[發明專利]一種大行程高精度兩自由度快速刀具伺服裝置

在審

• 申請號: 201810237930.7
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108262629A
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 周曉勤;劉赫然;劉強;王榮奇;姜姍;楊璐
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23Q5/36
• 分類號: B23Q5/36
• 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

本發明屬于一種大行程高精度兩自由度快速刀具伺服裝置，屬于超精密車削和光學零件超精密加工技術領域。左驅動模塊、右驅動模塊分別置于鉸鏈模塊的左右兩側與鉸鏈模塊內的鉸鏈架左右兩端固定連接，刀具模塊與鉸鏈模塊內部鉸鏈架的前端固定連接，傳感器組位由三個直線位移傳感組成，固定連接于鉸鏈模塊內部，左驅動模塊、右驅動模塊及鉸鏈模塊分別固定連接在裝置底座之上。本發明用于加工具有高精度復雜自由曲面的光學元件，滿足在光學自由曲面的加工過程中對FTS裝置的諸多性能要求，有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于超精密車削和光學零件超精密加工技術領域，具體涉及一種大行程高精度兩自由度快速刀具伺服裝置。

背景技術

非回轉對稱曲面指的是沒有任何對稱軸的曲面，具有這類曲面的光學元件有較為優異的光學性能，例如矯正相差、擴大作用距離、改善像質、擴大視場等，可以使相應的光學系統結構簡化、輕量化，并大大提高其光學性能。這使得自由曲面光學元件在IT及數碼、汽車、通訊、軍事武器、航空航天等領域有著越來越廣泛的應用。

目前加工非回轉對稱曲面的方法有：成型加工、計算機數控研磨和拋光、飛切加工、活軸切削、慢速滑板伺服技術以及快速刀具伺服技術。FTS技術是指金剛石刀具在高頻驅動器的帶動下進行往復運動進而加工非回轉對稱曲面；可重復加工具有復雜表面形狀的光學元件，同時通過一次加工便可以達到較高的尺寸精度、形狀精度以及較低的表面粗糙度。這種加工方法在非回轉對稱光學零件的加工生產中具有顯著的經濟效益，其應用最為廣泛。

FTS的主要發展方向為多自由度、高精度、大行程高頻運動等。但目前多數FTS裝置都是單軸單自由度式或者多軸低精度式，無法達到較高的光學曲面加工效果。其主要原因在于：單自由度式FTS在加工過程中不能同時實現沿多軸方向的高頻往復運動，為了保證在加工過程中切削力的平穩，需要刀具在X軸和Y軸兩個方向同時進行高頻往復運動，所以單自由度FTS的應用很有局限性；對于多軸直線FTS裝置而言，其主要的問題在于運動行程和精度有待提高，目前許多多軸直線FTS裝置雖然能夠實現刀具在X軸和Y軸兩個方向的往復運動，但是為了保證較高的運動帶寬，多數的運動行程較小，降低加工效率。對于一些行程較大的FTS裝置，由于其運動機構慣性質量過大，使得刀具的運動精度及定位精度較低，降低了刀具的運動頻率和跟蹤精度。如《一種混合直線回轉快速刀具伺服裝置》(專利公開號：CN101386141A)雖然實現了大行程往復運動，但其采用直流電機連接運動機構，存在傳動誤差導致的精度問題以及結構復雜裝置較大的問題；再如《一種高精密大行程三軸快速刀具伺服裝置》(專利公開號：CN102069411A)，其采用音圈電機及壓電陶瓷作為直線驅動器，雖然實現了X軸、Y軸、Z軸三個方向的高頻往復運動，但是由于其鉸鏈機構的設計使其穩定性不高，且影響刀具在X軸、Z軸方向上的運動行程，同時運動部分慣性質量較大，使得刀具運動精度不能達到理想狀態；再如《一種兩軸解耦的快速刀具伺服裝置》(專利公開號：CN104084829A)以及《一種用于加工微結構表面的快速刀具伺服裝置》(專利公開號：CN102248427A)采用的是壓電驅動，運動行程有限；還有如機制不同的多軸FTS裝置《一種大行程三自由度直線式快速刀具伺服裝置》(專利公開號:CN103357894A),《一種大行程兩軸直線式快速刀具伺服裝置》(專利公開號: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，但是鉸鏈擺動式的設計使得鉸鏈的穩定性、使用壽命都有所降低，且其結構設計使得運動部分的慣性質量較大，運動精度降低，同時所設計的鉸鏈結構較為復雜，不便于裝配及調試；再如《大行程高頻響快速刀具伺服裝置》(專利公開號：CN102554633A)采用的是氣浮導軌作為導向機構，結構復雜，氣浮軌道工作環境較差，適用于加工較大的光學自由曲面，對于加工中小型光學自由曲面，其成本較高，具有局限性。鑒于以上問題，目前急需要一種用來加工中小型光學自由曲面且能實現多自由度、較大行程、高頻高精度的FTS裝置。

發明內容

本發明提供一種大行程高精度兩自由度快速刀具伺服裝置，用于加工具有高精度復雜自由曲面的光學元件，滿足在光學自由曲面的加工過程中對FTS裝置的諸多性能要求，有廣泛的應用前景。