CN102554633B - 大行程高频响快速刀具伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大行程高频响快速刀具伺服装置，包括装设于安装部件上的驱动部件以及与驱动部件连接的刀架运动部件，刀架运动部件包括由气浮支撑组件支撑的气浮导轨，气浮导轨的一端与驱动部件连接，气浮导轨的另一端与装有刀具的刀架连接。本发明具有加工精度高、行程大、刀具速度和加速度大等优点。

Description

大行程高频响快速刀具伺服装置

技术领域

本发明主要涉及到超精密加工机械设备领域，特指一种快速刀具伺服装置。

背景技术

超精密加工是某一时期达到或已经达到最高尺寸精度的加工方法，当前超精密加工精度已经从微米到亚微米甚至纳米水平，广泛应用于光学系统、电子信息、汽车、家用器具和武器装备等领域。超精密加工设备要有极高的运动精度，导轨的直线度要在全行程范围（数百毫米）达到亚微米级，主轴回转精度达数十纳米，直线运动的分辨率在纳米级以下。随着现代光学技术的发展，非回转对称表面在光学系统中应用越来越广泛。 非回转对称表面有利于简化系统结构，减少镜片数量，显著减小镜片尺寸，进一步提高成像质量，并且还可以获得特殊的光学性能，给新产品的设计带来巨大的潜力。非回转对称表面光学元件在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛，采用该类光学元件的彩色显像管，液晶显示器、数码相机、传真机、扫描仪、激光雕刻机、光电显示器、光纤通讯等产品已形成了一个数以万亿计的全球市场。在国防和军事运用中，非回转对称表面光学元件在各种可见光瞄准器，头盔显示器，微光夜视器，红外探测设备，精确打击运载工具和末制导智能炸药中也将得到十分广泛的运用。另外在空间光学和天文观察方面，为了满足特定的光学性能要求，现在也越来越多地采用非回转对称表面的光学元件。在人们日常生活中更是越来越多地采用了非回转对称光学表面的产品。

现有的基于先进数控技术的超精密加工方法，特别是单点金刚石切削技术，已被广泛应用于非回转对称表面加工，但是目前对于高低差在几个毫米的非回转对称光学表面，现有的快刀伺服装置行程不够，慢刀伺服频响较低，加工周期长，精度受环境影响，而飞刀铣削效率低并且不适合某些面形的加工，因此有必要研究一种兼具大行程、高频响、高精度的刀具伺服系统来解决这一类非回转对称表面的加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种加工精度高、能够提高刀具速度和加速度的大行程高频响快速刀具伺服装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大行程高频响快速刀具伺服装置，包括装设于安装部件上的驱动部件以及与驱动部件连接的刀架运动部件，所述刀架运动部件包括由气浮支撑组件支撑的气浮导轨，气浮导轨的一端与驱动部件连接，气浮导轨的另一端与装有刀具的刀架连接。

作为本发明的进一步改进：

所述气浮导轨的横截面为梯形或圆形。

所述驱动部件为音圈电机，所述音圈电机包括与气浮导轨连接的移动线圈以及固定在安装部件上的永久磁体，所述永久磁体上开有导向腔，所述移动线圈位于导向腔中并可沿此导向腔移动。

所述安装部件包括底板以及固定在底板上的导轨安装箱和电机安装箱，所述气浮支撑组件固定于导轨安装箱中，所述永久磁体固定于电机安装箱中。

所述导轨安装箱与电机安装箱并排布置，导轨安装箱与电机安装箱的相对面之间具有间隙。

所述音圈电机的永久磁体的外壳表面与电机安装箱内壁之间设有密闭的环形腔，所述环形腔通过设于电机安装箱上的进口接头和出口接头与外界相通。

所述电机安装箱中设有供移动线圈和气浮导轨运动的活动腔，所述活动腔通过设于电机安装箱上的空气入口接头和通气孔与外界相通。

所述安装部件上设有用于限定移动线圈和气浮导轨的运动范围的限位组件。

所述限位组件包括穿设于永久磁体中的限位杆以及固定于导轨安装箱上具有缓冲功能的缓冲元件，所述限位杆的两端分别从永久磁体两侧伸出，其中一端面向移动线圈，另一端设有防止限位杆向靠近移动线圈方向移动的挡位部，所述挡位部与电机安装箱内壁之间设有弹簧；所述缓冲元件凸出于导轨安装箱外壁并面向移动线圈。

所述气浮导轨与移动线圈的连接处设有隔热件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用由气浮支撑组件支撑的气浮导轨与刀架连接作为刀架运动部件，气浮导轨的高精度线性导向和安装可实现光学表面加工的高精度要求；再者，气浮支撑组件在安装及导向时都是非接触的，不会发生摩擦和磨损，且气浮支撑组件在工作时不会产生噪音和振动，也不需要润滑，从而可实现刀具的高速运动和高变速运动。

2、本发明气浮导轨采用梯形截面形状，尺寸小而紧凑，可减小导轨的质量，从而提高系统的动态性能；并且梯形截面形状的导轨其所有面都可用于承载和导向，从而使气浮导轨能够达到较高的刚度；同时采用梯形截面气浮导轨便于直线运动检测元件比如高精度光栅尺的安装。可以选取弹性模量较大的不锈钢、密度低的铝等金属材料或强度和密度比值较大的碳化硅或其它陶瓷材料等作为气浮导轨的材料。

3、本发明的气浮导轨采用圆柱形形状，其具有尺寸小而紧凑，可减小导轨的质量，从而提高系统的动态特性；并且圆柱形导轨加工简单，可降低机加工的难度，可以选取弹性模量较大的不锈钢、密度低的铝等金属材料或强度和密度比值较大的碳化硅或其它陶瓷材料等作为气浮导轨的材料，因此可以保证较高的刚度。

4、本发明中，导轨安装箱和电机安装箱之间留有间隙且安装在底板上，音圈电机高速运动产生的振动不会直接传递到导轨安装箱上，可以通过底板的质量吸收。

5、本发明中，电机安装箱中的环形腔和活动腔形成的冷却通道为音圈电机提供了很好的散热途径，而且气浮导轨与移动线圈连接处的隔热件也可防止音圈电机产生的热量传递到气浮导轨上，从而可避免因气浮导轨发热导致尺寸变化而降低气浮导轨的导向精度。

6、本发明的限位组件可防止移动线圈和气浮导轨超出其运动范围，避免移动线圈和气浮导轨撞上导轨安装箱和永久磁体。

附图说明

图1为本发明实施例1的轴测图。

图2为本发明实施例1的主视图。

图3为本发明实施例1去除刀架和刀具后的左视图。

图4为本发明实施例1的右视图。

图5为本发明实施例1的俯视图。

图6为图2中A-A截面视图。

图7为图5中B-B截面视图。

图8为图7中C处的放大示意图。

图9为本发明实施例1中气浮导轨的右视图。

图10为本发明实施例2的轴测图。

图11为本发明实施例2的主视图。

图12为本发明实施例2去除刀架和刀具后的左视图。

图13为本发明实施例2的右视图。

图14为本发明实施例2的俯视图。

图15为图11中D-D截面视图。

图16为图14中E-E截面视图。

图17为图16中F处的放大示意图。

图18为本发明实施例2中导轨安装结构示意图。

图19为图18中G-G截面视图。

图例说明：1、底板；2、底座；3、面板；4、刀架；5、刀具；6、外壳；7、盖板；8、电机外壳；9、空气入口接头；10、进口接头；11、出口接头；12、电机固定板；13、自锁螺母；14、第一螺栓；15、气浮支撑组件；18、气浮导轨；19、缓冲元件；20、纵向孔；21、光栅尺；22、读数头；23、读数头支撑板；24、读数头固定板；25、盖板开口；26、第二螺栓；27、弹簧；28、外壳表面；29、环形腔；30、电缆开口；31、间隙；32、限位杆；33、活动腔；34、导向腔；35、移动线圈；36、隔热件；37、转接板；39、空气进口；40、第一螺纹孔；42、槽；43、橡胶；44、永久磁体；45、第三螺栓；46、面板开口；47、第四螺栓；48、通气孔；49、第二螺纹孔；50、挡位部。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的大行程高频响快速刀具伺服装置，主要用于安装在车床上对高低差在毫米级的非回转对称光学表面进行高超精密加工，尤其可用来加工塑料眼镜镜片。图1至图9示出了本发明的一个实施例1，它包括驱动部件以及与驱动部件连接的刀架运动部件，驱动部件和刀架运动部件装设于安装部件上，刀架运动部件包括由气浮支撑组件15支撑的气浮导轨18（参见图6），气浮导轨18一端与驱动部件连接，另一端与装有刀具5的刀架4连接，可实现刀具5的直线往复运动。本实施例中，安装部件包括底板1以及固定在底板1上的导轨安装箱和电机安装箱，底板1可连接到车床上。导轨安装箱由底座2、外壳6以及通过第三螺栓45固定在底座2和外壳6侧面的面板3组合而成（参见图1、图3），面板3上设有面板开口46可使导轨通过；电机安装箱包括电机外壳8以及通过第四螺栓47固定在电机外壳8侧面的电机固定板12（参见图1、图4）。底座2和电机外壳8上设有第一螺纹孔40，可通过螺栓与底板1固定连接。气浮导轨18上方布置有测量反馈系统，测量反馈系统包括光栅尺21和读数头22，光栅尺21固定在气浮导轨18上，读数头22与读数头支撑板23连接，并且通过读数头固定板24固定在外壳6上。外壳6上方由盖板7封闭，读数头22的电缆通过盖板7上的盖板开口25导向外面（参见图5、图7）。本实施例中，气浮支撑组件15可为小孔节流、表面复合节流或多孔质节流气体轴承，通过粘接剂直接粘接在底座2和外壳6的内部，不需要进一步的调整，安装较为简单。本发明采用由气浮支撑组件15支撑的气浮导轨18与刀架4连接作为刀架运动部件，气浮导轨18的高精度线性导向和安装可实现光学表面加工的高精度要求，再者气浮支撑组件15在安装及导向时都是非接触的，不会发生摩擦和磨损，且气浮支撑组件15在工作时不会产生噪音和振动，也不需要润滑，从而可实现刀具5的高速运动和高变速运动。

如图6所示，本实施例中，气浮导轨18的横截面为梯形，气浮支撑组件15布置在气浮导轨18的底面与两个侧面。梯形截面形状的气浮导轨18尺寸小而紧凑，可减小气浮导轨18的重量；还可通过在气浮导轨18上设置圆柱形的纵向孔20使其重量进一步减轻；并且梯形截面形状的气浮导轨18其所有面都可用于承载和导向，可使气浮导轨18达到较高的刚度。

如图7所示，本实施例中，驱动部件为音圈电机，音圈电机包括移动线圈35和永久磁体44，移动线圈35的电缆通过电缆开口30导向外面，移动线圈35通过转接板37与气浮导轨18连接，气浮导轨18上设有第二螺纹孔49，可通过螺栓与转接板37固定连接（参见图9）。转接板37与移动线圈35之间设有一在形状和尺寸上呈热力稳定的隔热件36，隔热件36为云母片材料的绝热隔板，用于防止移动线圈35高速运动产生的热量传递到气浮导轨18上，可避免因气浮导轨18发热导致尺寸变化而降低其导向精度。永久磁体44通过第二螺栓26固定在电机固定板12上。永久磁体44上开有与其同轴的导向腔34，移动线圈35位于导向腔34中并可沿此导向腔34移动。

如图2、图7所示，本实施例中，电机外壳8与外壳6和底座2靠拢布置并通过第一螺栓14连接，且电机外壳8与外壳6和底座2的相对面之间设有橡胶43，橡胶43嵌在电机外壳8外壁开设的槽42内（参见图8）。组装过程中，在电机外壳8与外壳6和底座2之间放置一定位膜，使电机外壳8与外壳6和底座2之间保持一定距离，在电机外壳8和底座2安装到底板1上之后，松开第一螺栓14并且移去定位膜，便可在电机外壳8与外壳6和底座2之间形成间隙31。从而保证移动线圈35运动所产生的振动不会直接传递到外壳6上，而是被底板1吸收。

如图7所示，本实施例中，音圈电机的永久磁体44的外壳表面28与电机外壳8内壁之间开设有密闭的环形腔29，作为空气或冷却剂的通道，环形腔29通过设于电机外壳8上的进口接头10和出口接头11与外界相通，进口接头10和出口接头11均为直角管接头。空气或冷却剂可通过进口接头10进入环形腔，再由出口接头11流出，从而形成冷却回路，对永久磁体44进行冷却降温。电机外壳8中设有供移动线圈35和气浮导轨18运动的活动腔33，电机外壳8上部设有空气入口接头9，电机固定板12上设有通气孔48（参见图4）。冷却空气由空气入口接头9从空气进口39进入活动腔33，然后经过导向腔34，从通气孔48流出（参见图4），从而形成冷却回路，对移动线圈35进行空气冷却降温。气浮支撑组件15的空气轴承的空气也可通过活动腔33导向外面。

如图7所示，本实施例中，安装部件上设有用于限定移动线圈35和气浮导轨18的运动范围的限位组件，限位组件包括穿设于永久磁体44的中心的限位杆32以及粘接在底座2上具有缓冲功能的缓冲元件19。限位杆32的两端分别从永久磁体44两侧伸出，其中一端面向移动线圈35，另一端设有防止限位杆32向靠近移动线圈35方向移动的挡位部50，且其尾部从电机固定板12穿出并套接一自锁螺母13，挡位部50与电机固定板12之间设有弹簧27。缓冲元件19由弹性材料聚氨酯制成，其凸出于底座2的外壁并面向移动线圈35。限位杆32和缓冲元件19分别限定移动线圈35直线运动的两个方向，防止其超出运动范围，避免移动线圈35和气浮导轨18撞上导轨安装箱和永久磁体44。

图10～图19示出了本发明的实施例2，本实施例中的气浮导轨18的横截面为圆形，尺寸小而紧凑，可减小气浮导轨18的质量；并且圆柱形导轨加工简单，可降低机加工的难度，可以选取弹性模量较大的不锈钢、密度低的铝等金属材料或强度和密度比较大的碳化硅或其它陶瓷材料等作为气浮导轨的材料，因此可以保证较高的刚度。

实施例2的其余结构与实施例1基本一致，在此就不再赘述。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种大行程高频响快速刀具伺服装置，包括装设于安装部件上的驱动部件以及与驱动部件连接的刀架运动部件，其特征在于：所述刀架运动部件包括由气浮支撑组件（15）支撑的气浮导轨（18），所述气浮导轨（18）的一端与驱动部件连接，所述气浮导轨（18）的另一端与装有刀具（5）的刀架（4）连接；所述驱动部件为音圈电机，所述音圈电机包括与气浮导轨（18）连接的移动线圈（35）以及固定在安装部件上的永久磁体（44），所述永久磁体（44）上开有导向腔（34），所述移动线圈（35）位于导向腔（34）中并可沿导向腔（34）移动；所述安装部件包括底板（1）以及固定在底板（1）上的导轨安装箱和电机安装箱，所述气浮支撑组件（15）固定于导轨安装箱中，所述永久磁体（44）固定于电机安装箱中；所述音圈电机的永久磁体（44）的外壳表面（28）与电机安装箱内壁之间设有密闭的环形腔（29），所述环形腔（29）通过设于电机安装箱上的进口接头（10）和出口接头（11）与外界相通；所述安装部件上设有用于限定移动线圈（35）和气浮导轨（18）的运动范围的限位组件；所述限位组件包括穿设于永久磁体（44）中的限位杆（32）以及固定于导轨安装箱上具有缓冲功能的缓冲元件（19），所述限位杆（32）的两端分别从永久磁体（44）两侧伸出，所述限位杆（32）的一端面向移动线圈（35），所述限位杆（32）的另一端设有防止限位杆（32）向靠近移动线圈（35）方向移动的挡位部（50），所述挡位部（50）与电机安装箱内壁之间设有弹簧（27）；所述缓冲元件（19）凸出于导轨安装箱外壁并面向移动线圈（35）。

2.根据权利要求1所述的大行程高频响快速刀具伺服装置，其特征在于：所述气浮导轨（18）的横截面为梯形或圆形。

3.根据权利要求1所述的大行程高频响快速刀具伺服装置，其特征在于：所述导轨安装箱与电机安装箱呈并排布置，所述导轨安装箱与电机安装箱的相对面之间具有间隙（31）。

4.根据权利要求1所述的大行程高频响快速刀具伺服装置，其特征在于：所述电机安装箱中设有供移动线圈（35）和气浮导轨（18）运动的活动腔（33），所述活动腔（33）通过设于电机安装箱上的空气入口接头（9）和通气孔（48）与外界相通。

5.根据权利要求1所述的大行程高频响快速刀具伺服装置，其特征在于：所述气浮导轨（18）与移动线圈（35）的连接处设有隔热件（36）。