專利名稱：一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密加工和復(fù)雜曲面光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自由曲面超 精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置。
背景技術(shù)：
利用動(dòng)態(tài)誤差抵消方法，可提升現(xiàn)行超精密車床的加工精度和表面質(zhì)量。迄今為 止，自由曲面超精密車削的誤差抵消主要是針對(duì)低頻誤差(靜態(tài)或擬靜態(tài)誤差)，針對(duì)中低 頻或中高頻動(dòng)態(tài)誤差的還較少，而且在這些技術(shù)方案中基本上都是利用單自由度的誤差抵 消裝置。在自由曲面超精密車削中，所產(chǎn)生的刀具與工件之綜合誤差不僅依賴于回轉(zhuǎn)軸和 平移軸的位置坐標(biāo)，而且還依賴機(jī)床溫升等因素，這使得綜合誤差具有中低頻或中高頻動(dòng) 態(tài)特征、以及非回轉(zhuǎn)對(duì)稱性；刀具與工件之綜合誤差不僅在Z軸上有投影分量，在X軸上也 有大小相當(dāng)?shù)耐队胺至浚@使得現(xiàn)行的單自由度誤差抵消裝置難以滿足實(shí)際自由曲面超精 密車削的主動(dòng)誤差抵消要求。自由曲面超精密車削的動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置，其主要的性能要求是(1)具有中低 頻或中高頻響、高精度和適當(dāng)?shù)臎_程等特性；(2)在X軸和Z軸之間的運(yùn)動(dòng)必須是獨(dú)立、解 耦的，并且X軸或Z軸之誤差抵消不應(yīng)該在其它的方向上產(chǎn)生附加或寄生的運(yùn)動(dòng)。盡管在其它的精密制造領(lǐng)域，已有關(guān)于兩軸或多軸運(yùn)動(dòng)伺服裝置的報(bào)道，但還不 能直接適用于自由曲面超精密車削的動(dòng)態(tài)誤差抵消。這些多軸運(yùn)動(dòng)伺服裝置尚不滿足自由 曲面超精密車削動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置的性能要求，其最為主要的缺陷是(1)兩個(gè)軸之間是 運(yùn)動(dòng)耦合的，這使得這兩個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)控制非常困難；(2)在某個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)將在其它的方 向上產(chǎn)生附加或寄生的運(yùn)動(dòng)，而為了消除這些附加或寄生的運(yùn)動(dòng)，不得不在這些產(chǎn)生寄生 運(yùn)動(dòng)的方向上施加額外的驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償，這將使得誤差抵消裝置的設(shè)計(jì)制造復(fù)雜、整體精度和 帶寬降低。還需指出的是即使是有慢速溜板伺服的多軸超精密車床，也不適合中低頻或中 高頻動(dòng)態(tài)誤差抵消，這主要因?yàn)槁倭锇逅欧耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)頻率太低?，F(xiàn)行的有慢伺服軸的 多軸超精密車床，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率也就能達(dá)到幾個(gè)赫茲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置，以解決多軸 運(yùn)動(dòng)伺服裝置尚不滿足自由曲面超精密車削動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置性能要求的問(wèn)題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是左側(cè)板、右側(cè)板和前蓋板分別與基座、上蓋板固定連 接，兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與基座定位固定連接，金剛石刀具與兩自由度柔性鉸 鏈機(jī)構(gòu)固定連接，X向壓電執(zhí)行器通過(guò)X向U型塊分別與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)中的左立 柱、右立柱上的U型槽、用X向預(yù)緊螺釘固定連接；Z向壓電執(zhí)行器一、Z向壓電執(zhí)行器二分 別通過(guò)Z向U型塊一、Z向U型塊二、與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)后部的兩個(gè) U型槽、用Z向預(yù)緊螺釘一、Z向預(yù)緊螺釘二固定連接，傳感器支架與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)后部左側(cè)或右側(cè)固定連接，X向電容位移傳感器與傳感器支架上的圓孔固定連接，其測(cè)頭正 對(duì)X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，Z向電容位移傳感器與柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)后部的圓孔固定連 接，其測(cè)頭正對(duì)Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明的一種實(shí)施方式是兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)是一個(gè)“H型”整體結(jié)構(gòu)，分為 左、中、右三部分，其中左側(cè)部分的左立柱分別通過(guò)柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X 向左導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接；右側(cè)部分的右立柱分別通過(guò)柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向 右導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接；中間部分是X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其左端分別通過(guò)左上柔性鉸鏈、左下柔性鉸鏈 與與X向左導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接，其右端分別通過(guò)右上柔性鉸鏈、右下柔性鉸鏈與X向右導(dǎo)向動(dòng)臂 鉸接；該X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上有通過(guò)線切割在直接加工而成的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的一種實(shí)施方式是所述的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)柔性鉸鏈 一、柔性鉸鏈二、柔性鉸鏈三、柔性鉸鏈四與其兩側(cè)和導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接、并通過(guò)柔性鉸鏈五、柔 性鉸鏈六、柔性鉸鏈七、柔性鉸鏈八與其后部一組杠桿放大機(jī)構(gòu)鉸接；該組杠桿放大機(jī)構(gòu)的 支點(diǎn)分別為可以產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性鉸鏈九、柔性鉸鏈?zhǔn)?，杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端分別通過(guò) 柔性鉸鏈?zhǔn)?、柔性鉸鏈?zhǔn)c杠桿放大機(jī)構(gòu)鉸接。所述的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生X、Z兩個(gè)方向的誤差補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，利用X軸壓電執(zhí)行器 驅(qū)動(dòng)X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)的柔性鉸鏈導(dǎo)向部分實(shí)現(xiàn)X軸無(wú)側(cè)向位移的誤差補(bǔ)償運(yùn) 動(dòng)；利用Z軸壓電執(zhí)行器分別同時(shí)作用于杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端，依靠Z向?qū)驒C(jī)構(gòu)導(dǎo)向， 將放大后的直線位移準(zhǔn)確傳遞到金剛石刀具上，從而實(shí)現(xiàn)Z軸無(wú)側(cè)向位移的誤差補(bǔ)償運(yùn) 動(dòng)。X軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)是解耦的，運(yùn)動(dòng)中也不會(huì)產(chǎn)生摩擦和磨損，可大大提高運(yùn)動(dòng)精度和使 用壽命。所述的X軸、Z軸兩個(gè)電容位移傳感器分別用于檢測(cè)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的X軸和Z軸 所產(chǎn)生的微位移，為X軸壓電執(zhí)行器和Z軸壓電執(zhí)行器的閉環(huán)控制分別提供反饋信號(hào)。本發(fā)明通過(guò)在X軸和Z軸上高精度、中低頻或中高頻響的動(dòng)態(tài)抵消，以抑制刀具與 工件之間的綜合誤差，解除X軸和Z軸之間的運(yùn)動(dòng)耦合，X軸或Z軸誤差抵消運(yùn)動(dòng)不在其它 方向上產(chǎn)生寄生運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)兩自由度的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)為一個(gè)整體式結(jié)構(gòu)、沒(méi)有裝配 誤差，具有高精度；(2)在X軸和Z軸上皆利用了雙穩(wěn)態(tài)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，使之不會(huì)在其它 軸上產(chǎn)生任何寄生運(yùn)動(dòng)；(3)在X軸與Z軸之間的運(yùn)動(dòng)是解耦的，易于控制實(shí)施。本發(fā)明不僅可實(shí)現(xiàn)超精密車床之X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)的超精密中低頻或中高頻動(dòng)態(tài)誤 差抵消，也可實(shí)現(xiàn)自由曲面的超精密車削創(chuàng)成。


圖1是本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的主視圖； 圖4是本發(fā)明兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的俯視圖； 圖5是本發(fā)明基座裝配面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)及位移檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式左側(cè)板4、右側(cè)板6和前蓋板3分別與基座1、上蓋板5固定連接，兩自由度柔性鉸 鏈機(jī)構(gòu)12通過(guò)螺栓與基座1定位固定連接，由基座1上的面101、102、103定位，金剛石刀 具2與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12固定連接，X向壓電執(zhí)行器11通過(guò)X向U型塊10分別與 兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12中的左立柱1203、右立柱1204上的U型槽、用X向預(yù)緊螺釘9固 定連接；Z向壓電執(zhí)行器一 13、Z向壓電執(zhí)行器二 17分別通過(guò)Z向U型塊一 14、Z向U型塊 二 18、與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1213后部的兩個(gè)U型槽、用Z向預(yù)緊螺 釘一 15、Z向預(yù)緊螺釘二 19固定連接，傳感器支架7與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12后部左側(cè) 或右側(cè)固定連接，X向電容位移傳感器8與傳感器支架7上的圓孔固定連接，其測(cè)頭正對(duì)X 向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1213，Z向電容位移傳感器16與柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1213后部 的圓孔固定連接，其測(cè)頭正對(duì)Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)121301。本發(fā)明的一種實(shí)施方式是兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)12是一個(gè)“H型”整體結(jié)構(gòu)，分 為左、中、右三部分，其中左側(cè)部分的左立柱1203分別通過(guò)柔性鉸鏈上連接1205、柔性鉸鏈 下連接1208和X向左導(dǎo)向動(dòng)臂1201鉸接；右側(cè)部分的右立柱1204分別通過(guò)柔性鉸鏈上 連接1212、柔性鉸鏈下連接1209和X向右導(dǎo)向動(dòng)臂1202鉸接；中間部分是X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 1213，其左端分別通過(guò)左上柔性鉸鏈1206、左下柔性鉸鏈與1207與X向左導(dǎo)向動(dòng)臂1201鉸 接，其右端分別通過(guò)右上柔性鉸鏈1211、右下柔性鉸鏈1210與X向右導(dǎo)向動(dòng)臂1202鉸接； 該X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1213上有通過(guò)線切割在直接加工而成的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
所述的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)121301通過(guò)柔性鉸鏈一 121303、柔性鉸鏈二 121304、柔性鉸鏈三121307、柔性鉸鏈四121308與其兩側(cè)和導(dǎo)向動(dòng)臂121302鉸接、并通過(guò) 柔性鉸鏈五121305、柔性鉸鏈六121306、柔性鉸鏈七121309、柔性鉸鏈八121312與其后部 一組杠桿放大機(jī)構(gòu)121315鉸接；該組杠桿放大機(jī)構(gòu)121315的支點(diǎn)分別為可以產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動(dòng) 的柔性鉸鏈九121311、柔性鉸鏈?zhǔn)?21314 ；杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端分別通過(guò)柔性鉸鏈?zhǔn)?121310、柔性鉸鏈?zhǔn)?121313與杠桿放大機(jī)構(gòu)鉸接，用于保證Z向壓電執(zhí)行器一 13、Z向壓 電執(zhí)行器二 17免受彎矩作用。X向壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并通過(guò)由導(dǎo)向動(dòng)臂組成的雙穩(wěn)態(tài)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)X軸無(wú)側(cè)向位移的誤差補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。利用電容位移傳感器檢測(cè)兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的X 軸所產(chǎn)生的微位移，為X軸壓電執(zhí)行器的閉環(huán)控制提供反饋信號(hào)。Z軸壓電執(zhí)行器分別同時(shí)作用于杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端，杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸出端 通過(guò)柔性鉸鏈與Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，并依靠Z向四個(gè)導(dǎo)向鉸鏈組成的雙穩(wěn)態(tài)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向， 將放大后的直線位移準(zhǔn)確傳遞到金剛石刀具上，從而實(shí)現(xiàn)Z軸無(wú)側(cè)向位移的誤差補(bǔ)償運(yùn) 動(dòng)。利用Z軸電容位移傳感器檢測(cè)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的Z軸所產(chǎn)生的微位移，為Z軸壓電執(zhí)行 器的閉環(huán)控制提供反饋信號(hào)。X軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)是解耦的，運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生摩擦和磨損，可大大提高運(yùn)動(dòng)精度和 使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置，其特征在于左側(cè)板、右 側(cè)板和前蓋板分別與基座、上蓋板固定連接，兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與基座定位 固定連接，金剛石刀具與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)固定連接，X向壓電執(zhí)行器通過(guò)X向U型塊 分別與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)中的左立柱、右立柱上的U型槽、用X向預(yù)緊螺釘固定連接； Z向壓電執(zhí)行器一、Z向壓電執(zhí)行器二分別通過(guò)Z向U型塊一、Z向U型塊二、與兩自由度柔 性鉸鏈機(jī)構(gòu)中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)后部的兩個(gè)U型槽、用Z向預(yù)緊螺釘一、Z向預(yù)緊螺釘二固定連 接，傳感器支架與兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)后部左側(cè)或右側(cè)固定連接，X向電容位移傳感器與 傳感器支架上的圓孔固定連接，其測(cè)頭正對(duì)X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，Z向電容位移傳感器與柔性鉸 鏈機(jī)構(gòu)中X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)后部的圓孔固定連接，其測(cè)頭正對(duì)Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差抵消裝置，其 特征在于兩自由度柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)是一個(gè)“H型”整體結(jié)構(gòu)，分為左、中、右三部分，其中左側(cè) 部分的左立柱分別通過(guò)柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向左導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接；右側(cè)部 分的右立柱分別通過(guò)柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向右導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接；中間部分 是X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其左端分別通過(guò)左上柔性鉸鏈、左下柔性鉸鏈與與X向左導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接， 其右端分別通過(guò)右上柔性鉸鏈、右下柔性鉸鏈與X向右導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接；該X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上有 通過(guò)線切割在直接加工而成的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償裝置， 其特征在于x向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)柔性鉸鏈一、柔性鉸 鏈二、柔性鉸鏈三、柔性鉸鏈四與其兩側(cè)和導(dǎo)向動(dòng)臂鉸接、并通過(guò)柔性鉸鏈五、柔性鉸鏈六、 柔性鉸鏈七、柔性鉸鏈八與其后部一組杠桿放大機(jī)構(gòu)鉸接；該組杠桿放大機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)分別 為可以產(chǎn)生微轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性鉸鏈九、柔性鉸鏈?zhǔn)?，杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入端分別通過(guò)柔性鉸鏈 十一、柔性鉸鏈?zhǔn)c杠桿放大機(jī)構(gòu)鉸接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自由曲面超精密車削的兩自由度動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償裝置，屬于超精密加工和復(fù)雜曲面光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域。由基座、左側(cè)板、右側(cè)板、上蓋板、前蓋板、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、金剛石刀具、壓電執(zhí)行器、電容位移傳感器安裝座和電容位移傳感器組成；所述的機(jī)構(gòu)是一個(gè)整體式結(jié)構(gòu)、關(guān)于yx平面對(duì)稱，其中X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一個(gè)柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，由壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，由杠桿放大機(jī)構(gòu)和柔性鉸鏈導(dǎo)向機(jī)構(gòu)串聯(lián)，由兩個(gè)壓電執(zhí)行器同步驅(qū)動(dòng)，電容位移傳感器分別檢測(cè)X軸和Z軸的位移。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是X軸和Z軸之間運(yùn)動(dòng)解耦且不產(chǎn)生寄生運(yùn)動(dòng)，具有高精度和中低頻或中高頻響的特征。
文檔編號(hào)B23B25/06GK102069201SQ20101059428
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月19日
發(fā)明者劉強(qiáng), 周曉勤, 林潔瓊, 段寧華 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)