[發明專利]一種諧振式力感知快速刀具伺服系統

有效

• 申請號: 202010048066.3
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111152068B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 朱志偉;紀宇陽;黃子軍;卞雷祥
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

本發明公開了一種諧振式力感知快速刀具伺服系統，包括后支座、中間基體、快速刀具伺服導向機構和多個石英音叉，所述后支座固定連接于中間基體的后側，所述中間基體內設置有壓電驅動器，所述壓電驅動器的后端被后支座預緊，所述壓電驅動器的前端與快速刀具伺服導向機構的輸入端接觸，所述快速刀具伺服導向機構的輸出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的裝刀平臺，所述多個石英音叉安裝于敏感刀架的至少兩個相對的表面。本發明將石英音叉的諧振式測力原理應用到快速刀具伺服上，豐富了力感知快速刀具伺服的測力原理，實現三軸切削力的魯棒性測量。

技術領域

本發明屬于先進光學制造技術領域，涉及一種力感知快速刀具伺服裝置，特別是涉及一種諧振式力感知快速刀具伺服系統。

背景技術

20世紀60年代發展起來的金剛石車削技術開創了超精密加工的新領域。金剛石車削是在精密車床上用具有非常鋒利刃口的單點金剛石刀具在非常精確的機器和環境條件下制造精密零件。與正常情況下的切削加工相比，金剛石車削可以直接實現光學表面光潔度且不需要后續的研磨和拋光處理，從而提高了加工效率，降低了加工成本。采用快速刀具伺服技術，可以高精度加工復雜的曲面形狀。快速刀具伺服是一種能高效制造光學自由曲面或具有亞微米級形狀精度和納米級表面光潔度微觀結構的加工技術。其核心技術影響著自由曲面的加工能力和加工精度，因此受到了國內外學者廣泛的研究和關注。這些技術概括為FTS結構的設計、先進的控制算法、刀具路徑規劃、加工狀態監測和表面測量及誤差補償。

在微納切削領域，切削力作為切削時外部顯性信號直接反應了材料去除機理甚至亞表面損傷。如在光學晶體材料納米切削中，切削力作為一個比傳統金屬切削更為重要的參數，反映了切削過程中材料的復雜相變、材料的脆塑轉變等，對切削機理的深入研究需要進行切削力的精確測量。

在車削過程中，切削刀具通過在工件上施加切削力來去除材料以產生所需的形狀。因此，切削力是反映加工過程的一個基本參數，切削力的測量一直是實際應用和科學研究中所需要的。切削力的變化直接反映了刀具與工件相互作用規律的變化。如：刀具磨損或刀具破損可能在加工過程中增大加工系統的切削力和振動，導致加工表面粗糙度差、損失形狀和尺寸精度，甚至在加工表面上留下振動痕跡。為了避免這種制造缺陷或刀具損壞，研究學者設計和開發了系列用于切削力測量的高精度和寬帶寬測量工具。然而仍存在一些主要限制：(1)它們的成本高昂；(2)在嚴苛的生產環境中可靠性難以保證；(3)大小和重量較大，測力計不適用于布局受限的機器和加工系統布置；(4)刀具剛度的降低，測力計也會干擾加工系統切削加工過程和性能。

發明內容

本發明的目的在于提出一種諧振式力感知快速刀具伺服系統，基于雙端固定石英音叉的諧振頻率與其軸向受力近似線性相關的測力原理，將基于石英音叉的諧振式力傳感單元集成到快速刀具伺服上，實現三軸切削力的魯棒性測量。

本發明的上述目的通過如下技術方案實現：

一種諧振式力感知快速刀具伺服系統，包括后支座、中間基體、快速刀具伺服導向機構和多個石英音叉，所述后支座固定連接于中間基體的后側，所述中間基體內設置有壓電驅動器，所述壓電驅動器的后端被后支座預緊，所述壓電驅動器的前端與快速刀具伺服導向機構的輸入端接觸，所述快速刀具伺服導向機構的輸出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的裝刀平臺，所述多個石英音叉安裝于敏感刀架的至少兩個相對的表面。

優選地，所述快速刀具伺服導向機構還包括四組交叉布置的平行四邊形機構、中間運動平臺，所述中間運動平臺位于四組交叉布置的平行四邊形機構的中間。

優選地，每組平行四邊形機構包括多個直圓形柔性鉸鏈和至少兩個直梁形柔性鉸鏈，每個直梁形柔性鉸鏈的外端和內端分別連接一個直圓形柔性鉸鏈，位于直梁形柔性鉸鏈內端的直圓形柔性鉸鏈與所述中間運動平臺連接。

優選地，相鄰兩組平行四邊形機構垂直布置。

優選地，所述敏感刀架的后部與所述中間運動平臺連接。