[发明专利]一种谐振式力感知快速刀具伺服系统

说明书

本发明公开了一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，包括后支座、中间基体、快速刀具伺服导向机构和多个石英音叉，所述后支座固定连接于中间基体的后侧，所述中间基体内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构的输出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的装刀平台，所述多个石英音叉安装于敏感刀架的至少两个相对的表面。本发明将石英音叉的谐振式测力原理应用到快速刀具伺服上，丰富了力感知快速刀具伺服的测力原理，实现三轴切削力的鲁棒性测量。

技术领域

本发明属于先进光学制造技术领域，涉及一种力感知快速刀具伺服装置，特别是涉及一种谐振式力感知快速刀具伺服系统。

背景技术

20世纪60年代发展起来的金刚石车削技术开创了超精密加工的新领域。金刚石车削是在精密车床上用具有非常锋利刃口的单点金刚石刀具在非常精确的机器和环境条件下制造精密零件。与正常情况下的切削加工相比，金刚石车削可以直接实现光学表面光洁度且不需要后续的研磨和抛光处理，从而提高了加工效率，降低了加工成本。采用快速刀具伺服技术，可以高精度加工复杂的曲面形状。快速刀具伺服是一种能高效制造光学自由曲面或具有亚微米级形状精度和纳米级表面光洁度微观结构的加工技术。其核心技术影响着自由曲面的加工能力和加工精度，因此受到了国内外学者广泛的研究和关注。这些技术概括为FTS结构的设计、先进的控制算法、刀具路径规划、加工状态监测和表面测量及误差补偿。

在微纳切削领域，切削力作为切削时外部显性信号直接反应了材料去除机理甚至亚表面损伤。如在光学晶体材料纳米切削中，切削力作为一个比传统金属切削更为重要的参数，反映了切削过程中材料的复杂相变、材料的脆塑转变等，对切削机理的深入研究需要进行切削力的精确测量。

在车削过程中，切削刀具通过在工件上施加切削力来去除材料以产生所需的形状。因此，切削力是反映加工过程的一个基本参数，切削力的测量一直是实际应用和科学研究中所需要的。切削力的变化直接反映了刀具与工件相互作用规律的变化。如：刀具磨损或刀具破损可能在加工过程中增大加工系统的切削力和振动，导致加工表面粗糙度差、损失形状和尺寸精度，甚至在加工表面上留下振动痕迹。为了避免这种制造缺陷或刀具损坏，研究学者设计和开发了系列用于切削力测量的高精度和宽带宽测量工具。然而仍存在一些主要限制：(1)它们的成本高昂；(2)在严苛的生产环境中可靠性难以保证；(3)大小和重量较大，测力计不适用于布局受限的机器和加工系统布置；(4)刀具刚度的降低，测力计也会干扰加工系统切削加工过程和性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，基于双端固定石英音叉的谐振频率与其轴向受力近似线性相关的测力原理，将基于石英音叉的谐振式力传感单元集成到快速刀具伺服上，实现三轴切削力的鲁棒性测量。

本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种谐振式力感知快速刀具伺服系统，包括后支座、中间基体、快速刀具伺服导向机构和多个石英音叉，所述后支座固定连接于中间基体的后侧，所述中间基体内设置有压电驱动器，所述压电驱动器的后端被后支座预紧，所述压电驱动器的前端与快速刀具伺服导向机构的输入端接触，所述快速刀具伺服导向机构的输出端包括伸出的敏感刀架和位于敏感刀架前部的装刀平台，所述多个石英音叉安装于敏感刀架的至少两个相对的表面。

优选地，所述快速刀具伺服导向机构还包括四组交叉布置的平行四边形机构、中间运动平台，所述中间运动平台位于四组交叉布置的平行四边形机构的中间。

优选地，每组平行四边形机构包括多个直圆形柔性铰链和至少两个直梁形柔性铰链，每个直梁形柔性铰链的外端和内端分别连接一个直圆形柔性铰链，位于直梁形柔性铰链内端的直圆形柔性铰链与所述中间运动平台连接。

优选地，相邻两组平行四边形机构垂直布置。

优选地，所述敏感刀架的后部与所述中间运动平台连接。