阅读说明：本技术 一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置 (Novel hybrid drive triaxial quick cutter servo device ) 是由 朱志伟 朱紫辉 陈栎 黄鹏 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置,包括安装基体以及位于所述安装基体内的压电叠堆驱动部分和麦克斯韦电磁力驱动部分,所述压电叠堆驱动部分的端部安装有刀架,所述压电叠堆驱动部分能够驱动刀架实现前后运动,所述麦克斯韦电磁力驱动部分能够驱动刀架实现上下和左右运动。本发明以麦克斯韦电磁力驱动实现XY平面运动,具有力密度高、行程大的优点,以压电驱动串联于XY平面运动实现Z向垂直运动,具有体积小、高频响、亚纳米运动分辨率等优点；本发明三轴FTS切削装置,具有体积小、结构设计合理、紧凑、平面运动行程相对较大、频宽相对较宽、运动精确等优点。(The invention discloses a novel hybrid drive three-axis quick cutter servo device which comprises a mounting base body, a piezoelectric stack driving part and a maxwell electromagnetic force driving part, wherein the piezoelectric stack driving part and the maxwell electromagnetic force driving part are positioned in the mounting base body, a cutter rest is installed at the end part of the piezoelectric stack driving part, the piezoelectric stack driving part can drive the cutter rest to move back and forth, and the maxwell electromagnetic force driving part can drive the cutter rest to move up and down and left and right. The invention realizes XY plane motion by Maxwell electromagnetic force drive, has the advantages of high force density and large stroke, realizes Z-direction vertical motion by connecting piezoelectric drive in series with XY plane motion, and has the advantages of small volume, high frequency response, sub-nanometer motion resolution and the like; the three-axis FTS cutting device has the advantages of small volume, reasonable and compact structural design, relatively large planar motion stroke, relatively wide bandwidth, accurate motion and the like.)

一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置

技术领域

本发明属于超精密切削技术领域，具体涉及一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置。

背景技术

基于快速刀具伺服(以下简称FTS)技术的金刚石车削方法，被认为是复杂光学曲面极具发展前景的制造方法。目前，常用的快刀伺服系统一般为单轴驱动，所用的驱动原理有压电堆叠驱动、洛伦兹电磁力驱动及麦克斯韦电磁力驱动。近年来，随着光学曲面复杂度的增加，多轴刀具伺服技术逐渐受到国内外学者的关注，并发展了系列自适应切削方法以提高FTS车削对复杂曲面的制造能力。

对于双轴和三轴驱动而言，一般采用压电叠堆作为驱动器，配合以复杂的柔性铰链机构实现刀具的空间运动。虽然，压电驱动具有较高的力密度并且响应速度快，但受限于压电材料的应变能力一般行程较小，适合用于实现数微米到数十微米行程和数百赫兹到数千赫兹的小行程高频率运动。为了增加压电行程，基于柔性铰链的多级放大机构被用于实现位移的放大，但是放大机构会增加运动质量导致工作频率输出刚度的降低。洛伦兹电磁力驱动曾被用于两轴FTS，可实现数百到数毫米的行程。但是其力密度低且动子质量大，在大行程下所能达到的工作频率一般只能到数十赫兹。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定位运动精密、行程运动大的新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置，包括安装基体以及位于所述安装基体内的压电叠堆驱动部分和麦克斯韦电磁力驱动部分，所述压电叠堆驱动部分的端部安装有刀架，所述压电叠堆驱动部分能够驱动刀架实现前后运动，所述麦克斯韦电磁力驱动部分能够驱动刀架实现上下和左右运动。

进一步地，所述压电叠堆驱动部分包括中心框架、压电堆叠、前柔性导向机构、后柔性导向机构，所述中心框架具有一轴向通孔，所述压电堆叠穿过所述中心框架的通孔设置，所述压电堆叠前端连接有所述前柔性导向机构、后端连接有所述后柔性导向机构，所述前柔性导向机构的端部安装有所述刀架。

进一步地，所述前柔性导向机构和所述后柔性导向机构分别包含四组成十字对称排列的直圆型柔性铰链。

进一步地，所述麦克斯韦电磁力驱动部分包括四个电磁力驱动单元和平面柔性导向机构，所述平面柔性导向机构位于中心框架的外部，四个电磁力驱动单元位于中心框架四周，每个电磁力驱动单元包括两组线圈、两个U型定子、一个永磁铁以及两个电枢，所述两个电枢与中心框架连接，每个U型定子的中间绕有一组线圈，所述永磁铁位于两个电枢之间以及两组线圈之间。

进一步地，两个电枢位于两个U型定子之间，每个电枢与两侧的U型定子之间具有一间距d₀。

进一步地，所述平面柔性导向机构包括八个两两对称的圆弧型柔性铰链，形成两自由度度封闭系统。

进一步地，所述前柔性导向机构和后柔性导向机构的刚度相同。

进一步地，所述安装基体包括前框架、后基座、左侧板和右侧板，所述前框架上开设有与刀架对应的中心通孔。

进一步地，所述前框架、左侧板和后基座上分别设置有用于安装第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器的孔。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明以麦克斯韦电磁力驱动实现XY平面运动，具有力密度高、行程大的优点，以压电驱动串联于XY平面运动实现Z向垂直运动，具有体积小、高频响、亚纳米运动分辨率等优点；本发明三轴FTS切削装置，具有体积小、结构设计合理、紧凑、平面运动行程相对较大、频宽相对较宽、运动精确等优点。

附图说明

图1是本发明新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置的整体装配图。

图2是本发明新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置去掉安装基体部分的装配图。

图3是压电叠堆驱动部分结构示意图。

图4是中心框架结构示意图。

图5是压电堆叠、前柔性导向机构和后柔性导向机构的连接示意图。

图6是前柔性导向机构的结构示意图。

图7是后柔性导向机构的结构示意图。

图8是麦克斯韦电磁驱动部分结构示意图。

图9是平面柔性导向机构结构示意图。

图10是前框架结构示意图。

图11是后基座结构示意图。

图12是左侧板结构示意图。

图13是右侧板结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

结合图1-2，一种新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置，包括安装基体以及位于所述安装基体内的压电叠堆驱动部分和麦克斯韦电磁力驱动部分，所述压电叠堆驱动部分的端部安装有刀架，所述压电叠堆驱动部分能够驱动刀架实现前后运动，所述麦克斯韦电磁力驱动部分能够驱动刀架实现上下和左右运动。

优选地，结合图3-5，所述压电叠堆驱动部分包括中心框架12、压电堆叠14、Z向前柔性导向机构6、Z向后柔性导向机构13，所述中心框架12具有一轴向通孔，所述压电堆叠14穿过所述中心框架12的通孔设置，所述压电堆叠14前端连接有所述前柔性导向机构6、后端连接有所述后柔性导向机构13，所述前柔性导向机构6的端部安装有所述刀架。当给予压电堆叠14电压时，会发生逆压电效应从而在压电堆叠14前后输出端产生轴向力Fz，进而推动Z向前柔性导向机构6中的刀架前后运动，通过电容位移传感器测量Z向后柔性导向机构13中心块的位移，由于Z向前柔性导向机构6与Z向后柔性导向机构13的刚度相同，前后端的力的大小也相同，所以刀架的位移可以通过测量Z向后柔性导向机构13中心块的位移得到。

优选地，结合图6-7，所述前柔性导向机构6和所述后柔性导向机构13分别包含四组成十字对称排列的直圆型柔性铰链601，形成单自由度封闭系统，当压电堆叠14产生驱动力时，该柔性铰链会发生变形，由于结构的对称性，横向串扰将受到约束。

优选地，结合图8，所述麦克斯韦电磁力驱动部分的目的在于驱动整个压电驱动部分，从而带动刀架实现xy平面的运动，包括四个电磁力驱动单元和xy平面柔性导向机构7，所述平面柔性导向机构7位于中心框架12的外部，四个电磁力驱动单元位于中心框架12四周，每个电磁力驱动单元包括两组线圈8、两个U型定子9、一个永磁铁10以及两个电枢11，所述两个电枢11与中心框架12连接，每个U型定子9的中间绕有一组线圈8，所述永磁铁10位于两个电枢11之间以及两组线圈8之间。其麦克斯韦电磁力产生原理如下：永磁铁10产生的磁场经过电枢11流向左右两侧，产生直流磁场B₁与B₂，当给线圈8电流激励时会产生磁场交流磁场则电枢11左右两侧的磁场分别为与电枢11两侧产生的磁场差会使得电枢11产生麦克斯韦电磁力F，中间永磁铁10有线性化麦克斯韦电磁力的作用，使得驱动力的大小与电流的大小成正比。

优选地，两个电枢11位于两个U型定子9之间，每个电枢11与两侧的U型定子9之间具有一间距d₀(一般为零点几毫米)，定子9通过螺钉固定在Z向后柔性导向机构13四周。

优选地，Z向前柔性导向机构6与Z向后柔性导向机构13通过螺钉与刚性的中心框架12及电枢11连接为一体。

优选地，结合图9，所述平面柔性导向机构7包括八个两两对称的圆弧型柔性铰链701，形成两自由度度封闭系统，当x及y方向有驱动力时该柔性铰链会发生变形。

优选地，结合图1，所述安装基体包括前框架3、后基座5、左侧板4和右侧板2，所述前框架3上开设有与刀架对应的中心通孔，后基座5与前框架3用于固定压电叠堆驱动部分和麦克斯韦电磁力驱动部分，左侧板4与右侧板2作用在于与机床或试验台固定连接。

优选地，结合图10-13，所述前框架3、左侧板4和后基座5上分别设置有用于安装第一位移传感器101、第二位移传感器102和第三位移传感器103的前框架孔3-1、左侧板孔4-1和后基座孔5-1。

本发明新型混合驱动三轴快速刀具伺服装置兼具麦克斯韦电磁力驱动具有较高的力密度、较大的行程及压电叠堆驱动具有高频响、亚纳米运动分辨率等优点，进而实现FTS系统高效切削能力，其中，压电叠堆14驱动实现了精密定位运动，而麦克斯韦电磁力驱动则具有较大的行程运动。

本发明装置的工作方式如下：

当给予上下四个线圈8电流激励时，产生的麦克斯韦电磁力将驱动刀架进行左右运动，当给予左右四个线圈8电流激励时，产生的麦克斯韦电磁力将驱动刀架进行上下运动，当给予压电堆叠电压激励时，压电将驱动刀架实现Z向前后运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。