[發明專利]一種混合直線回轉快速刀具伺服裝置

無效

• 申請號: 200810051336.5
• 申請日: 2008-10-27
• 公開（公告）號: CN101386141A
• 公開（公告）日: 2009-03-18
• 發明（設計）人: 周曉勤;許蓬子;趙宏偉;史國權;王義強;王曉軍;李國發;呼詠
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23Q5/02
• 分類號: B23Q5/02;B23Q5/28
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱世林

技術領域

本發明涉及一種快速刀具伺服(Fast?Tool?Servo，以下簡稱FTS)裝置，特別是涉及一種金剛石車削創成非回轉對稱(Non-Rotationally?Symmetric，以下簡稱NRS)光學曲面的大沖程高精密混合直線/回轉快速刀具伺服裝置，屬于精密加工和復雜光學元件加工等技術領域。

背景技術

NRS光學曲面可克服光學系統的各種像差，改善光學性能，減縮光學系統的尺寸，使光學系統輕量化。由于NRS光學曲面的卓越性能，這將使得突破性的光學設計成為可能，NRS光學曲面將不僅在空間探索和空中防御系統等領域中有著重要的應用，而且在其它面向消費者的工業領域也將日益受到關注。

近年來，基于FTS的金剛石車削被國際工程界和學術界普遍認為是創成NRS光學曲面的最有發展前途的、高效精密及低成本的加工方法，可以克服其它的NRS光學曲面加工方法的一些不足。圖1示出了基于FTS的金剛石車削創成NRS光學曲面的原理。在圖1中，工件安裝在主軸上，主軸單元可沿X軸導軌移動，金剛石刀具安裝在FTS上沿Z′軸作快速往復移動，而FTS安裝在Z軸溜板上。NRS曲面定義為徑向坐標x和主軸回轉坐標θ的函數z(x，θ)。要創成NRS光學曲面，根據主軸繞Z軸的回轉坐標θ(C軸)和金剛石刀具沿X軸橫向進給的徑向坐標x，對刀具的Z軸坐標z或/和FTS的Z′軸位置z′進行伺服控制。

根據刀具軌跡的運動型式，現有的FTS裝置主要包括：直線型FTS和回轉型FTS。這些FTS裝置都是單自由度的，僅可實現刀尖相當于工件的往復直線或往復擺動運動。這類FTS的主要缺陷是，刀尖相對于被加工表面易發生幾何干涉，難以實現微結構光學元件的加工；此外刀刃-工件的接觸點始終在變化，導致切削力總是波動的，影響光學元件的加工質量。在超精密加工的其它一些領域，還提出了兩個自由度以上的微動工作臺，主要用于加工誤差補償。這些多自由度微動工作臺還不能直接應用于NRS光學曲面的金剛石車削創成，主要問題在于：結構復雜，靜/動態特性難以滿足NRS光學曲面加工的要求，尤其是多個自由度的運動耦合導致控制上的困難。

根據FTS的驅動技術，現有的FTS裝置主要分為：基于壓電效應的FTS、洛侖茲力型FTS、麥克斯韋力型FTS和基于磁致伸縮效應的FTS。這些FTS驅動方式的特點是：壓電型FTS適合于高頻響短行程場合；洛侖茲力FTS可獲得毫米級的長行程；麥克斯韋力FTS則將超高頻響性能發揮至最大；基于磁致伸縮效應的FTS尚未取得明顯的效果。

為解決現有FTS存在的問題，本發明基于洛侖茲力型驅動方式，提供一種運動解耦的長行程高精密混合直線/回轉FTS，可實現刀尖相對于工件的快速往復直線和往復擺動運動，主要應用于NRS光學曲面的金剛石車削創成。本發明的主要優點在于：基于洛侖茲力型驅動，可獲得FTS的大行程往復運動，從而適合NRS曲面加工有大行程需要的場合；實現了刀尖相對于工件的運動解耦的往復直線和往復擺動運動，克服了單自由度FTS的刀尖-工件干涉的問題，為主動控制切削力和表面質量提供了可行性，而且解耦的混合直線/回轉運動，控制十分方便、易于實現；同時還具有結構緊湊、反沖力/矩較小等特點。

發明內容

本發明的目的是提供一種運動解耦的大行程高精密混合直線回轉快速刀具伺服裝置，實現刀尖相對于工件的快速往復直線和往復擺動運動，以解決現有FTS存在的上述問題，主要應用于NRS光學曲面的金剛石車削創成。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種混合直線回轉快速刀具伺服裝置，主要由直線快速刀具伺服、回轉快速刀具伺服和支架組成，所述的回轉快速刀具伺服包括無刷直流電機7、刀臂10和光電編碼器1，所述的無刷直流電機7固定在支架14頂部，并通過梅花式彈性聯軸器6與刀臂軸相連，刀臂軸由裝在支架14上的一對上、下氣體靜壓軸承3，8支撐，上、下氣體靜壓軸承8，3采用上、下迷宮密封9，11和上、下軸承蓋5，2密封，刀臂10固定在刀臂軸中部，刀具安裝在刀臂10前端，在支架14底部刀臂軸的末端安裝了用于測量角位移的光電編碼器1；所述的直線快速刀具伺服與回轉快速刀具伺服固定聯接，兩者為運動解耦。