱动器；基于函数发生器输入的正弦波信号，pzt驱动器产生用于使第一致动器22、第二致动器32以轻微振幅振动的驱动信号并将驱动信号输入第一致动器22、第二致动器32，致使第一致动器22、第二致动器32以相同的轻微振幅振动分别沿着轴向向两端伸长，此时第一力传感器26采集到加工机构2的输出力记作f1，第二力传感器36采集到的配重机构3输出的力记作f2，f1-f2即为实际切削力f；

锁相放大器连接至函数发生器、第一电荷放大器、第二电荷放大器，锁相放大器经由第一电荷放大器检测第一力传感器26的输出、并放大具有与函数发生器输入的正弦波相同频率的输出信号，经由a/d转换板向计算机输入第一力传感器的放大输出信号；相应的，锁相放大器经由第二电荷放大器检测第二力传感器36的输出、并放大具有与函数发生器输入的正弦波相同频率的输出信号，经由a/d转换板向计算机输入第二力传感器的放大输出信号；

a/d转换板附接至计算机并连接至锁相放大器和位移传感器放大器，a/d转换板将由锁相放大器放大的第一力传感器26的输出信号、第二力传感器36的输出信号和由位移传感器放大器放大的位移传感器23的输出信号从模拟信号转换为数字信号，并将经过转换的信号传输到计算机；

计算机具有预定的内置计算单元和存储器，并且能够基于第一力传感器26的输出信号、第二力传感器36的输出信号和位移传感器23的输出信号来执行多种分析并生成反馈信号，反馈信号通过d/a转换板输出至加法器，加法器将来自d/a转换板的输出信号与来自函数发生器的输出频率信号相加，并向pzt驱动器输入相加的信号；具体地，所述计算单元根据第一力传感器26的输出信号、第二力传感器36的输出信号和位移传感器23的输出信号计算得出第一刀具25的当前切削力、切削量，基于当前切削力、切削量与目标切削力、切削量的比值，计算获得使pzt驱动器输入第一致动器22、第二致动器32的反馈信号；

d/a转换板将从计算机传输的数字反馈信号转变为模拟信号，并向加法器输入该信号，加法器将来自d/a转换板的输出信号与来自函数发生器的输出信号相加，并向pzt驱动器输入相加的信号，使pzt驱动器驱动第一致动器22、第二致动器32按目标切削量、切削力以相应的振幅振动并沿其轴向伸展或缩进。

综上所述，本发明装置整体采取对称设计，可以平衡切削过程中的惯性冲击，使得机构更加稳定；由于抵消了惯性冲击，装置基座相对机床滑块没有位移，因此位移传感器可以得到精确的实际切削进给量；称放置两个同规格力传感器，可通过计算消除惯性力的影响，得到实际切削力；将力传感器置于机构末端，力传感器的质量和体积限制可以放宽，起始量程也可以放宽。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。