一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置的制作方法

1.本发明涉及一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置。


背景技术：

2.异形柔性材料是指材料各处的厚度、韧性、硬度等不均匀的一种柔性材料，如动物皮毛、带浮雕的墙纸等，不同韧性以及硬度的材料对于裁剪作业中刀具的作用力形式不同，特别是对于不均匀的材料进行切割时，刀具会受到非周期性的随机冲击，冲击的方向包括刀具绕x、y、z轴的偏转以及沿刀轴方向的位移等，导致切口出现毛刺或其他缺陷，这对于高效裁剪作业会极大的影响裁剪的质量。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置，用以解决现有裁剪装置裁剪异形柔性材料时刀具易受绕x、y、z轴的偏转以及沿刀轴方向的位移等非周期随机冲击而导致裁剪精度低、裁剪质量低的技术问题。
4.本发明的技术方案如下：
5.基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置包括：
6.转刀机构，包括支架和转动装配在支架上的连接轴，连接轴的轴线竖直设置，连接轴的下部固定有调节盒，调节盒内具有矩形的安装腔，支架上还安装有驱动连接轴绕其轴线旋转的转刀驱动机构；
7.步进移动机构，用于驱动转刀机构沿相互垂直的x、y、z三个方向移动；
8.刀架，包括设在安装腔内的矩形块以及设置在矩形块下部的u形架，矩形块的上表面与安装腔的顶壁之间通过四个均布的上堆叠压电陶瓷连接，矩形块的下表面上设置有上永磁体，安装腔的底壁上设有与上永磁体对应设置的下永磁体，上、下永磁体相对的一侧极性相反以提供给彼此相斥的作用力，u形架包括间隔平行设置的两个边板，u形架的两个边板上分别设置有安装通孔，两个安装通孔同轴设置，安装通孔内安装有固定外磁环，矩形块上与边板平行的两个侧面和对应的安装腔上的侧壁之间分别设置有压缩弹簧，矩形块上的另外两个侧面与对应的安装腔上的侧壁之间分别设置有两个对称分布的侧堆叠压电陶瓷；
9.刀轴，中部安装有刀片，刀轴穿装在所述安装通孔和驱动孔中，刀轴上与所述固定外磁环一一对应套设有固定内磁环，固定内磁环与固定外磁环极性相反设置以彼此相斥；
10.刀具驱动装置，用于驱动刀轴旋转；
11.音圈电机，包括圆筒状的电机驱动块和由电机驱动块驱动的圆筒状的音圈动子，电机驱动块套设在音圈动子外且相对于u形架的一个边板固定，音圈动子套设并固定在刀轴上；
12.激光二极管，用于向刀片发射激光，安装在u形架的一侧的边板上；
13.四象限光电探测器，用于接收从刀片反射的激光以反馈刀片的偏转和位移量，安装在激光二极管的上方，固定在激光二极管所安装的边板上；
14.控制器，用于根据四象限光电探测器所反馈的刀片轴向位移信号和偏转信号以分别控制音圈电机提供反向的位移量、控制上堆叠压电陶瓷和侧堆叠压电陶瓷提供反向的偏转量。
15.进一步地，刀具驱动装置包括分别贴设在两个边板外面的驱动板，两块驱动板上分别设置有驱动孔，两驱动孔与安装通孔同轴设置，驱动孔内周面上均布有多个驱动电磁铁；刀轴上与两驱动孔中的各个驱动电磁铁一一对应设置有动子磁铁，驱动电磁铁通电后驱动动子磁铁旋转。使用时，启动驱动板上的各个驱动电磁铁，从而产生磁力与刀轴上的各动子磁铁耦合，进而带动刀轴沿其轴线旋转，带动刀片旋转以切割材料。当刀轴因为受非周期性冲击而偏离中心位置时，由于其驱动方式为驱动电磁铁驱动，即使其偏离中心位置，依然受到驱动电磁铁的驱动，确保了驱动的相对稳定性，即在所受冲击大、变形量大、轴心偏离的情况下依然可以进行有效的驱动。
16.进一步地，所述驱动孔为六边形孔，驱动孔的六个侧面上分别设置一个所述驱动电磁铁，所述刀轴上对应于两个驱动孔的两段的横截面为六边形，六边形的六个侧面上分别设置一个所述动子磁铁。
17.进一步地，转刀驱动机构包括依次传动连接的驱动电机、主动同步带轮、同步带和从动同步带轮，从动同步带轮固定在连接轴上。
18.进一步地，步进移动机构包括可沿x向移动的同步带传动机构和分别可沿y、z方向移动的丝杆传动机构。
19.本发明的有益效果：本发明的一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置在使用时，启动刀具驱动装置带动刀轴绕其轴线旋转，带动刀片旋转以切割材料，当由于所切割的材料因各处韧性、强度、硬度、密度等不同而导致刀片产生非周期性的冲击，表现为刀片分别绕x、y、z轴的偏转、沿y向的位移和刀片沿刀轴径向的跳动，刀轴的径向的跳动依靠固定外磁环和固定内磁环之间斥力的抵消而逐渐消失，而且所受的冲击越大，内、外磁环之间的斥力越大，实现了自适应抗冲击载荷的目的，保证了刀片的抗冲击性；而激光二极管发射的激光照射在刀片上后被反射而进入到四象限光电探测器的检测区域中，经过控制器的计算后给出刀片具体的偏转方向和偏转量及具体的y向位移量，因为是实时检测，反馈给控制器的是一串连续的数据，控制器经过傅立叶变化转化为频域并分析其频率、幅度、相位，经过控制器处理后的也是一串连续的控制命令，并实时传递给音圈电机和上堆叠压电陶瓷、侧堆叠压电陶瓷，音圈电机的电机驱动块实时按照与刀轴相反的动作带动音圈动子运动，音圈动子与刀轴固定在一起以抵消刀轴的抖动，实现刀具轴向抖动的主动消除；上堆叠压电陶瓷和侧堆叠压电陶瓷是一种几点换能器，能将电信号转换成机械位移，且其转换精准、实时转换、转换速率极高，堆叠压电陶瓷也叫叠层式微位移压电陶瓷或多层堆叠式压电陶瓷微动装置，是将多个压电陶瓷片叠加在一起形成的，若一片能位移1nm，多片叠加后的位移量就可以满足使用要求，是常用的微位移装置，通过设置在矩形块上表面的四个上堆叠压电陶瓷彼此之间的伸缩配合，可以实现对刀具绕x轴和y轴偏转的补偿，即抵消刀片绕x轴和y轴方向的偏转；通过设置在矩形块的两个相对的侧面上的侧堆叠压电陶瓷，可以实现对刀具绕z轴偏转的补偿。
20.可见，本发明的方案可以有效补偿刀具切割时的各向偏转和抖动，可显著提高裁剪设备的加工精度，规避裁剪处的毛刺及其他常见缺陷，提高所裁剪材料的质量。
附图说明
21.图1为本发明的一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置的具体实施方式的总体结构示意图；
22.图2为转刀机构及其上所安装的其他部件的立体结构示意图；
23.图3为图2的主视图；
24.图4为图2的右视图；
25.图5为图3中a-a处的剖视图；
26.图6为图4中b-b处的剖视图；
27.图中：1-机架，2-步进移动机构，21-x向同步带传动机构，22-y向丝杆传动机构，23-z向丝杆传动机构，231-输出滑块(即输出端)；3-转刀机构，31-支架，32-连接轴，33-驱动电机，34-主动同步带轮，35-同步带，36-从动同步带轮，37-调节盒，4-刀架，41-矩形块，42-u形架，421-边板，5-刀片，6-音圈电机，61-电机驱动块，62-音圈动子，7-待切割异形柔性材料，8-柔性切割面板，9-四象限光电探测器，10-驱动板，30-驱动电磁铁，40-动子磁铁，50-刀轴，60-固定外磁环，70-固定内磁环，80-上堆叠压电陶瓷，90-侧堆叠压电陶瓷，100-压缩弹簧，110-激光二极管，111-检测激光，120-上永磁体，130-下永磁体。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
31.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
32.本发明的一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置的一种实施方式：如图1-6所示，基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置包括机架1、步进移动机构2、转刀机构3、刀架4、刀轴50、刀片5、音圈电机6、四象限光电探测器9、激光二极管110、上永磁体120、下永磁体130、上堆叠压电陶瓷80、侧堆叠压电陶瓷90、固定外磁环60、固定内磁环70、压缩弹簧100、驱动板10和控制器等。
33.机架1为矩形框架结构。步进移动机构2安装在机架1上，包括可沿相互垂直的x、y、z三个方向移动的输出端；转刀机构3悬装在输出端上，包括支架31和转动装配在支架31上
的连接轴32，连接轴32的轴线竖直设置，支架31上还安装有驱动连接轴32绕其轴线旋转的转刀驱动机构。
34.转刀机构3包括支架31和转动装配在支架31上的连接轴32，连接轴32的轴线竖直设置，连接轴32的下部固定有调节盒37，调节盒37的一侧开口，并设置有可拆卸的端盖。调节盒37内具有矩形的安装腔，安装腔的下部设有开口以供刀架4自由穿过。支架31上还安装有驱动连接轴32绕其轴线旋转的转刀驱动机构，转刀驱动机构包括依次传动连接的驱动电机33、主动同步带轮34、同步带35和从动同步带轮36，从动同步带轮36固定在连接轴32上。
35.步进移动机构2用于驱动转刀机构3沿相互垂直的x、y、z三个方向移动；步进移动机构2包括可沿x向移动的同步带传动机构和分别可沿y、z方向移动的丝杆传动机构。
36.刀架4包括设在安装腔内的矩形块41以及设置在矩形块41下部的u形架42，矩形块41的上表面与安装腔的顶壁之间通过四个均布的上堆叠压电陶瓷80连接，矩形块41的下表面上设置有上永磁体120，安装腔的底壁上设有与上永磁体120对应设置的下永磁体130，上、下永磁体相对的一侧极性相反以提供给彼此相斥的作用力，u形架42包括间隔平行设置的两个边板421，u形架42的两个边板421上分别设置有安装通孔，两个安装通孔同轴设置，安装通孔内安装有固定外磁环60，矩形块41上与边板421平行的两个侧面和对应的安装腔上的侧壁之间分别设置有压缩弹簧100，矩形块41上的另外两个侧面与对应的安装腔上的侧壁之间分别设置有两个对称分布的侧堆叠压电陶瓷90。
37.刀轴50中部安装有刀片5，刀轴50穿装在所述安装通孔和驱动孔中，刀轴50上与所述固定外磁环60一一对应套设有固定内磁环70，固定内磁环70与固定外磁环60极性相反设置以彼此相斥。
38.刀具驱动装置用于驱动刀轴50旋转；刀具驱动装置包括分别贴设在两个边板421外面的驱动板10，两块驱动板10上分别设置有驱动孔，两驱动孔与安装通孔同轴设置，驱动孔内周面上均布有多个驱动电磁铁30；刀轴50上与两驱动孔中的各个驱动电磁铁30一一对应设置有动子磁铁40，驱动电磁铁30通电后驱动动子磁铁40旋转。使用时，启动驱动板10上的各个驱动电磁铁30，从而产生磁力与刀轴50上的各动子磁铁40耦合，进而带动刀轴50沿其轴线旋转，带动刀片5旋转以切割材料。当刀轴50因为受非周期性冲击而偏离中心位置时，由于其驱动方式为驱动电磁铁30驱动，即使其偏离中心位置，依然受到驱动电磁铁30的驱动，确保了驱动的相对稳定性，即在所受冲击大、变形量大、轴心偏离的情况下依然可以进行有效的驱动。驱动孔为六边形孔，驱动孔的六个侧面上分别设置一个所述驱动电磁铁30，所述刀轴50上对应于两个驱动孔的两段的横截面为六边形，六边形的六个侧面上分别设置一个所述动子磁铁40。
39.音圈电机6包括圆筒状的电机驱动块61和由电机驱动块61驱动的圆筒状的音圈动子62，电机驱动块61套设在音圈动子62外且相对于u形架42的一个边板421固定，音圈动子62套设并固定在刀轴50上。
40.激光二极管110用于向刀片5发射激光111，安装在u形架42的一侧的边板421上。
41.四象限光电探测器9用于接收从刀片5反射的激光以反馈刀片5的偏转和位移量，安装在激光二极管110的上方，固定在激光二极管110所安装的边板421上。
42.控制器用于根据四象限光电探测器9所反馈的刀片5轴向位移信号和偏转信号以分别控制音圈电机6提供反向的位移量、控制上堆叠压电陶瓷80和侧堆叠压电陶瓷90提供
反向的偏转量。
43.本发明的一种基于光反射检测的防抖动异形柔性材料裁剪装置在使用时，启动刀具驱动装置带动刀轴50绕其轴线旋转，带动刀片5旋转以切割材料，当由于所切割的材料因各处韧性、强度、硬度、密度等不同而导致刀片5产生非周期性的冲击，表现为刀片5分别绕x、y、z轴的偏转、沿y向的位移和刀片5沿刀轴50径向的跳动，刀轴50的径向的跳动依靠固定外磁环60和固定内磁环70之间斥力的抵消而逐渐消失，而且所受的冲击越大，内、外磁环之间的斥力越大，实现了自适应抗冲击载荷的目的，保证了刀片5的抗冲击性；而激光二极管110发射的激光照射在刀片5上后被反射而进入到四象限光电探测器9的检测区域中，经过控制器的计算后给出刀片5具体的偏转方向和偏转量及具体的y向位移量，因为是实时检测，反馈给控制器的是一串连续的数据，控制器经过傅立叶变化转化为频域并分析其频率、幅度、相位，经过控制器处理后的也是一串连续的控制命令，并实时传递给音圈电机6和上堆叠压电陶瓷80、侧堆叠压电陶瓷90，音圈电机6的电机驱动块61实时按照与刀轴50相反的动作带动音圈动子62运动，音圈动子62与刀轴50固定在一起以抵消刀轴50的抖动，实现刀具轴向抖动的主动消除；上堆叠压电陶瓷80和侧堆叠压电陶瓷90是一种几点换能器，能将电信号转换成机械位移，且其转换精准、实时转换、转换速率极高，堆叠压电陶瓷也叫叠层式微位移压电陶瓷或多层堆叠式压电陶瓷微动装置，是将多个压电陶瓷片叠加在一起形成的，若一片能位移1nm，多片叠加后的位移量就可以满足使用要求，是常用的微位移装置，通过设置在矩形块41上表面的四个上堆叠压电陶瓷80彼此之间的伸缩配合，可以实现对刀具绕x轴和y轴偏转的补偿，即抵消刀片5绕x轴和y轴方向的偏转；通过设置在矩形块41的两个相对的侧面上的侧堆叠压电陶瓷90，可以实现对刀具绕z轴偏转的补偿。本发明的方案可以有效补偿刀具切割时的各向偏转和抖动，可显著提高裁剪设备的加工精度，规避裁剪处的毛刺及其他常见缺陷，提高所裁剪材料的质量。
44.长臂状支架31一端固定于z向丝杆传动机构的输出滑块231上，靠近固定端的固定孔中固定有驱动电机33，其轴与主动同步带轮34固定连接，与固定于支架31外端的从动同步带轮36通过同步带连接并传递动力。
45.从动同步带轮36与连接轴32固定连接，并与支架31远端的通孔同轴连接。连接轴32下端的端面固定于长方行的刀架4上部中心处。
46.刀架4下部开有对称分布的两边板421，在y方向开有同轴的通孔，其中固定有固定外磁环60，在两侧的固定外磁环60中心固定安装有固定内磁环70，其极性与固定外磁环60相反，并且固定内磁环70固定于刀轴50上，在刀轴50的中心处固定有刀片5。因此刀片5与固定内磁环70通过刀轴50固定连接，其通过固定外磁环60实现径向非接触定位，在径向承载上呈非线性载荷。即在刀片5受到的冲击越大的情况下，刀片5受到的动态承载力越强，运动阻力越大，保证了径向的抗冲击性。
47.圆柱轴状的刀轴50两端为六边形构造，在每个侧面上圆周阵列固定安装有一圈6个动子磁铁40，其与固定安装于驱动板10对应六边形空槽内的六边面上的驱动电磁铁30一一对应。在施加交变电流的情况下，由固定于驱动板10上的驱动电磁铁30带动刀轴50实现非接触式旋转运动，并留有一定的运动轴中心偏差冗余度，保证了在冲击大，变形大，轴心偏离的情况下仍然可以实现有效的驱动。驱动板10与u形架42固定连接。
48.刀架4下部开有对称分布的两边板421的对称内侧一端固定安装有圆筒状的电机
驱动块61，圆筒状电机驱动块61与刀架4下部开有对称分布的两边板421的通孔同轴安装固定；圆筒状音圈动子62固定安装在刀轴50上与电机驱动块61同轴间隙配合。通过驱动电机33驱动块实现音圈动子62带动刀轴50与刀片5实现轴向高频微位移。
49.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。