CN108747536A - 一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，包括固定框架、刀具连接块、柔性导向机构、驱动机构及切削刀具；固定框架内安装有水平设置的刀具连接块，刀具连接块的一端连接切削刀具，另一端连接驱动装置；在刀具连接块的上下两侧设有柔性导向机构，柔性导向机构一端与刀具连接块固定连接，另一端通过柔性铰链与固定框架连接，柔性导向机构相对于刀具连接块块上下对称布置；在刀具连接块的中心设有一个通孔，销轴穿过该通孔后在销轴的两端对称的安装一组对称凸轮，每组对称凸轮最外圈与柔性铰链相切接触，所述的销轴在外力作用下带动所述的凸轮旋转，凸轮旋转对刀具连接块两侧柔性板簧施加相同大小应力，实现对导向机构的同步刚度调节。
Description
技术领域
本发明涉及快刀伺服系统，尤其涉及一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统。
背景技术
快刀伺服系统是非圆数控车削和非轴对称车削中的关键技术，用于加工分别在机械工业和光电产业中得到广泛应用的非圆截面零件和非轴对称(即非旋转对称)光学零件。在车削过程中，主轴带动工件旋转，刀具在快刀伺服系统的带动下，以与主轴转速相关联的频率沿工件径向(对非圆数控车削)或轴向(对非轴对称车削)做往复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓或分轴对称端面。目前广泛应用的快刀伺服系统，导向机构多采用柔性机构，系统的刚度在设计时给定，不可自动调节。在实际设计制造中，由于制造误差、设计仿真的不确定性等因素，刚度不可调节的柔性机构常常无法满足实际的精度和动态特性要求。
中国发明专利CN102528522A公布了一种刚度可调节的快刀伺服器，该快刀伺服器通过手动旋转弹簧套筒来对两侧柔性板簧的施加应力，进而调节快刀伺服器的刚度。在刚度调节过程中需要单独调节两侧的套筒，无法对两侧对称的板簧板簧结构施加相同大小的应力，从而使两侧结构刚度不对称，影响快刀伺服系统工作的精密性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，能够将应力对称施加在两侧的对称布置的板簧结构上，同步调节两侧柔性板簧导向结构的刚度，使快刀伺服系统两侧导向机构刚度同步调节，保证系统的运动精度。
本发明采用下述技术方案：
一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，包括固定框架、刀具连接块、柔性导向机构、驱动机构及切削刀具；
所述的固定框架内安装有水平设置的刀具连接块，刀具连接块的一端连接切削刀具，另一端连接驱动装置；在刀具连接块的上下两侧设有柔性导向机构，柔性导向机构一端与刀具连接块固定连接，另一端通过柔性铰链与固定框架连接，柔性导向机构相对于刀具连接块块上下对称布置；在所述的刀具连接块的中心设有一个通孔，销轴穿过该通孔后在销轴的两端对称的安装一组对称凸轮，每组对称凸轮最外圈与柔性铰链相切接触，所述的销轴在外力作用下带动所述的凸轮旋转，凸轮旋转对刀具连接块两侧柔性板簧施加相同大小应力，实现对导向机构的同步刚度调节。
进一步的，所述固定框架、刀具连接块和柔性导向机构为一体式结构，通过一块金属板切割而成。
进一步的，所述的柔性导向机构为柔性板簧结构，柔性板簧一端与刀具连接块连接，另一端与固定框架连接，对称布置在刀具连接块两侧。
进一步的，在所述框架连接柔性板簧处切割出柔性铰链，用以实现对柔性板簧施加应力；所述切削刀具固定安装在刀具连接块上。
进一步的，所述的销轴的两端各穿过一个固定支架与一个调整连杆相连，所述的调整连杆与施力装置相连；固定支架位于刀具连接块的两侧，固定支架安装在固定框架上；
进一步的，所述对称凸轮为中心对称结构，对称凸轮两端和整体支架切割出柔性铰链处相切接触，旋转对称凸轮即可对柔性导向机构的两侧柔性板簧施加相同大小应力，实现对导向机构的同步刚度调节。
进一步的，所述施力装置为花篮螺栓结构，旋转螺栓可实现螺栓的伸长或缩短。
进一步的，所述花篮调节螺栓一端安装在位于固定框架顶部的螺栓基座上，另一端与调整连杆相连，调整连杆与销轴连接。旋转螺栓即可拉动调整连杆，进而带动销轴和对称凸轮旋转，从而对柔性机构施加应力。所述螺栓基座安装在固定框架上。
进一步的，所述的花篮调节螺栓设置在固定框架顶部，花篮调节螺栓的轴线所在的方向与切削刀具来回运动的方向一致。
进一步的，所述驱动机构可采用音圈电机或压电陶瓷，固定安装在固定框架上，驱动刀具连接块做指定往复运动。
进一步的，还包括位置检测装置，所述的位置检测装置包括光栅尺和光栅尺调整块，光栅尺安装在固定支架上；位置检测机构可实现对系统输出位移的检测。
具体的使用方法如下：
首先，通过转动花篮螺栓，经调整连杆调节对称凸轮的转动角度，进而同时改变两侧弹性板簧的张紧程度，并保证上下弹性板簧受力一致。然后，通过与刀具连接的音圈电机和作为反馈器件的光栅尺，构成闭环控制回路驱动刀具连接块进行精密伺服运动，最终实现一种刚度可调的快刀伺服系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.采用凸轮机构张紧弹性板簧的方式，其保证上下两侧弹性板簧的张紧程度一致，易于调整控制，减少了因上下弹性板簧张紧程度不一致带来的刀架上下偏移，提高了快刀伺服系统的加工精度。
2.采用音圈电机或压电陶瓷驱动器驱动的方式，其输出力和输入电流具有非常好的线性关系，易于控制，减少了中间环节带来的累计误差，系统定位精度高、驱动力大和行程超长，同时保证系统运动较高的加速度和速度。
3.采用弹性板簧结构作为快刀伺服系统导向机构的方式，其具有高精度、无摩擦、免润滑和免装配的特点，非常适合作为微纳领域中的定位导向机构。
4.系统结构简单、易加工、制造成本低、互换性高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体结构爆炸示意图；
图2为本发明的整体装配图；
图3为本发明的调节机构原理图；
其中，1-固定框架，2-音圈电机，3-螺栓基座，4-花篮调节螺栓，5-柔性铰链，6-调整连杆，7-第一固定支架，8-销轴，9-第一对称凸轮，10-第二对称凸轮，11-切削刀具，12-柔性板簧，13-刀具连接块，14-光栅尺，15-光栅尺调节块，16-第二固定支架。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术中所介绍的，为使现有快刀伺服系统动态特性可调，并在调节过程中能给对称柔性导向机构同步施加应力，本发明提供了一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提供了一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，包括固定框架1、刀具连接块13、柔性导向机构12、刚度调节机构、驱动机构、位置检测机构及切削刀具11等；
具体的如图1所示，固定框架1为一个侧面敞口的矩形框架结构；刀具连接块13水平设置在该框架内，刀具连接块的一端连接切削刀具(优选的，可以选择金刚石刀具11，其固定安装在刀具连接块12上)，另一端连接驱动装置；在刀具连接块的上下两侧设有柔性导向机构，柔性导向机构一端与刀具连接块固定连接，另一端通过柔性铰链与固定框架连接。
进一步优选的实施例，固定框架1、刀具连接块13和柔性导向机构12为一体式结构，通过一块金属板切割而成。
如图1所示，柔性导向机构包括四条柔性板簧12，柔性板簧12一端与刀具连接块13连接，另一端与固定框架1连接，对称布置在刀具连接块13两侧。采用弹性板簧结构作为快刀伺服系统导向机构的方式，其具有高精度、无摩擦、免润滑和免装配的特点，非常适合作为微纳领域中的定位导向机构。
四条柔性板簧12具体的分布方式是：在刀具连接块13的上面设置两块，下面设置两块，且上下柔性板簧对称设置。
进一步的，在固定框架1连接柔性板簧13处切割出柔性铰链切口5，用以实现对柔性板簧施加应力。
本发明采用凸轮机构张紧弹性板簧的方式，其保证上下两侧弹性板簧的张紧程度一致，易于调整控制，减少了因上下弹性板簧张紧程度不一致带来的刀架上下偏移，提高了快刀伺服系统的加工精度。
进一步的，刚度调节机构包括固定支架、对称凸轮、花篮调节螺栓4、销轴8、调整连杆6、螺栓基座3等结构；
固定支架为两组，分别为第一固定支架7和第二固定支架16，安装在固定框架1上，其位于对称凸轮的外侧。
对称凸轮也设置两组，分别为第一对称凸轮9和第二对称凸轮10，第一对称凸轮9和第二对称凸轮10安装在销轴8两端，刀具连接块13的两侧；销轴8穿过位于刀具连接块13上的通孔；安装在固定支架上，销轴8安装时穿过刀具连接块13上的通孔，避免干涉刀具连接块13的往复运动。
对称凸轮9和10为中心对称结构，如图3所示，对称凸轮9和10两端和固定框架1上切割出柔性铰链切口5处相切接触，旋转对称凸轮9和10即可对柔性导向机构的两侧柔性板簧12施加相同大小应力，实现对导向机构的同步刚度调节。
花篮调节螺栓4一端安装在螺栓基座3上，另一端与调整连杆6相连，螺栓基座3设置在固定框架1的顶部；调整连杆6与销轴8连接。旋转花篮调节螺栓4可实现花篮调节螺栓4的伸长或缩短，从而拉动调整连杆6，进而带动销轴8及对称凸轮9和10旋转，从而对柔性机构施加应力。所述螺栓基座3安装在固定框架1上。
如图所示，调整连杆6为一个侧面敞口的矩形框架结构，敞口端连接销轴，与敞口端相对的另一端与花篮调节螺栓4相连；
花篮调节螺栓4设置在固定框架的顶部，且花篮调节螺栓4的轴线所在的方向与刀具11来回运动的方向一致。
进一步的优选的，驱动机构可采用音圈电机2，固定安装在固定框架1上，驱动刀具连接块13做指定往复运动。采用音圈电机或压电陶瓷驱动器驱动的方式，其输出力和输入电流具有非常好的线性关系，易于控制，减少了中间环节带来的累计误差，系统定位精度高、驱动力大和行程超长，同时保证系统运动较高的加速度和速度。
进一步的优选的，位置检测装置包括光栅尺14和光栅尺调整块15，光栅尺14安装在刚度调节机构的固定支架16上，光栅尺调整块14用以调节光栅尺14与刀具连接块13的距离。位置检测机构可实现对系统输出位移的检测，即刀具连接块13的往复运动位置的检测。
具体的使用方法如下：
首先，通过转动花篮螺栓，经调整连杆调节对称凸轮的转动角度，进而同时改变两侧弹性板簧的张紧程度，并保证上下弹性板簧受力一致。然后，通过与刀具连接的音圈电机和作为反馈器件的光栅尺，构成闭环控制回路驱动刀具连接块进行精密伺服运动，最终实现一种刚度可调的快刀伺服系统。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，包括固定框架、刀具连接块、柔性导向机构、驱动机构及切削刀具；
所述的固定框架内安装有水平设置的刀具连接块，刀具连接块的一端连接切削刀具，另一端连接驱动装置；在刀具连接块的上下两侧设有柔性导向机构，柔性导向机构一端与刀具连接块固定连接，另一端通过柔性铰链与固定框架连接，柔性导向机构相对于刀具连接块块上下对称布置；在所述的刀具连接块的中心设有一个通孔，销轴穿过该通孔后在销轴的两端对称的安装一组对称凸轮，每组对称凸轮最外圈与柔性铰链相切接触，所述的销轴在外力作用下带动所述的凸轮旋转，凸轮旋转对刀具连接块两侧柔性板簧施加相同大小应力，实现对导向机构的同步刚度调节。
2.如权利要求1所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述固定框架、刀具连接块和柔性导向机构为一体式结构，通过一块金属板切割而成。
3.如权利要求1或2所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述的柔性导向机构为柔性板簧结构，柔性板簧一端与刀具连接块连接，另一端与固定框架连接，对称布置在刀具连接块两侧。
4.如权利要求3所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，在所述框架连接柔性板簧处切割出柔性铰链，用以实现对柔性板簧施加应力。
5.如权利要求1所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述的销轴的两端各穿过一个固定支架与一个调整连杆相连，所述的调整连杆与施力装置相连；所述的固定支架位于刀具连接块的两侧，固定支架安装在固定框架上。
6.如权利要求5所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述施力装置为花篮螺栓结构，旋转螺栓可实现螺栓的伸长或缩短。
7.如权利要求6所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述花篮调节螺栓一端安装在位于固定框架顶部的螺栓基座上，另一端与调整连杆相连。
8.如权利要求6所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述的花篮调节螺栓设置在固定框架顶部，花篮调节螺栓4的轴线所在的方向与切削刀具来回运动的方向一致。
9.如权利要求1所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，所述驱动机构可采用音圈电机或压电陶瓷，固定安装在固定框架上，驱动刀具连接块做指定往复运动。
10.如权利要求1所述的一种凸轮张紧刚度可调快刀伺服系统，其特征在于，还包括位置检测装置，所述的位置检测装置包括光栅尺和光栅尺调整块，光栅尺安装在固定支架上。
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