[實用新型]一種兩軸解耦的快速刀具伺服裝置

有效

• 申請號: 201420397286.7
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN203973264U
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 周曉勤;王榮奇;閆賀亮;王俊;劉志偉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23Q5/28
• 分類號: B23Q5/28;C03B33/04
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本實用新型屬于光學曲面零件和超精密零件切削加工技術領域，涉及一種用于自由曲面金剛石車削的兩軸解耦快速刀具伺服裝置。

背景技術

自由曲面光學元件不僅在光電產品及光通訊產品中的應用日益廣泛，而且在諸如紅外探測設備和頭盔顯示器等軍事領域中的應用也十分廣泛。此外，鑒于使用較少的自由曲面光學元件就可獲得許多非自由曲面光學元件才能夠實現功能，簡化光學系統的結構及降低光學系統的質量和體積，這對于實現光學系統的集成化和小型化具有十分重要的意義。光學自由曲面盡管具有上述的諸多優異性能及用途，但加工過程的復雜性和不確定性嚴重制約其實際應用，故開發一種高精密、高效率且成本低廉的光學自由曲面加工裝置或方法顯得至關重要。

目前，基于快速刀具伺服(Fast?Tool?Servo，以下簡稱FTS)的金剛石車削加工是一種能滿足上述要求的光學自由曲面加工方法，也是目前公認最有發展潛力的加工方法之一，而該方法的關鍵點在于如何實現FTS裝置的高精度、多自由度、低耦合、高帶寬及大行程。然而，目前現有的大多數FTS裝置仍主要以單軸的直線式FTS和擺動式FTS為主，難以滿足加工高質量光學自由曲面的要求，其原因在于：(1)自由曲面光學元件的加工過程要求刀具相對于工件能夠同時實現沿多個運動軸的高頻往復運動或擺動，但現有的單自由度FTS大多只能做沿Z軸往復運動或繞Y軸往復擺動；(2)為了保證刀刃和加工表面的接觸點在加工表面上能均勻移動，降低加工過程中切削力的波動，還要求FTS裝置能夠實現沿X軸的往復直線運動，顯然單自由度的FTS已經不能夠滿足上述要求。

對于現有的多軸直線FTS裝置來說，雖然能夠提供沿X軸和Z軸的往復運動，但存在的高耦合和低帶寬等不足制約了其在光學自由曲面加工中的應用。吉林大學鄒青課題組研制了機制不同的多軸FTS裝置(公開號：103357894A、102615542A)，其結構采用音圈電機驅動并聯柔性機構的方式，盡管可獲得較大的行程，但卻以犧牲工作帶寬為代價，且并不能夠獲得理想的解耦運動；此外，吉林大學周曉勤課題組已研制了多種用于橢圓振動切削的快速伺服裝置(公開號：102078967A、102371359A和102059575A等)，鑒于橢圓振動切削過程無需大行程及低耦合的特點，這些裝置雖然可以獲得較高的工作帶寬，但小行程和高耦合的缺陷制約了其在光學自由曲面車削中的應用。迄今為止，能夠實現兩軸解耦的高頻多軸FTS裝置還很少被提及，而本實用新型提出的并聯式兩軸FTS裝置則能夠滿足在自由曲面光學元件加工過程中對FTS裝置的諸多性能要求，因而具有廣泛的應用前景。

發明內容

本實用新型提出了一種兩軸解耦的快速刀具伺服裝置，用以加工具有高精度和高均勻性的光學自由曲面。

本實用新型采取的技術方案是：金剛石刀具通過固定螺釘與柔性鉸鏈基體上的刀座固定連接，柔性鉸鏈基體通過一組固定螺栓與底座上的U型槽固定連接，在該底座的上方安裝有蓋板，底座的前端面安裝有前擋板，X軸壓電疊堆的兩端分別與柔性鉸鏈基體和X軸驅動端相連接，該X軸壓電疊堆通過預緊螺栓一與該柔性鉸鏈基體連接，Z軸壓電疊堆一、Z軸壓電疊堆二分別與柔性鉸鏈基體和Z軸驅動端相連接，并分別用預緊螺栓二、預緊螺栓三與柔性鉸鏈基體連接；該柔性鉸鏈基體刀座的后面安裝有位移檢測塊，并通過固定螺釘與該柔性鉸鏈基體固定連接，X向電容傳感器和Z向電容傳感器的一端分別和位移檢測塊的兩個側面接觸、另一端與分別穿過安裝塊一，安裝塊二的定位孔并用固定螺栓一，固定螺栓二固定連接，該兩個安裝塊分別通過固定螺栓與底座的兩個U型槽固定連接。

本實用新型各預緊螺栓分別與對應的壓電疊堆同軸，使預緊螺栓在壓電疊堆上產生沿軸向的預緊力，從而實現對三個壓電疊堆的預緊。

本實用新型柔性鉸鏈基體包括：一組對稱并聯的X軸導向鉸鏈與X軸輸入端相連，該X軸輸入端通過一組平行的Z軸解耦鉸鏈與金剛石刀座連接；一組對稱并聯的Z軸導向鉸鏈與Z軸輸入端相連，Z軸輸入端通過一組平行的X軸解耦鉸鏈與金剛石刀座相連接。

本實用新型利用直板型柔性鉸鏈在寬度方向(Z軸)和厚度方向(Y軸)上高剛度差比的特性進行解耦，分別設在寬度方向(Z軸)和厚度方向(Y軸)上的剛度為k_t和k_w，則根據材料力學相關知識可以得到如下關系：