[发明专利]一种两轴解耦的快速刀具伺服装置

说明书

技术领域

本发明属于光学曲面零件和超精密零件切削加工技术领域，涉及一种用于自由曲面金刚石车削的两轴解耦快速刀具伺服装置。

背景技术

自由曲面光学元件不仅在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛，而且在诸如红外探测设备和头盔显示器等军事领域中的应用也十分广泛。此外，鉴于使用较少的自由曲面光学元件就可获得许多非自由曲面光学元件才能够实现功能，简化光学系统的结构及降低光学系统的质量和体积，这对于实现光学系统的集成化和小型化具有十分重要的意义。光学自由曲面尽管具有上述的诸多优异性能及用途，但加工过程的复杂性和不确定性严重制约其实际应用，故开发一种高精密、高效率且成本低廉的光学自由曲面加工装置或方法显得至关重要。

目前，基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo，以下简称FTS)的金刚石车削加工是一种能满足上述要求的光学自由曲面加工方法，也是目前公认最有发展潜力的加工方法之一，而该方法的关键点在于如何实现FTS装置的高精度、多自由度、低耦合、高带宽及大行程。然而，目前现有的大多数FTS装置仍主要以单轴的直线式FTS和摆动式FTS为主，难以满足加工高质量光学自由曲面的要求，其原因在于：(1)自由曲面光学元件的加工过程要求刀具相对于工件能够同时实现沿多个运动轴的高频往复运动或摆动，但现有的单自由度FTS大多只能做沿Z轴往复运动或绕Y轴往复摆动；(2)为了保证刀刃和加工表面的接触点在加工表面上能均匀移动，降低加工过程中切削力的波动，还要求FTS装置能够实现沿X轴的往复直线运动，显然单自由度的FTS已经不能够满足上述要求。

对于现有的多轴直线FTS装置来说，虽然能够提供沿X轴和Z轴的往复运动，但存在的高耦合和低带宽等不足制约了其在光学自由曲面加工中的应用。吉林大学邹青课题组研制了机制不同的多轴FTS装置(公开号：103357894A、102615542A)，其结构采用音圈电机驱动并联柔性机构的方式，尽管可获得较大的行程，但却以牺牲工作带宽为代价，且并不能够获得理想的解耦运动；此外，吉林大学周晓勤课题组已研制了多种用于椭圆振动切削的快速伺服装置(公开号：102078967A、102371359A和102059575A等)，鉴于椭圆振动切削过程无需大行程及低耦合的特点，这些装置虽然可以获得较高的工作带宽，但小行程和高耦合的缺陷制约了其在光学自由曲面车削中的应用。迄今为止，能够实现两轴解耦的高频多轴FTS装置还很少被提及，而本发明提出的并联式两轴FTS装置则能够满足在自由曲面光学元件加工过程中对FTS装置的诸多性能要求，因而具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明提出了一种两轴解耦的快速刀具伺服装置，用以加工具有高精度和高均匀性的光学自由曲面。

本发明采取的技术方案是：金刚石刀具通过固定螺钉与柔性铰链基体上的刀座固定连接，柔性铰链基体通过一组固定螺栓与底座上的U型槽固定连接，在该底座的上方安装有盖板，底座的前端面安装有前挡板，X轴压电叠堆的两端分别与柔性铰链基体和X轴驱动端相连接，该X轴压电叠堆通过预紧螺栓一与该柔性铰链基体连接，Z轴压电叠堆一、Z轴压电叠堆二分别与柔性铰链基体和Z轴驱动端相连接，并分别用预紧螺栓二、预紧螺栓三与柔性铰链基体连接；该柔性铰链基体刀座的后面安装有位移检测块，并通过固定螺钉与该柔性铰链基体固定连接，X向电容传感器和Z向电容传感器的一端分别和位移检测块的两个侧面接触、另一端与分别穿过安装块一，安装块二的定位孔并用固定螺栓一，固定螺栓二固定连接，该两个安装块分别通过固定螺栓与底座的两个U型槽固定连接。

本发明各预紧螺栓分别与对应的压电叠堆同轴，使预紧螺栓在压电叠堆上产生沿轴向的预紧力，从而实现对三个压电叠堆的预紧。

本发明柔性铰链基体包括：一组对称并联的X轴导向铰链与X轴输入端相连，该X轴输入端通过一组平行的Z轴解耦铰链与金刚石刀座连接；一组对称并联的Z轴导向铰链与Z轴输入端相连，Z轴输入端通过一组平行的X轴解耦铰链与金刚石刀座相连接。

本发明利用直板型柔性铰链在宽度方向(Z轴)和厚度方向(Y轴)上高刚度差比的特性进行解耦，分别设在宽度方向(Z轴)和厚度方向(Y轴)上的刚度为k_t和k_w，则根据材料力学相关知识可以得到如下关系：