[发明专利]级联跨尺度刀具伺服装置及其高频控制方法

说明书

本发明公开了一种级联跨尺度刀具伺服装置及其高频控制方法，装置包括柔性装置平台、第一压电叠堆、第二压电叠堆、第一电容式位移传感器、第二电容式位移传感器、金刚石刀具、直圆型柔性铰链、直板型柔性铰链，金刚石刀具位于柔性装置平台的中部前端，第一压电叠堆位于金刚石刀具的下部，直板型柔性铰链位于第一压电叠堆驱动块两侧，第二压电叠堆位于第一压电叠堆的下部，直圆型柔性铰链位于第二压电叠堆驱动块两侧。本发明基于两种压电叠堆级联驱动、柔性机构导向的跨尺度快速刀具伺服系统，初级驱动行程较大带宽较低，次级驱动行程较小及带宽较高，两者相结合可有效满足复杂微结构切削对较大行程、高带宽及高精度刀具轨迹跟踪要求。

技术领域

本发明属于微结构超精密切削加工技术领域，具体涉及一种级联跨尺度刀具伺服装置及其高频控制方法。

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，快速刀具伺服系统常用的驱动方式有电磁驱动及压电叠堆驱动方式。其中，电磁驱动一般被用于大行程FTS的驱动源，借助于气浮平台或柔性机构实现百微米、甚至毫米级的刀具运动。受限于其较低的力密度，其工作带宽一般仅为数十、或百赫兹量级。压电叠堆具有响应速度快、力密度大等优点，一般结合柔性铰链机构实现数百甚至数千赫兹的高频运动。但是，受限于压电陶瓷材料的应变能力，其行程一般较小，常见在于数十微米至百微米量级。尽管多级柔性放大机构可有效实现压电行程的增大，但复杂的机构不仅增加了设计难度，同时也使得等效运动质量增加，运动带宽降低。因而，无论对于何种驱动方式的FTS系统，其运动行程及工作带宽间不可避免的存在着相互制约关系。值得指出的是，最近见诸报道的以压电叠堆混合洛伦兹电磁力驱动的FTS，虽可有效提高洛伦兹驱动FTS的高频跟踪精度，但受限于洛伦兹电磁力低力密度，其带宽提升极为有限，难以满足复杂表面的高效加工。

复杂微结构切削所需的刀具运动幅值一般在数十微米量级，但其高空间密度对车削过程刀具的往复运动频率提出了极高的要求。同时，光学微结构表面的亚微米面型精度要求，对刀具高频轨迹跟踪精度对控制系统能力提出了极端要求。在FTS驱动系统的运动带宽及商业控制器的伺服周期更新能力的约束下，FTS系统的高频轨迹跟踪显得极为困难，极大的限制了FTS车削复杂微结构表面的制造能力，并增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跟踪精度、带宽和行程可调的级联跨尺度刀具伺服装置及其高频控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种级联跨尺度刀具伺服装置，包括柔性装置平台、第一压电叠堆、第二压电叠堆、第一电容式位移传感器、第二电容式位移传感器、金刚石刀具、直圆型柔性铰链、直板型柔性铰链，所述金刚石刀具位于柔性装置平台的中部前端，所述第一压电叠堆位于所述金刚石刀具的下部，所述直板型柔性铰链位于所述第一压电叠堆驱动块两侧，所述第二压电叠堆位于第一压电叠堆的下部，所述直圆型柔性铰链位于所述第二压电叠堆驱动块两侧，所述第一电容式位移传感器位于直板型柔性铰链的下部，第二电容式位移传感器位于直圆型柔性铰链的下部。

进一步地，所述第一压电叠堆的底部通过第一楔形块预紧，所述第二压电叠堆底部通过第二楔形块预紧。

进一步地，所述柔性装置平台底部开设有第一电容式位移传感器通孔和第二电容式位移传感器通孔，所述第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器分别通过电容式位移传感器预紧螺钉安装于第一电容式位移传感器通孔和第二电容式位移传感器通孔内。

进一步地，所述直圆型柔性铰链包括四个，所述第二压电叠堆两侧分别包括两个直圆型柔性铰链，四个直圆型柔性铰链成平行四边形排列。

进一步地，所述直板型柔性铰链包括四个，所述第一压电叠堆两侧分别包括两个直板型柔性铰链，四个直板型柔性铰链成平行四边形排列。

进一步地，所述金刚石刀具安装于与柔性装置平台固定的刀座平台上。