CN107009194A - 一种快速刀具伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速刀具伺服装置，包括柔性位移放大器及柔性位移补偿器，柔性位移放大器及柔性位移补偿器均包括固定底座及通过柔性铰链与杠杆组相互连接的输入平台及输出平台，输入平台均用于连接位移输入机构；柔性位移补偿器设置有一对输入方向相互垂直的输入平台，输出平台设置于两个输入平台输入轴线的交汇处；柔性位移放大器及柔性位移补偿器的固定底座相互垂直设置，柔性位移放大器的固定底座与性位移补偿器的输出平台垂直安装固定，柔性位移放大器的输出平台上安装固定有刀具座。其在整个立体空间内向各个方向实现位移的补偿及放大，该设计精度高，可控性好满足形状复杂、变形度较大的曲面加工的要求。

Description

一种快速刀具伺服装置

技术领域

本发明涉及精密加工设备技术领域，更具体地说，涉及一种快速刀具伺服装置。

背景技术

自由曲面类型光学元件的加工制造是现代科技的全新技术，相比于传统光学元件，自由曲面光学元件具有改善光学性能、优化产品结构、实现轻量化等显著优点。自由曲面光学元件的应用领域逐步扩大，不仅包括航空、航天、国防、军事等核心技术领域，同时也涉及到普通民用、办公等日常生活方面。如在医疗设备、3D扫描、红外夜视等领域。

快速刀具伺服(Fast Tool Servo，简称FTS)技术以其高效率、高精度、低成本和柔性好的优点，被普遍认为是一种最有发展前途的光学自由曲面创成方法。快速刀具伺服自身会提供一套独立于数控车床之外的可实现快速往复运动的系统来实现超精密车削加工。

然而，经研究发现，目前的FTS装置来说，存在着明显的不足，这种不足表现在：传统的FTS在车削过程中由于进给运动完全由机械运动机构实现，柔性较差，累积误差大。专用机床的特点是一种机床只能加工同一类型的零件，因此加工成本高，加工效率低。不能实现多自由度的位移误差补偿，难以保证其他方向上的刚度。刀具的工作空间狭小，对于形状复杂、变形度较大的曲面加工，很难满足其加工要求。

综上所述，如何有效地解决现有的快速刀具伺服加工成本高、误差积累大等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速刀具伺服装置，该快速刀具伺服装置的结构设计可以有效地解决现有的快速刀具伺服加工成本高、误差积累大等的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种快速刀具伺服装置，包括柔性位移放大器及柔性位移补偿器，所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器均包括固定底座及通过柔性铰链与杠杆组相互连接的输入平台及输出平台，所述输入平台均用于连接位移输入机构；

所述柔性位移补偿器设置有一对输入方向相互垂直的输入平台，所述输出平台设置于两个所述输入平台输入轴线的交汇处；

所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器的固定底座相互垂直设置，所述柔性位移放大器的固定底座与所述性位移补偿器的输出平台垂直安装固定，所述柔性位移放大器的输出平台上安装固定有刀具座。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器的输出平台，在同一输入轴线的其中一个方向的柔性铰链及连杆组件构成的一组补偿单元，相邻所述补偿单元之间呈直角夹角设置，每组所述补偿单元内的连杆组件及柔性铰链的数量、结构和连接方式均一致。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器的固定底座呈正方框结构，正方框结构的每条边框的中心位置设置有一组所述补偿单元；其输出平台通过四组所述补偿单元连接于所述正方框结构的中心。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，每组所述补偿单元包括一对与固定底座的对应边框连接的横杆，所述横杆另一侧均通过连杆及柔性铰链与顶杆连接，所述顶杆的外侧通过并列的三组柔性铰链与所述输出平台连接，所述顶杆的内侧用于与所述位移输入机构的输入端连接。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移放大器设置有U型的输入平台，所述位移输入机构的输出端与U型结构的凹陷处连接；所述U型的输入平台的两侧均对称分布有两组垂直于位移输入方向的杠杆，相邻所述杠杆之间、及与所述固定底座之间通过连杆及柔性铰链连接。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移放大器的输出平台的两侧均对称的设置有两组连杆，通过所述连杆及柔性铰链与所述固定底座连接。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述位移输入机构为一端与对应的固定底座安装固定的压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器的输出端顶紧对应的所述输入平台。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，还包括用于容纳所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器的封闭的装置箱体，所述刀具座从所述装置箱体上设置的开口伸出。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器的固定底座贴合所述装置箱体的其中一个侧板的内面安装固定，所述柔性位移放大器一侧顶紧所述柔性位移补偿器，另一侧顶紧所述装置箱体开口所在的侧板的内面。

优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述刀具座与所述开口之间设置有填充所述开口、对所述刀具座支撑限位的支撑块。

本发明提供的快速刀具伺服装置，包括柔性位移放大器及柔性位移补偿器，所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器均包括固定底座及通过柔性铰链与杠杆组相互连接的输入平台及输出平台，所述输入平台均用于连接位移输入机构；所述柔性位移补偿器设置有一对输入方向相互垂直的输入平台，所述输出平台设置于两个所述输入平台输入轴线的交汇处；所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器的固定底座相互垂直设置，所述柔性位移放大器的固定底座与所述性位移补偿器的输出平台垂直安装固定，所述柔性位移放大器的输出平台上安装固定有刀具座。

采用本发明提供的这种快速刀具伺服装置，由于设置了空间方向相互垂直的柔性位移补偿器及柔性位移放大器，通过柔性铰链配合杠杆的方式实现位移的补偿放大，该设计能够准确的实现位移的放大及补偿，能够精确的实现确定倍数的位移输出；并且由于柔性位移补偿平台设置了在其固定底座的平面内相互垂直的两个作用方向的柔性补偿机构，并将其输出平台垂直连接了柔性位移放大器的固定底座，而其输出平台与刀具座连接，因此能够令数控机床的工作刀具，在整个立体空间内向各个方向实现位移的补偿及放大，该设计精度高，可控性好能够实现多自由度的位移误差补偿，保证其他方向上的刚度，因此具有了满足形状复杂、变形度较大的曲面加工的可能，也因此能够满足多种不同类型的零件的加工，有效地解决了现有的快速刀具伺服加工成本高、误差积累大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的内部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的柔性位移补偿器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的截面结构示意图。

附图中标记如下：

柔性位移放大器1、柔性位移补偿器2、固定底座3、输入平台4、输出平台5、支撑块6、刀具座7、杠杆8、连杆9、柔性铰链10、位移输入机构11、横杆12、顶杆13、补偿单元14、装置箱体15。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种快速刀具伺服装置，以解决现有的快速刀具伺服加工成本高、误差积累大的技术问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，图1为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的内部结构示意图；图2为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的柔性位移补偿器的结构示意图；图3为本发明实施例提供的快速刀具伺服装置的截面结构示意图。

本发明提供的快速刀具伺服装置，包括柔性位移放大器1及柔性位移补偿器2，所述柔性位移放大器1及柔性位移补偿器2均包括固定底座3及通过柔性铰链10与杠杆8组相互连接的输入平台4及输出平台5，所述输入平台4均用于连接位移输入机构11；

所述柔性位移补偿器2设置有一对输入方向相互垂直的输入平台4，所述输出平台5设置于两个所述输入平台4输入轴线的交汇处；

所述柔性位移放大器1及柔性位移补偿器2的固定底座3相互垂直设置，所述柔性位移放大器1的固定底座3与所述性位移补偿器的输出平台5垂直安装固定，所述柔性位移放大器1的输出平台5上安装固定有刀具座7。

采用本发明提供的这种快速刀具伺服装置，由于设置了空间方向相互垂直的柔性位移补偿器及柔性位移放大器，通过柔性铰链配合杠杆的方式实现位移的补偿放大，该设计能够准确的实现位移的放大及补偿，能够精确的实现确定倍数的位移输出；并且由于柔性位移补偿平台设置了在其固定底座的平面内相互垂直的两个作用方向的柔性补偿机构，并将其输出平台垂直连接了柔性位移放大器的固定底座，而其输出平台与刀具座连接，因此能够令数控机床的工作刀具，在整个立体空间内向各个方向实现位移的补偿及放大，该设计精度高，可控性好能够实现多自由度的位移误差补偿，保证其他方向上的刚度，因此具有了满足形状复杂、变形度较大的曲面加工的可能，也因此能够满足多种不同类型的零件的加工，有效地解决了现有的快速刀具伺服加工成本高、误差积累大的技术问题。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器2的输出平台5，在同一输入轴线的其中一个方向的柔性铰链10及连杆9组件构成的一组补偿单元14，相邻所述补偿单元14之间呈直角夹角设置，每组所述补偿单元14内的连杆9组件及柔性铰链10的数量、结构和连接方式均一致。

本实施例提供的技术方案中，进一步优化了柔性位移补偿器的设计，其采用对称的设计，在每个位移输出方向的两侧均对称设置有一组相同结构的补偿单元，且补偿单元均包括相同数量设置方式一致的连杆组件及柔性铰链，当其中一个方向输入位移时，如输入X方向的位移时，输出平台5的两侧在Y轴的正反两侧设置的补偿单元能够提供对称的运动补偿，可以防止由于一端位移输入导致在与其垂直的方向发生偏移，有效保证当输出回程较大时位移输出方向的准确性。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器2的固定底座3呈正方框结构，正方框结构的每条边框的中心位置设置有一组所述补偿单元14；其输出平台5通过四组所述补偿单元14连接于所述正方框结构的中心。

本实施例提供的技术方案中，柔性位移补偿器的固定底座呈正方框结构，正方框结构的每条边框的中心位置设置有一组所述补偿单元，且输出平台位于方框结构的中心处，有效保证了位移补偿单元在空间上的对称性。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，每组所述补偿单元14包括一对与固定底座3的对应边框连接的横杆12，所述横杆12另一侧均通过连杆9及柔性铰链10与顶杆13连接，所述顶杆13的外侧通过并列的三组柔性铰链10与所述输出平台5连接，所述顶杆13的内侧用于与所述位移输入机构11的输入端连接。

本实施例提供的技术方案中，设置横杆及顶杆的结构并将其两侧对称的与固定底座连接，另一侧通过均匀设置的三组柔性铰链及平台连接，保证了上述实施例中所提到的输出位移的方向的准确性，防止在垂直位移的方向上发生偏移。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移放大器1设置有U型的输入平台4，所述位移输入机构11的输出端与U型结构的凹陷处连接；所述U型的输入平台的两侧均对称分布有两组垂直于位移输入方向的杠杆8，相邻所述杠杆8之间、及与所述固定底座3之间通过连杆9及柔性铰链10连接。

本实施例提供的技术方案中，通过柔性位移放大器中位移输出机构直接连接U型的输入平台的凹陷处保证了输入阶段位移的输入准确不偏移，通过对称设置的连杆杠杆及柔性铰链结构有效实现了位移的准确补偿及可控的放大。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移放大器1的输出平台5的两侧均对称的设置有两组连杆9，通过所述连杆9及柔性铰链10与所述固定底座3连接。

本实施例提供的技术方案中，在柔性位移放大器的输出平台的两侧对称的设置两组连杆，并通过其与固定底座连接，有效平衡了由于输入方向的位移输入可能导致的输出端发生了横向偏移，保证了位移输出方向的准确。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述位移输入机构11为一端与对应的固定底座3安装固定的压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器的输出端顶紧对应的所述输入平台4。

本实施例提供的技术方案中，采用压电陶瓷驱动器作为位移输入机构，其通过压电位移的转化原理，保证了通过电源输入控制能够实现输出位移精准，控制容易输出精确。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，还包括用于容纳所述柔性位移放大器1及柔性位移补偿器2的封闭的装置箱体15，所述刀具座7从所述装置箱体15上设置的开口伸出。

本实施例提供的技术方案中，采用封闭的装置箱体，通过这种结构有效地保护内部设置的位移补偿及放大元件，防止磕碰损坏造成的位移输出偏差，同理的可将电控部件设置其中，同样可以起到有效地保护作用。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述柔性位移补偿器2的固定底座3贴合所述装置箱体15的其中一个侧板的内面安装固定，所述柔性位移放大器1一侧顶紧所述柔性位移补偿器2，另一侧顶紧所述装置箱体15开口所在的侧板的内面。

本实施例提供的技术方案中，通过这种柔性位移补偿器及柔性位移放大器的设计有效地保证了内部装置相对于装置箱体之间具有有效地连接固定，在使用时，直接将装置箱体与刀具伺服装置的对应安装位置固定即可。

为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述快速刀具伺服装置中，所述刀具座7与所述开口之间设置有填充所述开口、对所述刀具座7支撑限位的支撑块6。

本实施例提供的技术方案中，在装置箱体的开口位置设置配合的支撑块，通过支撑块的结构，将刀具座与装置箱体之间形成一定的限位关系，对其平移方向的垂直方向施加有效地限位，防止由于输出位移放大的端部结构较长时，容易出现杆件的变形造成刀具输出位置的不稳定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种快速刀具伺服装置，其特征在于，包括柔性位移放大器及柔性位移补偿器，所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器均包括固定底座及通过柔性铰链与杠杆组相互连接的输入平台及输出平台，所述输入平台均用于连接位移输入机构；

所述柔性位移补偿器设置有一对输入方向相互垂直的输入平台，所述输出平台设置于两个所述输入平台输入轴线的交汇处；

所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器的固定底座相互垂直设置，所述柔性位移放大器的固定底座与所述性位移补偿器的输出平台垂直安装固定，所述柔性位移放大器的输出平台上安装固定有刀具座。

2.根据权利要求1所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性位移补偿器的输出平台，在同一输入轴线的其中一个方向的柔性铰链及连杆组件构成的一组补偿单元，相邻所述补偿单元之间呈直角夹角设置，每组所述补偿单元内的连杆组件及柔性铰链的数量、结构和连接方式均一致。

3.根据权利要求2所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性位移补偿器的固定底座呈正方框结构，正方框结构的每条边框的中心位置设置有一组所述补偿单元；其输出平台通过四组所述补偿单元连接于所述正方框结构的中心。

4.根据权利要求3所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，每组所述补偿单元包括一对与固定底座的对应边框连接的横杆，所述横杆另一侧均通过连杆及柔性铰链与顶杆连接，所述顶杆的外侧通过并列的三组柔性铰链与所述输出平台连接，所述顶杆的内侧用于与所述位移输入机构的输入端连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性位移放大器设置有U型的输入平台，所述位移输入机构的输出端与U型结构的凹陷处连接；所述U型的输入平台的两侧均对称分布有两组垂直于位移输入方向的杠杆，相邻所述杠杆之间、及与所述固定底座之间通过连杆及柔性铰链连接。

6.根据权利要求5所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性位移放大器的输出平台的两侧均对称的设置有两组连杆，通过所述连杆及柔性铰链与所述固定底座连接。

7.根据权利要求6所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述位移输入机构为一端与对应的固定底座安装固定的压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器的输出端顶紧对应的所述输入平台。

8.根据权利要求5所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，还包括用于容纳所述柔性位移放大器及柔性位移补偿器的封闭的装置箱体，所述刀具座从所述装置箱体上设置的开口伸出。

9.根据权利要求8所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性位移补偿器的固定底座贴合所述装置箱体的其中一个侧板的内面安装固定，所述柔性位移放大器一侧顶紧所述柔性位移补偿器，另一侧顶紧所述装置箱体开口所在的侧板的内面。

10.根据权利要求9所述的快速刀具伺服装置，其特征在于，所述刀具座与所述开口之间设置有填充所述开口、对所述刀具座支撑限位的支撑块。