專利名稱：一種高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密切削和光學(xué)零件切削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自由曲面金剛石 車削的刀具伺服裝置。
背景技術(shù)：
自由曲面各型值點(diǎn)之間可以沒有幾何約束，給光學(xué)設(shè)計人員提供了很大的自由設(shè) 計空間，這意味著基于自由曲面光學(xué)零件的光學(xué)系統(tǒng)能夠擁有更加優(yōu)異的光學(xué)性能。例如 矯正像差、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場、增大作用距離等，并且一個或少數(shù)幾個自由曲面光學(xué)零件 就能夠代替較多的球面、非球面光學(xué)零件，從而使光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單化、輕量化。由于自由曲面光學(xué)零件無可比擬的性能，使得自由曲面光學(xué)零件在許多重要的工 業(yè)領(lǐng)域有著日益增加的需求?；诳焖俚毒咚欧?以下簡稱FTS)的金剛石車削加工被認(rèn)為 是一種最有發(fā)展前途的、高效精密以及低成本的光學(xué)自由曲面創(chuàng)成方法，實(shí)施該方法的關(guān) 鍵之一在于高精密大行程FTS裝置的研制等?，F(xiàn)有的FTS裝置，主要涉及單軸的直線式 FTS和擺動式FTS、以及多軸小行程FTS等技術(shù)方案。對于自由曲面類的待加工表面，主軸每一轉(zhuǎn)內(nèi)金剛石刀具都必須相對于工件作快 速往復(fù)運(yùn)動?，F(xiàn)有的單軸FTS僅僅提供了沿Z軸的往復(fù)直線運(yùn)動或繞Y軸的往復(fù)擺動。但 實(shí)際上為了主動控制刀具接觸點(diǎn)在加工表面上的路徑，這導(dǎo)致刀尖圓弧中心不僅有Z向的 往復(fù)直線運(yùn)動、也同時存在X向的往復(fù)直線運(yùn)動。對于單軸擺動式FTS，若要避免不過切，X 軸或Z軸的往復(fù)直線運(yùn)動皆是必須的?，F(xiàn)有的多軸FTS的主要問題是行程較小，難以滿足 較大“非回轉(zhuǎn)對稱性”的自由曲面加工創(chuàng)成要求。綜上所述，為了克服這些問題，本發(fā)明針對光學(xué)自由曲面的超精密金剛石車削創(chuàng) 成，提出一種自由曲面金剛石車削的高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置，使金剛石刀具實(shí)現(xiàn)在X軸 和Z軸方向上的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動以及抑制在Y軸方向上的誤差運(yùn)動。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是右擋板、前擋板、后擋板、左擋板下邊分別與底座固定 連接、頂部分別與上蓋固定連接，鉸鏈支架的底部固定在底座上，上部為運(yùn)動部分，中間為 帶有鉸鏈的四個連桿，X向音圈電機(jī)的定子固定在右擋板上，動子固定在鉸鏈支架的右側(cè)上 部，Z向音圈電機(jī)的定子固定在后擋板上，動子固定在鉸鏈支架的后側(cè)上部；壓電疊堆座固 定在鉸鏈支架的前側(cè)上部的中間位置，中間槽內(nèi)為壓電疊堆執(zhí)行器，利用預(yù)緊螺釘調(diào)節(jié)楔 形塊實(shí)現(xiàn)壓電疊堆的預(yù)緊，壓電疊堆執(zhí)行器的活動端與Y向位移微調(diào)機(jī)構(gòu)前端接觸，Y向 位移微調(diào)機(jī)構(gòu)的后端固定在鉸鏈支架的上部；金剛石刀具與Y向位移微調(diào)機(jī)構(gòu)前端固定連 接，電容傳感器通過電容傳感器安裝座與上蓋固定連接，Z向直線光柵尺和X向直線光柵尺 分別沿Z向和X向貼附在鉸鏈支架的運(yùn)動部分，Z向讀數(shù)頭固定在左擋板上，X向讀數(shù)頭固 定在支架上。
金剛石刀具的X向位移和Z向位移分別采用X向直線光柵尺和Z向直線光柵尺檢 測，為X向音圈電機(jī)和Z向音圈電機(jī)的閉環(huán)控制分別提供反饋信號。金剛石刀具的Y向附加位移采用電容傳感器檢測，為微調(diào)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制提供反
饋信號。兩個高性能的音圈執(zhí)行器皆具有毫米級的行程，檢測元件直線光柵和電容微位 移傳感器皆具有0.01微米級以上的精度，因此在X軸和Z軸的運(yùn)動皆可達(dá)到毫米級的大行 程、在X、Y和Z三軸方向上可達(dá)到亞微米級的精度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在X軸和Z軸上皆可獲得毫米級的大行程運(yùn)動；通過Y軸方 向上的誤差補(bǔ)償，抑制了 X軸和Z軸的側(cè)向運(yùn)動。本發(fā)明主要適用于具有較大“非回轉(zhuǎn)對稱 性”的自由曲面金剛石車削創(chuàng)成。


圖1是本發(fā)明的外形圖2是本發(fā)明的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的位移檢測元件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的工作原理圖； 圖5是本發(fā)明的位移分析圖。
具體實(shí)施例方式右擋板1、前擋板2、后擋板5、左擋板6下邊分別與底座7固定連接、頂部分別與上 蓋4固定連接，鉸鏈支架8的底部固定在底座7上，上部為運(yùn)動部分，中間為帶有鉸鏈的四 個連桿，X向音圈電機(jī)13的定子固定在右擋板1上，動子固定在鉸鏈支架8的右側(cè)上部，Z 向音圈電機(jī)15的定子固定在后擋板5上，動子固定在鉸鏈支架8的后側(cè)上部；壓電疊堆座 9固定在鉸鏈支架8的前側(cè)上部的中間位置，中間槽內(nèi)為壓電疊堆執(zhí)行器11，利用預(yù)緊螺釘 14調(diào)節(jié)楔形塊10實(shí)現(xiàn)壓電疊堆的預(yù)緊，壓電疊堆執(zhí)行器11的活動端與Y向位移微調(diào)機(jī)構(gòu) 12前端接觸，Y向位移微調(diào)機(jī)構(gòu)12的后端固定在鉸鏈支架8的上部；金剛石刀具3與Y向 位移微調(diào)機(jī)構(gòu)前端固定連接，電容傳感器17通過電容傳感器安裝座16與上蓋固定連接，Z 向直線光柵尺18和X向直線光柵尺20分別沿Z向和X向貼附在鉸鏈支架8的運(yùn)動部分， Z向讀數(shù)頭19固定在左擋板6上，X向讀數(shù)頭21固定在支架22上。金剛石刀具3的X向位移和Z向位移分別采用X向直線光柵和Z向直線光柵尺檢 測，為X向音圈電機(jī)和Z向音圈電機(jī)的閉環(huán)控制分別提供反饋信號。金剛石刀具3的Y向附加位移采用電容傳感器檢測，為微調(diào)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制提供 反饋信號。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明
圖1，利用四塊側(cè)板和上下底座構(gòu)成密封裝置，以避免切屑等雜質(zhì)進(jìn)入。圖2，分別利用X向音圈電機(jī)13和Z向音圈電機(jī)15驅(qū)動鉸鏈支架8沿X向禾Π Z向 平動；由于平行四邊形機(jī)構(gòu)會導(dǎo)致X向或Z向運(yùn)動在Y向產(chǎn)生附加位移，可利用壓電疊堆執(zhí) 行器11驅(qū)動Y向微位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，以避免金剛石刀具3在Y向產(chǎn)生附加 位移對加工效果的影響。
圖3，利用兩個直線光柵檢測音圈電機(jī)驅(qū)動所產(chǎn)生的X向和Z向位移；利用電容傳 感器17檢測微位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12的Y向位移，檢測位置在壓電疊堆執(zhí)行器11的正上方，可 以檢測金剛石刀具Y向位移的變化。圖4示出了鉸鏈支架8的工作原理，鉸鏈支架8既可沿X向移動也可沿Z向移動， 二者互不影響、相互獨(dú)立。圖5示出了本發(fā)明的位移分析，當(dāng)鉸鏈轉(zhuǎn)動時，杠桿頂端在Y向會產(chǎn)生附加位移量 Δγ,Δγ的值分別與杠桿頂端在Z向和X向的位移量有關(guān)，可求解如下
式中，I是杠桿的長度。 本發(fā)明之實(shí)施方式分別對X向音圈電機(jī)13和Z向音圈電機(jī)15輸入控制電流，驅(qū) 動鉸鏈支架8上的金剛石刀具3以實(shí)現(xiàn)在X向和Z向上的往復(fù)運(yùn)動，利用直線光柵檢測瞬 時位移，構(gòu)成兩個閉環(huán)控制系統(tǒng)；鉸鏈支架繞鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生造成的附加位移Δ y，可根據(jù) 式(1)求解得到，利用壓電疊堆執(zhí)行器11驅(qū)動微調(diào)機(jī)構(gòu)12預(yù)補(bǔ)償這個附加位移Δ y，并利 用電容傳感器17實(shí)時檢測金剛石刀具3的Y向位移，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，以消除金剛 石刀具由于X向和Z向運(yùn)動所產(chǎn)生的Y向附加位移。
權(quán)利要求
1.一種高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置，其特征在于右擋板、前擋板、后擋板、 左擋板下邊分別與底座固定連接、頂部分別與上蓋固定連接，鉸鏈支架的底部固定在底座 上，上部為運(yùn)動部分，中間為帶有鉸鏈的四個連桿，X向音圈電機(jī)的定子固定在右擋板上，動 子固定在鉸鏈支架的右側(cè)上部，Z向音圈電機(jī)的定子固定在后擋板上，動子固定在鉸鏈支架 的后側(cè)上部；壓電疊堆座固定在鉸鏈支架的前側(cè)上部的中間位置，中間槽內(nèi)為壓電疊堆執(zhí) 行器，利用預(yù)緊螺釘調(diào)節(jié)楔形塊實(shí)現(xiàn)壓電疊堆的預(yù)緊，壓電疊堆執(zhí)行器的活動端與Y向位 移微調(diào)機(jī)構(gòu)前端接觸，Y向位移微調(diào)機(jī)構(gòu)的后端固定在鉸鏈支架的上部；金剛石刀具與Y向 位移微調(diào)機(jī)構(gòu)前端固定連接，電容傳感器通過電容傳感器安裝座與上蓋固定連接，Z向直線 光柵尺和X向直線光柵尺分別沿Z向和X向貼附在鉸鏈支架的運(yùn)動部分，Z向讀數(shù)頭固定 在左擋板上，X向讀數(shù)頭固定在支架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置，其特征在于金剛石 刀具的X向位移和向位移分別采用X向直線光柵尺和Z向直線光柵尺檢測，為X向音圈電 機(jī)和Z向音圈電機(jī)的閉環(huán)控制分別提供反饋信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置，其特征在于金剛石 刀具的Y向附加位移采用電容傳感器檢測，為微調(diào)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制提供反饋信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置，屬于超精密加工和光學(xué)零件加工等技術(shù)領(lǐng)域，適用于具有較大“非回轉(zhuǎn)對稱性”的自由曲面金剛石車削創(chuàng)成等。本發(fā)明由兩個音圈電機(jī)分別驅(qū)動一個柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，使金剛石刀具在X向和Z向分別作快速往復(fù)運(yùn)動，通過一個壓電疊堆執(zhí)行器驅(qū)動一個微調(diào)機(jī)構(gòu)以消除在Y向的附加運(yùn)動；利用兩個直線光柵分別檢測金剛石刀具在X向和Z向的位移，一個電容傳感器檢測在Y向的附加位移。本發(fā)明具有在X向和Z向上可同時實(shí)現(xiàn)高精密大行程快速往復(fù)運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23Q17/22GK102069411SQ20101055989
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者劉強(qiáng), 周曉勤, 段寧華 申請人:吉林大學(xué)