[发明专利]具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置的控制方法

说明书

本发明提供了一种具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，包括：音圈电机，其外壳连接Z高度伺服平台；气浮导轨，其底座连接XY方向伺服平台，滑轴的第一端通过第一连接件连接音圈电机的线圈，第二端通过第二连接件连接刀具；驱动回路，其包括串接于回路中的电源和IGBT开关管，回路两端分别耦接所述线圈的两端；以及控制模块，其包括耦接所述驱动回路的采样单元和设于所述滑轴上的位置反馈单元，以及耦接所述采样单元和位置反馈单元的控制器。本发明针对超精密加工产品在线检测和金刚石刀具磨损情况在线检测的需求，实现了超精密加工过程中的在线加工测量一体化。

技术领域

本发明涉及一种快刀伺服装置，具体涉及一种具备切削力在线感知能力的快刀伺服装置及其控制方法。

背景技术

超精密切削技术是信息电子、光学、航空航天等领域关键部件表面微结构的重要加工手段之一。其借助金刚石刀具具有锋利切削刃、硬度高、耐磨性好、能实现超薄切削厚度等特点，具有可以加工超光滑(表面粗糙度Ra优于10nm)、高精度(表面面形精度优于100nm)复杂表面/曲面的优势。快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)是最具有代表性的超精密加工手段。

快刀伺服技术具有高刚度、高频响和高定位精度的特点，特别适用于结构特征周期小、曲面面形复杂的三维微结构表面。同时，相比于光刻技术、飞秒激光加工技术、特种能场加工技术等，快刀伺服技术加工面形精度高、具有自由曲面制造能力和批量复制能力，在三维微结构自由曲面的加工方面具有明显的优势。

然而，随着加工材料的多样化和加工过程的复杂化，金刚石刀具难以在切削过程中保持恒定的良好切削状态，所加工的大面积微结构表面很容易出现局部区域的微结构缺陷。同时，由于金刚石刀具的寿命限制，磨损的金刚石刀具更加剧了微结构表面缺陷的产生。在线检测和避免这些微结构缺陷已经成为了不可避免的问题，而依靠单一金刚石刀具的位置反馈并不能解决这些问题。

因此，有必要开发出一款带有切削力在线检测的快刀伺服装置。但受限于目前的快刀伺服装置的结构，快刀伺服装置只能借助附加的力传感器模块来实现切削力的检测。这不仅增加了装置的复杂性，提升了加工过程中的不确定度；也损失了快刀伺服装置的诸如频响、最大加速度等性能，不能简单有效地实现快刀伺服装置的在线加工测量一体化。因此，利用快刀伺服装置的内在模型，简单、有效地检测快刀伺服装置的切削力，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是针对超精密加工产品在线检测和金刚石刀具磨损情况在线检测的需求，设计一种能够简单有效检测切削力的快刀伺服装置及其控制方法，实现超精密加工过程中的在线加工测量一体化。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种具备切削力在线感知功能的快刀伺服装置，包括：

音圈电机，其外壳连接Z高度伺服平台；

气浮导轨，其底座连接XY方向伺服平台，滑轴的第一端通过第一连接件连接音圈电机的线圈，第二端通过第二连接件连接刀具；

驱动回路，其包括串接于回路中的电源和IGBT开关管，回路两端分别耦接所述线圈的两端；

以及控制模块，其包括耦接所述驱动回路的采样单元和设于所述滑轴上的位置反馈单元，以及耦接所述采样单元和位置反馈单元的控制器；所述控制器用于根据所述采样单元采集的驱动回路电流大小和流向，以及位置反馈单元反馈的位置信息，输出PWM波控制所述IGBT开关管的开闭，进而控制音圈电机的正反向运动与加减速。

进一步的，所述音圈电机包括外壳，以及设于外壳内的永磁铁和线圈；所述外壳采用电工纯铁制成，所述永磁铁采用钕铁硼材料制成，呈圆柱环结构，并沿径向方向充磁。