【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及加工控制领域，具体地，涉及一种基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统。
技术介绍
1、具有自由曲面或微结构功能表面的光学器件由于其优异的光学性能、独特的力学性质而被广泛应用于生物、医疗、航空、航天、机械、电子等众多核心
，因此这些光学器件的高效高精制造方法为目前学术界、工业界研究的重点。相比于传统的光刻加工技术、飞秒激光加工技术、化学刻蚀技术，基于单点金刚石刀具的超精密切削技术可以一次性直接加工出具有亚微米级形貌精度和纳米级表面粗糙度的功能表面，且加工稳定性好，可实现批量重复加工，因此在光学器件加工中具有明显的优势。在众多单点金刚石切削加工方法中，快速刀具伺服(fasttoolservo,fts)由于赋予了金刚石刀具千赫兹级运动带宽及纳米级定位精度，被普遍认为是最有发展潜力的自由曲面或微结构表面光学器件加工方式。
2、然而，随着加工结构的复杂化以及加工材料的多样化，传统的单轴快速刀具伺服系统已经无法满足实际加工的需求。虽然有学者提出采用多轴快速刀具伺服装置来实现复杂微结构加工，但文献中报道的多轴快速刀具伺服装置大多采用压电陶瓷驱动，其行程仅为几十微米，无法满足大尺寸下功能性表面的加工要求。此外，对于脆性材料(如单晶硅、石英玻璃等)的加工，有学者提出采用一维直线振动或二维椭圆振动装置来提高脆性材料的塑性切削深度，但由于缺乏位移反馈机制，在切削微结构或自由曲面时该方法的加工精度难以保证，同时具有更高自由度和更佳切削性能的三维椭圆振动装置目前在文献中鲜有报道。
技术实现
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统。
2、根据本专利技术提供的一种基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，包括：法应力电磁致动器、压电驱动器、电压式微力传感器、刀架和主控单元；所述法应力电磁致动器；
3、所述压电驱动器与所述法应力电磁致动器串行连接，所述压电驱动器的固定端安装在所述法应力电磁驱动器的驱动端上，所述刀架固定设置在所述压电驱动器的驱动端；所述电压式微力传感器采集所述刀架振动信号，所述主控单元根据刀架移动过程中刀尖的振动信号，判断刀尖与工件是否接触，当发生接触时对刀完成。
4、优选地，所述法应力电磁致动器设置有两个，两个法应力电磁致动器的驱动端相向设置，共同与所述压电驱动器的固定端连接。
5、优选地，所述法应力电磁致动器和所述压电驱动器均设置有柔顺机构，所述柔顺机构用于连接法应力电磁致动器的固定端和驱动端；以及用于连接压电驱动器的固定端和驱动端。
6、优选地，所述压电驱动器设置有两个，两个压电驱动器并行设置，通过给两个压电驱动器施加相同的电压，使刀架做前后往复运动；通过给两个压电驱动器施加位差为90°的电压，使刀架沿椭圆轨迹运动。
7、优选地，所述伺服系统还包括激光位移传感器采集所述法应力电磁致动器和所述压电驱动器的位移，所述主控单元通过所述压电驱动器对法应力电磁致动器的运动误差进行补偿。
8、优选地，在刀具接近工件的过程中，通过给压电驱动器施加一个特定频率的正弦信号，使刀尖以特定频率作微幅振动，通过电压式微力传感器采集振动信号，将振动信号经过谐振放大器放大后传输到锁相放大器中，并设置锁相放大器的参考频率与刀尖的振动频率相同，锁相放大器输出该频率信号的幅值，并滤除其他频率范围内的噪声信号。
9、优选地，所述对刀方式包括：在监控刀尖接近工件表面过程中，监测锁相放大器的输出，当刀尖和工件发生接触，则锁相放大器的输出会突然增加，基于信号处理领域常用的3西格玛准则进行判定刀尖和工件是否发生接触，一旦判定为接触，则对刀完成，以该位置作为切削的基准位置。
10、优选地，在加工过程中，通过激光位移传感器对刀路轨迹进行跟踪，并使用压电驱动器对法应力电磁致动器补偿跟踪误差。
11、与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
12、本专利技术通过宏微复合的机构拓扑构型，分别满足快速刀具伺服系统大行程和高带宽的应用需求，解决行程带宽矛盾。通过法应力电磁和压电混合驱动，充分利用不同驱动方式的优势，以满足宏微部分各自大行程和高带宽的设计目标。通过基于仿原子力显微镜的刀尖工件微接触力检测技术，提高了力感知的分辨率。通过位力混合控制，实现了智能自动对刀和表面形貌原位检测，实现了加工测量一体化的自律执行切削。
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1.一种基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，包括：法应力电磁致动器、压电驱动器、电压式微力传感器、刀架和主控单元；所述法应力电磁致动器；
2.根据权利要求1所述的基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述法应力电磁致动器设置有两个，两个法应力电磁致动器的驱动端相向设置，共同与所述压电驱动器的固定端连接。
3.根据权利要求1所述的基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述法应力电磁致动器和所述压电驱动器均设置有柔顺机构，所述柔顺机构用于连接法应力电磁致动器的固定端和驱动端；以及用于连接压电驱动器的固定端和驱动端。
4.根据权利要求1所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述压电驱动器设置有两个，两个压电驱动器并行设置，通过给两个压电驱动器施加相同的电压，使刀架做前后往复运动；通过给两个压电驱动器施加位差为90°的电压，使刀架沿椭圆轨迹运动。
5.根据权利要求1所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述伺服系统还包括激光位移传感器采
6.根据权利要求1所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，在刀具接近工件的过程中，通过给压电驱动器施加一个特定频率的正弦信号，使刀尖以特定频率作微幅振动，通过电压式微力传感器采集振动信号，将振动信号经过谐振放大器放大后传输到锁相放大器中，并设置锁相放大器的参考频率与刀尖的振动频率相同，锁相放大器输出该频率信号的幅值，并滤除其他频率范围内的噪声信号。
7.根据权利要求6所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述对刀方式包括：在监控刀尖接近工件表面过程中，监测锁相放大器的输出，当刀尖和工件发生接触，则锁相放大器的输出会突然增加，基于信号处理领域常用的3西格玛准则进行判定刀尖和工件是否发生接触，一旦判定为接触，则对刀完成，以该位置作为切削的基准位置。
8.根据权利要求5所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，在加工过程中，通过激光位移传感器对刀路轨迹进行跟踪，并使用压电驱动器对法应力电磁致动器补偿跟踪误差。
...【技术特征摘要】
1.一种基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，包括：法应力电磁致动器、压电驱动器、电压式微力传感器、刀架和主控单元；所述法应力电磁致动器；
2.根据权利要求1所述的基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述法应力电磁致动器设置有两个，两个法应力电磁致动器的驱动端相向设置，共同与所述压电驱动器的固定端连接。
3.根据权利要求1所述的基于宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述法应力电磁致动器和所述压电驱动器均设置有柔顺机构，所述柔顺机构用于连接法应力电磁致动器的固定端和驱动端；以及用于连接压电驱动器的固定端和驱动端。
4.根据权利要求1所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述压电驱动器设置有两个，两个压电驱动器并行设置，通过给两个压电驱动器施加相同的电压，使刀架做前后往复运动；通过给两个压电驱动器施加位差为90°的电压，使刀架沿椭圆轨迹运动。
5.根据权利要求1所述的宏微复合力控的加工测量一体化刀具伺服系统，其特征在于，所述伺服系统还包括激光位移传感器采集所述法应力电磁...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱利民，孟义轩，谭淩文，王湘元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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