阅读说明：本技术 三轴快速刀具伺服机构及其三维力在线检测系统 (Three-axis quick cutter servo mechanism and three-dimensional force online detection system thereof ) 是由 陈远流 李忠伟 陈甫文 居冰峰 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种三轴快速刀具伺服机构及其三维力检测系统,包括：三轴快速刀具伺服机构,其由三个压电陶瓷驱动分别产生三个轴向的位移,通过对称布置的柔性铰链的传动与约束作用,可在末端执行器处实现三个轴向的解耦运动；集成三个电容式位移传感器的位移检测机构,其可检测三轴快速刀具伺服机构三个输入端的位移；集成三个压电陶瓷力传感器的力检测机构,其与三轴快速刀具伺服机构的末端执行器连接,可拆卸,可通过三个力传感器检测值与三个轴向力的线性关系检测出刀尖所受任一空间力在三个轴向的分力。本发明的系统基于压电陶瓷片的正压电效应,将压电陶瓷片作为力传感器,实现了切削过程当中三维力的在线检测。(The invention provides a three-axis quick cutter servo mechanism and a three-dimensional force detection system thereof, comprising: the three-axis quick cutter servo mechanism is driven by three piezoelectric ceramics to generate three axial displacements respectively, and can realize three axial decoupling motions at the end effector through the transmission and constraint action of symmetrically arranged flexible hinges; the displacement detection mechanism integrates three capacitive displacement sensors and can detect the displacement of three input ends of the three-axis quick cutter servo mechanism; the force detection mechanism integrating the three piezoelectric ceramic force sensors is connected with an end effector of the three-axis quick cutter servo mechanism and can be detached, and the component force of any space force applied to the cutter tip in three axial directions can be detected through the linear relation between the detection values of the three force sensors and three axial forces. The system provided by the invention is based on the positive piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic piece, and the piezoelectric ceramic piece is used as a force sensor, so that the on-line detection of the three-dimensional force in the cutting process is realized.)

三轴快速刀具伺服机构及其三维力在线检测系统

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种新型三轴快速刀具伺服机构及其三维力检测系统。

背景技术

快速刀具伺服系统是一种基于单点金刚石刀具的机械切削方法，是加工超精密器件主要组成部件——微结构阵列的有效手段。随着超精密技术的发展，特殊领域对光学三维自由表面的复杂程度要求越来越高，对微结构的高性能制造需求与日俱增。基于伺服自由度的限制，传统的单轴快速刀具伺服系统难以满足复杂三维自由表面、复杂微结构的制造需求，因此两轴、三轴快速刀具伺服机构应运而生。相比于单轴快速刀具伺服机构切削过程，三轴快速刀具伺服机构的切削过程更加复杂，主要体现在轴间耦合严重、金刚石刀具切削刃与微结构表面切削状态不明晰等。

三轴快速刀具伺服在X、Y、Z三个方向上存在的运动耦合问题，会导致刀具路径规划困难、影响道具使用寿命、影响加工精度等问题，所以三轴快速刀具伺服机构的设计关键点在于柔性解耦机构的设计。目前的已经被提出或被开发的三轴快速刀具伺服解耦机构包括并联式、串联式以及其他形式解耦机构。并联式三轴快速刀具伺服解耦机构的结构特性是三个输入端通过各自方向的柔性导向和传递机构独立的与输出端相连，即并行连接，互不影响；且每个输入端只对应一个方向的输出。对于串联式解耦机构，三个输入端通过不同方向柔性导向和传递结构的串联与输出端相连；且每个输入端只对应一个方向的输出。其他形式解耦机构，包括：一个方向的输出需要一个以上的输入配合产生，及配合运动；串联式与配合运动相结合；并联式与配合运动相结合等；这些解耦机构都存在以下问题中的一种或多种：解耦效果不佳，刚度低，频响低，行程损失大，结构复杂导致难以加工等。

切削力是反映切削状态的重要指标，切削力产生异常的位置，常有微结构表面微缺陷的产生。为了对三轴快速刀具伺服机构切削复杂表面微结构的切削状态有所把握，以保证所加工的表面微结构的完整性，需要对切削过程中产生的三个方向的切削力进行实时检测。目前的三维力检测方法有基于柔性触觉传感器阵列的三维力检测方法、基于电磁感应的三维力检测方法、电容式三维力检测方法等，上述方法所涉及装置都有体积大、结构不灵巧等缺点，难以与快速刀具伺服机构集成使用；同时，上述方法三维力检测精度普遍不高，而三轴快速刀具却有超低切削力的特点，同样存在不可调和的矛盾。出于以上原因，传统的动力计、力传感器难以集成到三轴快速刀具伺服机构对三维力进行在线检测。

另一方面，目前已有集成压电式力传感器的单轴快速刀具伺服系统，用于检测单轴快速刀具伺服切削表面微结构过程当中的轴向切削力。这种方法使用压电陶瓷片作为力传感器，利用压电陶瓷片的正压电效应，即当有动态力作用在压电陶瓷片表面时，压电陶瓷片会产生极化电荷，正、负极化电荷分别分布在压电陶瓷片沿轴向的两端，通过检测极化电荷的大小，可以反映动态力的大小，从而实现力传感器的作用。该集成力传感器的单轴快速刀具伺服系统，实现了在切削过程当中对轴向切削力的检测，从而保证切削过程当中对表面微缺陷的在线监测。此外，在单轴快速刀具伺服机构上集成力传感器，通过接触力、切削力闭环反馈控制，衍生了将刀具作为探针使用的扫描功能，在加工功能基础上集成了测量功能，拓展了如刀具切削刃轮廓原位测量、接力加工自定位等诸多应用。但是，由于单轴快速刀具伺服机构只有一个伺服自由度，难以加工复杂的自由光学曲面、复杂表面微结构。

发明内容

基于上述背景，本发明提供了一种新型三轴快速刀具伺服机构及其三维力在线检测系统。基于解耦型三轴快速刀具伺服机构，集成具有位移检测与反馈和切削过程中三维力在线检测功能的检测反馈系统与集成精密电压放大器的精密驱动系统于一体的控制系统，可实现末端执行器在三个轴向的精密解耦运动。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种三轴快速刀具伺服机构及其三维力检测系统，所述三轴快速刀具伺服机构包括：

基体，其具有一方形容腔，并设有将其自身固定于工作平台上的连接部；

末端执行器，其位于所述容腔内；

三个压电陶瓷，分别设置于容腔内X、Y、Z三个轴向方向，且一端与容腔壁抵接；

第一导向机构，其安装于所述容腔内，包括上下左右围绕末端执行器对称设置的四个导向件，每个导向件包括位于中间的X/Y向导引部，以及对称布置的连接导引部与两端固定部的连接部，每个连接部由2n个平行设置的直圆型柔性铰链构成，n≥1；其中位于X、Y轴方向上的各一个导引部分别与该方向上的压电陶瓷的另一端抵接；

第一位移传递机构，其包括分别位于四个X/Y向导引部与末端执行器之间且绕末端执行器对称布置的四组X/Y向位移传递单元，每组位移传递单元包括一对由两个双轴直圆型柔性铰链串联而成的位移传递件；

第二导向机构，其包括与Z轴方向上的压电陶瓷的另一端抵接的Z向导引部，固定于基体上的两端固定部，，以及对称布置的连接导引部与两端固定部的连接部，每个连接部由2n个平行设置的直圆型柔性铰链构成，n≥1；

第二位移传递机构，其包括四个位于Z向导引部与末端执行器之间的沿Z轴向设置的位移传递件，每个位移传递件均由两个双轴直圆型柔性铰链串联而成；

以及集成三个电容式位移传感器的位移检测机构，其用于检测分别与X、Y、Z三个轴向方向上的压电陶瓷抵接的三个导引部的位移。

进一步的，该系统还包括与所述末端执行器可拆卸连接的力检测机构，所述力检测机构包括：

框架，其具有与所述末端执行器进行可拆装连接的连接部；

力传递机构，其包括一体式设置的依次串接的用于安装刀具的头部，具有两个半球面的块状结构，两个串联的双轴直圆型柔性铰链，以及末端固定部；所述两个半球面分别位于垂直于力传递机构轴线的X/Y方向；

压电陶瓷力传感器一和压电陶瓷力传感器二，其分别通过固定块一和固定块二夹紧固定于所述框架的内壁上并受一定预紧力，所述固定块一和固定块二的另一端与所述两个半球面有一定预紧力的抵接；

压电陶瓷力传感器三，其通过所述末端固定部夹紧固定于所述框架的内壁上并受一定预紧力。

进一步的，该系统还包括：

三通道电荷放大器模块，其输入端分别耦接三个压电陶瓷力传感器，用于对压电陶瓷力传感器产生的极化电荷进行放大；

AD/DA采集卡，其输入端分别连接三个电容式位移传感器的输出端和所述三通道电荷放大器模块的输出端，用于采集电容式位移传感器产生的电压信号和电荷放大器模块输出的放大后的极化电荷信号，其输出端连接用于驱动压电陶瓷的电压放大器的输入端，用于产生控制压电陶瓷产生位移的输出电压信号；

上位机，其连接AD/DA采集卡的控制端，用于接收AD/DA采集卡采集的位移电压信号和放大后的极化电荷信号，并基于该信号计算压电陶瓷产生的三个轴向的位移值和压电陶瓷力传感器受到的动态力大小，以及控制所要输出的电压信号，所述电压信号经AD/DA采集卡，精密电压放大器传递到压电陶瓷，以精确控制压电陶瓷产生位移。

进一步的，力检测机构所受三个方向力的大小基于如下线性矩阵计算：

其中，U₁，U₂，U₃分别为经电荷放大器放大后的三个压电陶瓷力传感器受力所对应的输出，F_x，F_y，F_z力检测机构所受三个方向力的大小。

可选的，所述三通道电荷放大器模块为集成型三通道电荷放大器，或者包括三个单通道电荷放大器，或者包括一个单通道、一个双通道电荷放大器。

进一步的，所述三通道电荷放大器模块为集成型三通道电荷放大器，其集成有独立的三路放大通道，其中每路放大通道包括：

第一放大器和第二放大器；第一放大器的同相端经电阻R_T耦接第二放大器Q2的同相端，反相端经由电阻R_G和电容C_G并联组成的滤波单元接地，输出端耦接三通道电荷放大器的信号输入端口；第二放大器的反相端经电阻R_S耦接三通道电荷放大器的信号输入端口，输出端耦接三通道电荷放大器的信号输出端口，并经由电阻R_F和电容C_F并联组成的负反馈单元耦接自身反相端。

优选的，所述第一放大器的型号为LMP7715，第二放大器的型号为LMP7721。

本发明的有益效果如下：

(1)与集成力传感器的单轴快速刀具伺服机构相比，本发明所述系统中集成力传感器的三轴快速刀具伺服机构具有更高自由度，可以实现加工复杂表面微结构。

(2)与现有三轴快速刀具伺服机构相比，本发明所述系统中的三轴快速刀具伺服机构具有高驱动位移分辨率，三个轴的最小驱动位移均可达到5nm以内。

(3)与现有解耦型三轴快速刀具伺服机构相比，本发明所述系统中的三轴快速刀具伺服机构具有好的解耦效果，三个轴互相的轴间耦合均在3％以内。

(4)与现有三轴快速刀具伺服机构和三维力检测手段相比，本发明所述系统可以将力检测系统集成在三轴快速刀具伺服机构上，从而在三轴快速刀具伺服机构的切削过程中在线检测切削力大小；也可以拆分成三轴快速刀具伺服机构和三维力检测机构，从而作为两个系统单独使用。

(5)与现有三轴力检测手段相比，本发明所述系统具有高灵敏度，在每个轴向最小可识别10mN以内切削力。

附图说明

图1为本发明中三轴快速刀具伺服结构示意图。

图2为本发明中三轴快速刀具伺服结构Z向驱动结构示意图。

图3为本发明中三轴快速刀具伺服结构位移传感器安装示意图。

图4为本发明中三轴的驱动位移分辨率测试结果图。

图5为本发明中力检测结构示意图。

图6为本发明中集成力检测机构的三轴快速刀具伺服机构示意图。

图7为本发明实施例中三维力感知测量示意图。

图8为本发明实施例中三轴力传感器标定结果图，其中，(a)为三个电荷放大器输出电压变化随不同X轴方向作用动态力变化曲线；(b)为三个电荷放大器输出电压变化随不同X轴方向作用动态力变化曲线；(c)为三个电荷放大器输出电压变化随不同X轴方向作用动态力变化曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

如图1-3所示，一种三轴快速刀具伺服机构，包括：

基体1，该基体1具有一方形容腔101，并设有将其自身固定于工作平台上的连接部102。在容腔101内，设置有各个轴向的压电陶瓷、导向机构和位移传递机构，以及末端执行器8。

其中，压电陶瓷设置为三个4、16、22，分别设置于容腔内X、Y、Z三个轴向方向，其一端均与容腔101的内壁抵接。

导向机构包括X/Y轴方向的第一导向机构和Z轴方向的第二导向机构(Z轴方向驱动结构如图2所示)。

其中，第一导向机构安装于101容腔内，包括上下左右围绕末端执行器对称设置的四个导向件，其端部相互连接，呈一体式设置。每个导向件包括位于中间的X/Y向导引部3、5、14、17，以及对称布置的连接导引部与两端固定部的连接部6、10、11、13，每个连接部由2个平行设置的直圆型柔性铰链构成。其中位于X、Y轴方向上的各一个导引部5、17分别与该方向上的压电陶瓷4、16的另一端抵接。

第二导向机构包括与Z轴方向上的压电陶瓷22的另一端抵接的Z向导引部24，固定于基体上的两端固定部20，以及对称布置的连接导引部24与两端固定部20的连接部23，每个连接部23由2个平行设置的直圆型柔性铰链构成。

作为可选可选实施方案，上述导向机构中每个导向件的连接部可由2n个平行设置的直圆型柔性铰链构成，n≥1。

相应的，位移传递机构包括X/Y轴方向的与X/Y向导引部对应的第一位移传递机构和Z轴方向的与Z向导引部对应的第二位移传递机构。

其中，第一位移传递机构包括分别位于四个X/Y向导引部3、5、14、17与末端执行器8之间且绕末端执行器8对称布置的四组X/Y向位移传递单元7、9、12、18，每组位移传递单元包括一对由两个双轴直圆型柔性铰链串联而成的位移传递件。

第二位移传递机构包括四个位于Z向导引部24与末端执行器8之间的沿Z轴向设置的位移传递件25，每个位移传递件均由两个双轴直圆型柔性铰链串联而成。

还包括集成三个电容式位移传感器的位移检测机构2、15、19，其用于检测分别与X、Y、Z三个轴向方向上的压电陶瓷抵接的三个导引部5、17、24的位移。其中，如图3所示，位移检测机构19于末端设置有电容式位移传感器37，其它两个位移检测机构2、15的结构与之类似。

本实施例中的三轴快速刀具伺服机构采用对称柔性设计思想，具有解耦效果，。使用时将基体固定在指定平台上，此机构上与基体相连的结构端视为固定端。当驱动压电陶瓷16在X轴方向产生位移时，导引部17在X轴连接部13作用下产生X向的主运动；末端执行器8产生X向的主运动，其在Y向的运动受对称设置的位移传递单元7、12约束，其绕X轴和Y轴的转动受沿Z轴向对称布置的位移传递单元25约束，其绕Z轴的转动受在XY平面绕末端执行器对称布置的结构位移传递单元18、9、7、12约束。当驱动压电陶瓷4在Y轴方向产生位移时，导引部和末端执行器的运动约束情况与驱动X轴时相似。用于驱动X和Y轴向运动的压电陶瓷16和4的安装方式为过盈安装。当驱动压电陶瓷22在Z轴方向产生位移时，导引部和末端执行器绕X、Y和Z轴旋转的运动约束情况与驱动X轴时相似，末端执行器在X向的运动受对称设置的位移传递单元18、9约束，在Y向的运动受对称设置的位移传递单元7、12约束。通过以上分析可知，末端执行器8可实现在三个轴向的解耦运动。

实施例2

如图5(a)、(b)所示，一种力检测机构，包括：

框架(26)，其设置有有与前述末端执行器8进行可拆装连接的连接部(38)。在框架(26)内，分别设置有力传递机构和压电陶瓷力传感器。

其中，力传递机构包括一体式设置的依次串接的：头部(29)、具有两个半球面的块状结构(39)、两个串联的双轴直圆型柔性铰链(40)，以及末端固定部(41)。其中，头部(29)用于安装刀具(30)，块状结构(39)上的两个半球面分别位于垂直于力传递机构轴线的X/Y方向。

压电陶瓷力传感器包括压电陶瓷力传感器一(27)、压电陶瓷力传感器二(31)和压电陶瓷力传感器三(33)，其分别通过固定块一(28)和固定块二(32)夹紧固定于挡板(36)、(35)的内壁上并受一定预紧力。固定块一(28)和固定块二(32)的另一端与块状结构(39)上的两个半球面有一定预紧力的抵接。压电陶瓷力传感器三(33)通过末端固定部(41)夹紧固定于框架(26)的内壁上并受一定预紧力。挡板(36)、(35)、(34)分别通过螺纹连接与固定框架(26)固定连接。

实施例3

如图6所示，一种集成力检测机构的三轴快速刀具伺服机构。其包括实施例1中的三轴快速刀具伺服机构和实施例2中的力检测机构，其中力检测机构通过框架(26)上的连接部(38)与三轴快速刀具伺服机构上的末端执行器连接。

进一步的，如图7所示，整个三维力检测系统还包括：

三通道电荷放大器模块，其输入端分别耦接三个压电陶瓷力传感器，用于对压电陶瓷力传感器产生的极化电荷进行放大；

AD/DA采集卡，其输入端分别连接三个电容式位移传感器的输出端和三通道电荷放大器模块的输出端，用于采集电容式位移传感器产生的电压信号和电荷放大器模块输出的放大后的极化电荷信号，其输出端连接用于驱动压电陶瓷的电压放大器的输入端，用于产生控制压电陶瓷产生位移的输出电压信号；

上位机，其连接AD/DA采集卡的控制端，用于接收AD/DA采集卡采集的位移电压信号和放大后的极化电荷信号，并基于该信号计算压电陶瓷产生的三个轴向的位移值和压电陶瓷力传感器受到的动态力大小，以及控制所要输出的电压信号，该电压信号经AD/DA采集卡，精密电压放大器传递到压电陶瓷，以精确控制压电陶瓷产生位移。

在一种或几种实施例中，三通道电荷放大器模块为集成型三通道电荷放大器，或者包括三个单通道电荷放大器，或者包括一个单通道、一个双通道电荷放大器。

作为一种优选实施方案，三通道电荷放大器模块为集成型三通道电荷放大器，其集成有独立的三路放大通道，其中每路放大通道包括：

第一放大器和第二放大器；第一放大器的同相端经电阻R_T耦接第二放大器Q2的同相端，反相端经由电阻R_G和电容C_G并联组成的滤波单元接地，输出端耦接三通道电荷放大器的信号输入端口；第二放大器的反相端经电阻R_S耦接三通道电荷放大器的信号输入端口，输出端耦接三通道电荷放大器的信号输出端口，并经由电阻R_F和电容C_F并联组成的负反馈单元耦接自身反相端。

在一种实例中，第一放大器的型号为LMP7715，第二放大器的型号为LMP7721。

本实施例中，为获得三个轴向的位移分辨率大小，分别驱动三个压电陶瓷产生位移，并通过位移传感器产生的电压信号传递到16位AD/DA采集卡进而传递到上位机，计算出位移变化量。可检测到的三个轴向的最小位移变化曲线及其滤波后的曲线如图4所示，由图可知，三个轴向的位移分辨率均可达到5nm以内。

压电陶瓷力传感器在受到动态力的作用下，会产生相应的极化电荷分布在两端。根据压电陶瓷正压电效应，压电陶瓷两端产生的极化电荷和压电陶瓷片承受的动态力大小成比例关系。由于三轴快速刀具伺服机构加工表面微结构过程中切削力十分微弱，所以压电陶瓷力传感器两端产生的极化电荷也十分微弱，难以直接测量。因此，通过三通道电荷放大器，分别将三个压电陶瓷力传感器产生的极化电荷放大，进而检测三个力传感器所受到的切削力大小。三轴快速刀具伺服切削加工过程当中，三个力传感器输出分别接三通道电荷放大器的输入通道1、输入通道2、输入通道3，对应三个输出通道输出信号由16位AD/DA采集卡采集，采集结果传输到上位机中进行处理。三个力传感器分别与三个轴向方向对应，当受到某个轴向的力时，此方向对应的力传感器受力最大，但另两个力传感器也会有受力，即存在耦合。三个力传感器经放大后的输出结果均与所受轴向力呈线性关系，此关系可由下式表示：

U₁、U₂、U₃分别为经电荷放大器后三个力传感器受力所对应的输出，F_x、F_y、F_z为机构所受三个方向力的大小。求得线性矩阵后，可根据三个力传感器输出反求解出机构所受三个方向力的大小。

实施例4

为验证三个力传感器经放大后的输出结果均与所受轴向力呈线性关系，求得线性矩阵，并测得最小分辨力，进行力传感器标定实验。标定方式是在每个轴输入不同的动态力，同时检测三个电荷放大器输出结果。在力检测机构上沿X轴方向作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图8(a)所示，由图可知，三个电荷放大器输出结果与力检测机构所承受的X轴方向动态力大小成线性比例关系，最小识别电压变化为1mv，则力传感器最小能识别X轴方向的切削力大小为10mN以内。在力检测机构上沿Y轴方向作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图8(b)所示，由图可知，三个电荷放大器输出结果与力检测机构所承受的Y轴方向动态力大小成线性比例关系，最小识别电压变化为1mv，则力传感器最小能识别Y轴方向的切削力大小为10mN以内。在力检测机构上沿Z轴方向作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图8(c)所示，由图可知，三个电荷放大器输出结果与力检测机构所承受的Z轴方向动态力大小成线性比例关系，最小识别电压变化为1mv，则力传感器最小能识别Z轴方向的切削力大小为10mN以内。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。