CN102069411B - 一种高精密大行程三轴快速刀具伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精密大行程三轴快速刀具伺服装置，属于超精密加工和光学零件加工等技术领域，适用于具有较大“非回转对称性”的自由曲面金刚石车削创成等。本发明由两个音圈电机分别驱动一个柔性铰链机构，使金刚石刀具在X向和Z向分别作快速往复运动，通过一个压电叠堆执行器驱动一个微调机构以消除在Y向的附加运动；利用两个直线光栅分别检测金刚石刀具在X向和Z向的位移，一个电容传感器检测在Y向的附加位移。本发明具有在X向和Z向上可同时实现高精密大行程快速往复运动的优点。
Description
技术领域
本发明属于超精密切削和光学零件切削加工技术领域，涉及一种自由曲面金刚石车削的刀具伺服装置。
背景技术
自由曲面各型值点之间可以没有几何约束，给光学设计人员提供了很大的自由设计空间，这意味着基于自由曲面光学零件的光学系统能够拥有更加优异的光学性能。例如矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离等，并且一个或少数几个自由曲面光学零件就能够代替较多的球面、非球面光学零件，从而使光学系统的结构简单化、轻量化。
由于自由曲面光学零件无可比拟的性能，使得自由曲面光学零件在许多重要的工业领域有着日益增加的需求。基于快速刀具伺服（以下简称FTS）的金刚石车削加工被认为是一种最有发展前途的、高效精密以及低成本的光学自由曲面创成方法，实施该方法的关键之一在于：高精密大行程FTS装置的研制等。现有的FTS装置，主要涉及单轴的直线式FTS和摆动式FTS、以及多轴小行程FTS等技术方案。
对于自由曲面类的待加工表面，主轴每一转内金刚石刀具都必须相对于工件作快速往复运动。现有的单轴FTS仅仅提供了沿Z轴的往复直线运动或绕Y轴的往复摆动。但实际上为了主动控制刀具接触点在加工表面上的路径，这导致刀尖圆弧中心不仅有Z向的往复直线运动、也同时存在X向的往复直线运动。对于单轴摆动式FTS，若要避免不过切，X轴或Z轴的往复直线运动皆是必须的。现有的多轴FTS的主要问题是：行程较小，难以满足较大“非回转对称性”的自由曲面加工创成要求。
综上所述，为了克服这些问题，本发明针对光学自由曲面的超精密金刚石车削创成，提出一种自由曲面金刚石车削的高精密大行程三轴快速刀具伺服装置。
发明内容
本发明提供一种高精密大行程三轴快速刀具伺服装置，使金刚石刀具实现在X轴和Z轴方向上的往复进给运动以及抑制在Y轴方向上的误差运动。
本发明采取的技术方案是：右挡板、前挡板、后挡板、左挡板下边分别与底座固定连接、顶部分别与上盖固定连接，铰链支架的底部固定在底座上，上部为运动部分，中间为带有铰链的四个连杆，X向音圈电机的定子固定在右挡板上，动子固定在铰链支架的右侧上部，Z向音圈电机的定子固定在后挡板上，动子固定在铰链支架的后侧上部；压电叠堆座固定在铰链支架的前侧上部的中间位置，中间槽内为压电叠堆执行器，利用预紧螺钉调节楔形块实现压电叠堆的预紧，压电叠堆执行器的活动端与Y向位移微调机构前端接触，Y向位移微调机构的后端固定在铰链支架的上部；金刚石刀具与Y向位移微调机构前端固定连接，电容传感器通过电容传感器安装座与上盖固定连接，Z向直线光栅尺和X向直线光栅尺分别沿Z向和X向贴附在铰链支架的运动部分，Z向读数头固定在左挡板上，X向读数头固定在支架上。
金刚石刀具的X向位移和Z向位移分别采用X向直线光栅尺和Z向直线光栅尺检测，为X向音圈电机和Z向音圈电机的闭环控制分别提供反馈信号。
金刚石刀具的Y向附加位移采用电容传感器检测，为微调机构的闭环控制提供反馈信号。
两个高性能的音圈执行器皆具有毫米级的行程，检测元件：直线光栅和电容微位移传感器皆具有0.01微米级以上的精度，因此在X轴和Z轴的运动皆可达到毫米级的大行程、在X、Y和Z三轴方向上可达到亚微米级的精度。
本发明的优点在于：在X轴和Z轴上皆可获得毫米级的大行程运动； 通过Y轴方向上的误差补偿，抑制了X轴和Z轴的侧向运动。本发明主要适用于具有较大“非回转对称性”的自由曲面金刚石车削创成。
附图说明
图1是本发明的外形图；
图2是本发明的驱动系统结构示意图；
图3是本发明的位移检测元件结构示意图；
图4是本发明的工作原理图；
图5是本发明的位移分析图。
具体实施方式
右挡板1、前挡板2、后挡板5、左挡板6下边分别与底座7固定连接、顶部分别与上盖4固定连接，铰链支架8的底部固定在底座7上，上部为运动部分，中间为带有铰链的四个连杆，X向音圈电机13的定子固定在右挡板1上，动子固定在铰链支架8的右侧上部，Z向音圈电机15的定子固定在后挡板5上，动子固定在铰链支架8的后侧上部；压电叠堆座9固定在铰链支架8的前侧上部的中间位置，中间槽内为压电叠堆执行器11，利用预紧螺钉14调节楔形块10实现压电叠堆的预紧，压电叠堆执行器11的活动端与Y向位移微调机构12前端接触，Y向位移微调机构12的后端固定在铰链支架8的上部；金刚石刀具3与Y向位移微调机构前端固定连接，电容传感器17通过电容传感器安装座16与上盖固定连接，Z向直线光栅尺18和X向直线光栅尺20分别沿Z向和X向贴附在铰链支架8的运动部分，Z向读数头19固定在左挡板6上，X向读数头21固定在支架22上。
金刚石刀具3的X向位移和Z向位移分别采用X向直线光栅和Z向直线光栅尺检测，为X向音圈电机和Z向音圈电机的闭环控制分别提供反馈信号。
金刚石刀具3的Y向附加位移采用电容传感器检测，为微调机构的闭环控制提供反馈信号。
下面结合附图进一步说明：
图1，利用四块侧板和上下底座构成密封装置，以避免切屑等杂质进入。
图2，分别利用X向音圈电机13和Z向音圈电机15驱动铰链支架8沿X向和Z向平动；由于平行四边形机构会导致X向或Z向运动在Y向产生附加位移，可利用压电叠堆执行器11驱动Y向微位移调节机构12进行实时补偿，以避免金刚石刀具3在Y向产生附加位移对加工效果的影响。
图3，利用两个直线光栅检测音圈电机驱动所产生的X向和Z向位移；利用电容传感器17检测微位移调节机构12的Y向位移，检测位置在压电叠堆执行器11的正上方，可以检测金刚石刀具Y向位移的变化。
图4示出了铰链支架8的工作原理，铰链支架8既可沿X向移动也可沿Z向移动，二者互不影响、相互独立。
图5示出了本发明的位移分析，当铰链转动时，杠杆顶端在Y向会产生附加位移量△y，△y的值分别与杠杆顶端在Z向和X向的位移量有关，可求解如下：
式中，
是杠杆的长度。
本发明之实施方式：分别对X向音圈电机13和Z向音圈电机15输入控制电流，驱动铰链支架8上的金刚石刀具3以实现在X向和Z向上的往复运动，利用直线光栅检测瞬时位移，构成两个闭环控制系统；铰链支架绕铰支点转动产生造成的附加位移△y，可根据式（1）求解得到，利用压电叠堆执行器11驱动微调机构12预补偿这个附加位移△y，并利用电容传感器17实时检测金刚石刀具3的Y向位移，构成一个闭环控制系统，以消除金刚石刀具由于X向和Z向运动所产生的Y向附加位移。
Claims (3)
1.一种高精密大行程三轴快速刀具伺服装置，其特征在于：右挡板、前挡板、后挡板、左挡板，上述四个挡板的下边分别与底座固定连接、顶部分别与上盖固定连接，铰链支架的底部固定在底座上，上部为运动部分，中间为带有铰链的四个连杆，X向音圈电机的定子固定在右挡板上，动子固定在铰链支架的右侧上部，Z向音圈电机的定子固定在后挡板上，动子固定在铰链支架的后侧上部；压电叠堆座固定在铰链支架的前侧上部的中间位置，中间槽内为压电叠堆执行器，利用预紧螺钉调节楔形块实现压电叠堆的预紧，压电叠堆执行器的活动端与Y向位移微调机构前端接触，Y向位移微调机构的后端固定在铰链支架的上部；金刚石刀具与Y向位移微调机构前端固定连接，电容传感器通过电容传感器安装座与上盖固定连接，Z向直线光栅尺和X向直线光栅尺分别沿Z向和X向贴附在铰链支架的运动部分，Z向读数头固定在左挡板上，X向读数头固定在支架上。
2.根据权利要求1所述的高精密大行程三轴快速刀具伺服装置，其特征在于：金刚石刀具的X向位移和Z向位移分别采用X向直线光栅尺和Z向直线光栅尺检测，为X向音圈电机和Z向音圈电机的闭环控制分别提供反馈信号。
3.根据权利要求1所述的高精密大行程三轴快速刀具伺服装置，其特征在于：金刚石刀具的Y向附加位移采用电容传感器检测，为微调机构的闭环控制提供反馈信号。
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