一种基于三轴快速刀具伺服机构的三维力检测系统

摘要

本发明提供了一种基于三轴快速刀具伺服机构的三维力检测系统，包括：三轴快速刀具伺服机构，其X/Y/Z轴驱动单元上分别集成有X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器；三通道电荷放大器模块，其输入端分别耦接所述X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器，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，其输入端连接三通道电荷放大器模块的输出端，用于采集三个输出通道输出的放大后的极化电荷信号；以及上位机，其连接AD/DA采集卡的输出端，用于接收AD/DA采集卡采集的放大后的极化电荷信号，并基于该信号计算所述X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器受到的动态力大小。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。

说明书

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种基于三轴快速刀具伺服机构的三维力检测系统。

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，而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，本发明提供了一种在三轴快速刀具伺服机构上集成三个压电陶瓷片，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，实现切削过程当中三维力在线检测的系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于三轴快速刀具伺服机构的三维力检测系统，包括：

三轴快速刀具伺服机构，其X/Y/Z轴驱动单元上分别集成有X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器；

三通道电荷放大器模块，其输入端分别耦接所述X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器，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，其输入端连接三通道电荷放大器模块的输出端，用于采集三个输出通道输出的放大后的极化电荷信号；

以及上位机，其连接AD/DA采集卡的输出端，用于接收AD/DA采集卡采集的放大后的极化电荷信号，并基于该信号计算所述X/Y/Z轴压电陶瓷力传感器受到的动态力大小。

进一步的，所述X/Y/Z轴驱动单元分别包括依次连接的：

X轴压电陶瓷驱动器、X轴导向柔性铰链、X轴侧向缓冲虎克铰链与X轴压电陶瓷力传感器；

Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴导向柔性铰链、Y轴侧向缓冲虎克铰链与Y轴压电陶瓷力传感器；

Z轴压电陶瓷驱动器、Z轴导向柔性铰链、Z轴侧向缓冲虎克铰链与Z轴压电陶瓷力传感器。

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>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)与现有三维力检测手段相比，本发明所述系统可以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过程中在线检测切削力大小。

(2)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，最小可识别10mN切削力。

(3)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。

附图说明

图1为本发明中集成压电式力传感器的三轴快速刀具伺服结构示意图。

图2为本发明实施例中三通道电荷放大器原理图。

图3为本发明实施例中三维力感知测量示意图。

图4为本发明实施例中三轴力传感器标定结果图，其中，(a)为X轴不同动态力作用下输出电压变化；(b为)X轴电压变化线形图；(c)为Y轴不同动态力作用下输出电压变化；(d)为Y轴电压变化线形图；(e)为Z轴不同动态力作用下输出电压变化；(f)为Z轴电压变化线形图。

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。

本发明实施例提供了一种基于三轴快速刀具伺服机构的三维力检测系统。其中，集成力传感器的三轴快速刀具伺服机构的结构示意图如图1所示。该结构主要包括X轴驱动单元(包括X轴压电陶瓷驱动器13、X轴导向柔性铰链12、 X轴侧向缓冲虎克铰链11、X轴压电陶瓷力传感器10)，Y轴驱动单元(包括Y 轴压电陶瓷驱动器4、Y轴导向柔性铰链5、Y轴侧向缓冲虎克铰链6、Y轴压电陶瓷力传感器7)，Z轴驱动单元(包括Z轴压电陶瓷驱动器2、Z轴导向柔性铰链1、Z轴侧向缓冲虎克铰链3、Z轴压电陶瓷力传感器8)以及刀具9。

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两端产生的极化电荷也十分微弱，难以直接测量。因此，可以通过电荷放大器，将压电陶瓷力传感器产生的极化电荷放大，进而进行检测。

本实施例中，为了检测三个方向的切削力大小，三轴快速刀具伺服机构在三个方向上集成了三个压电陶瓷力传感器，因此需要三个通道电荷放大器对压电陶瓷力传感器极化电荷进行放大。

作为优选实施方案，本实施例中的三通道电荷放大器原理图如图2所示。每个通道使用到的芯片是LMP7721(3mμμA输入偏置电流)和LMP7715。其中， LMP7721的输入偏置电流为3mμμA，远小于压电陶瓷力传感器极化电荷产生的瞬时电流，因此电容C_F所存储的电荷可视为全部来源于压电陶瓷力传感器产生的极化电荷。根据电容存储电荷是电容两端电压和电容容值的乘积，通过检测该电荷放大器输出，即电容C_F两端的电压，即可检测出极化电荷的大小。

本实施例中，基于三轴快速刀具伺服机构的三维力感知测量示意图如图3 所示。三轴快速刀具伺服切削加工过程当中，三个方向的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。

为了验证三通道电荷放大器输出结果与三个方向力传感器所承受的动态力大小成比例关系，即由三通道电荷放大器输出结果可以推断出动态力大小，分别对三轴进行了力传感器标定。标定方式是在每个轴输入不同的动态力，分别检测对应的电荷放大器输出结果。

在X轴力传感器上作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图4(a) 所示，X轴力传感器最小能识别的切削力大小为10mN。将如图4(a)的结果绘制成线形图，并通过最小二乘进行线性拟合，实验所得曲线和拟合曲线如图4(b) 所示，拟合曲线与实验曲线基本吻合，最大误差不超过0.02mV,证明了X轴电荷放大器输出结果与X轴压电陶瓷力传感器所承受的动态力大小成线性比例关系。

在Y轴力传感器上作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图4(c) 所示，Y轴力传感器最小能识别的切削力大小为10mN。将如图4(c)的结果绘制成线形图，并通过最小二乘进行线性拟合，实验所得曲线和拟合曲线如图4(d) 所示，拟合曲线与实验曲线基本吻合，最大误差不超过0.02mV,证明了Y轴电荷放大器输出结果与Y轴压电陶瓷力传感器所承受的动态力大小成线性比例关系。

在Z轴力传感器上作用不同大小动态力，对应的电荷放大器输出如图4(e) 所示，Z轴力传感器最小能识别的切削力大小为10mN。将如图4(e)的结果绘制成线形图，并通过最小二乘进行线性拟合，实验所得曲线和拟合曲线如图4(f) 所示，拟合曲线与实验曲线基本吻合，最大误差不超过0.02mV,证明了Z轴电荷放大器输出结果与Z轴压电陶瓷力传感器所承受的动态力大小成线性比例关系。

基于此，本实施例中的基于三轴快速刀具伺服机构的三维力感知测量系统，在三个方向上分别能达到10mN的力检测精度。

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。