CN110815613A - 一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件，所采用的技术方案是：包括支撑部，所述支撑部由若干柔性铰链组成；所述柔性铰链用于固定工作平台，所述柔性铰链由微位移驱动器驱动上下移动；通过各个微位移驱动器驱动柔性铰链上下移动，实现工作平台偏转和/或竖直移动。本发明通过若干微位移驱动器驱动柔性铰链制成的支撑部，从而实现飞切工作平台的偏转和/或上下移动，有效解决现有超精密飞切加工机床存在的切削深度需要人为手工调整、切削深度调整误差较大、单次切削量无法实现亚纳米切削的问题。同时可以提高飞切机床切削加工的效率，减少对工程师操作经验的依赖，进一步提高工件的加工精度。

Description

一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件。

背景技术

磷酸二氢钾(KDP)晶体由于激光损伤阈值高和透光率好等优良光学性能，被广泛应用于激光惯性约束聚变、激光武器等国家重大科学工程中，是实现光电开关与倍频转换的重要光学材料。KDP晶体光学元件的使用性能与其表面形貌精度密切相关，例如激光惯性约束聚变对KDP晶体光学元件的低频面形误差、中频波纹误差和高频粗糙度误差分别提出了不同的极高制造精度要求。

而KDP晶体由于质软、易碎、易潮解和各向异性等特点，而被公认为是最难加工的光学材料之一。传统的研磨抛光加工工艺难以达到KDP晶体光学元件所需的精度要求，超精密飞切加工是目前加工KDP晶体光学元件最有效和使用最广泛的加工方式，而切削深度的大小对于超精密飞切加工面形精度有着重要的影响。当前超精密飞切加工机床加工KDP晶体时，对切削深度的调整通常是依靠工程经验丰富的工程师借助游标卡尺手工调整，常常导致切削深度的调整数值不精确，手工调整切深的效率低，误差大，对操作人员的要求极高，且无法实现亚纳米量级的单次切削深度。

发明内容

针对上述现有超精密飞切加工机床对工件的切削效率低、误差大、对操作人员要求高、和无法实现亚纳米量级的单次切削，本发明提供了一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件，能够自动对工件切削深度的调整，以减少对工程师操作经验的依赖，从而提高机床切削加工的效率和工件的加工精度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件，包括支撑部，所述支撑部由若干柔性铰链组成；所述柔性铰链用于固定工作平台，所述柔性铰链由微位移驱动器驱动上下移动；通过各个微位移驱动器驱动对应的柔性铰链上下移动，实现工作平台偏转和/或竖直移动。

本发明通过由柔性铰链组成的支撑部支撑工作平台，能够有效减小工作台承载面变形或损坏微位移驱动器，并实现高共振频率；再控制各个微位移驱动器驱动柔性铰链上下移动的位移量，实现工作平台的偏转和/或上下移动，进而实现对工件切削深度的调整。因此能够以减少对工程师操作经验的依赖，从而提高机床切削加工的效率和工件的加工精度。

作为支撑部的具体实施方式，所述柔性铰链设置有四个，四个柔性铰链呈矩形分布，以最少的微位移传驱动器实现工作平台的偏转和/或上下移动，进而简化控制。

作为柔性铰链的具体实施方式，所述柔性铰链由两个圆柔铰链组成。

优选的，所述四个柔性铰链一体成型，以确保工作平台在静止工况下的平面度。

进一步的，所述柔性铰链上端设有支撑凸起，所述支撑凸起用于与工作平台固定连接，以减小柔性铰链与工作平台连接处对工作平台偏转的影响。

优选的，四个支撑凸起呈正方形分布，以确保工作平台在偏转时中心位置保持不变。同时，能够减小温漂对工作平台偏转角的影响，不需要复杂的左边变换，能够直接获得偏转角，解耦好。

进一步的，所述柔性铰链还连接有位移传感器，所述位移传感器用于监测柔性铰链与微位移驱动器连接处的位移。通过位移传感器以反馈工作平台的位移数据给微位移驱动器的控制器，实现微位移驱动器的闭环控制。

作为位移传感器的具体实施方式，所述位移传感器为双极性电容传感器，相比单极性电容传感器能够提供更高的测量分辨率、稳定性和精度，从而确保工作平台的移动精度。

作为微位移驱动器的具体实施方式，所述位移传感器为压电陶瓷驱动器，以实现亚纳米级的位移变化。

进一步的，还包括工作平台，所述工作平台工作面阵列有若干吸附孔。通过给吸附孔提供负压，继而将加工工件通过真空吸附的方式固定在工作平台上，以防止在固定加工工件时对加工工件的表面造成损伤。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过若干微位移驱动器驱动柔性铰链制成的支撑部，从而实现飞切工作平台的偏转和/或上下移动，进而实现对工件切削深度的调整，有效解决现有超精密飞切加工机床存在的切削深度需要人为手工调整、切削深度调整误差较大、单次切削量无法实现亚纳米切削的问题。同时可以提高飞切机床切削加工的效率，减少对工程师操作经验的依赖，有利于减少耗能，增强可靠性，通过实现亚纳米切削量可以进一步提高工件的加工精度。

2、微位移驱动器正交阵列四个，通过差动的方式控制微位移驱动器的伸长量，便可实现工作平台的偏转和/或上下移动，且工作平台的中心位置保持不变，对称性和解耦性好。

3、采用双极性电容位移传感器，分辨率高、稳定性好、线性度高，从而确保所检测的位移精度高。

4、所述工作平台工作面阵列有若干吸附孔，通过给吸附孔提供负压，继而将加工工件通过真空吸附的方式固定在工作平台上，以防止在固定加工工件时对加工工件的表面造成损伤。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的支撑部立体结构示意图；

图5为本发明的驱动原理示意图；

图6为本发明的位移传感器工作原理示意图。

附图中各零部件名称：

1-工作平台，2-支撑部，3-柔性铰链，4-微位移驱动器，5-位移传感器，6-底座，7-支撑凸起，8-吸附孔，9-圆柔铰链。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件，包括工作平台1、支撑部2和底座6，所述工作平台1固定支撑部2上，所述支撑部2固定在底座6上。所述支撑部2由若干柔性铰链3组成，而柔性铰链3由两个圆柔铰链9组成，通常两个圆柔铰链9关于柔性铰链3中部对称设置。所述柔性铰链3用于固定工作平台1，工作平台1可以直接与柔性铰链3上端部固定连接，也可以与柔性铰链3侧壁固定连接；相应的，若工作平台1采用与柔性铰链3侧壁固定连接的方式，则所有的柔性铰链3之间应当留有用于容纳工作平台1的空间。

所述柔性铰链3由微位移驱动器4驱动上下移动，也就是说，每个柔性铰链3均由单独的微位移传感器4驱动。通过各个微位移驱动器4驱动对应的柔性铰链3上下移动，实现工作平台1偏转和/或竖直移动。

其中，所述柔性铰链3设置有四个，四个柔性铰链3呈矩形分布，以减少微位移驱动器4的数量，简化微位移驱动器4的数量。

进一步的，所述柔性铰链3上端设有支撑凸起7，所述支撑凸起7用于与工作平台1固定连接，以减小柔性铰链3与工作平台1连接处对工作平台1偏转的影响。

更优的是，四个支撑凸7起呈正方形分布，相应的四个柔性铰链3也呈正方形分布，以确保工作平台1在偏转时中心位置保持不变。同时，能够减小温漂对工作平台1偏转角的影响，不需要复杂的左边变换，变能够直接获得偏转角，解耦好。

优选的，所述四个柔性铰链4一体成型，以确保工作平台1在静止工况下的平面度。

结合图5详细的说明本实施例的驱动控制原理：

四个微位移驱动器4以90度夹角分布在底座6上，由于微位移驱动器4的正交分布，通过差动的形式控制微位移驱动器4A、微位移驱动器4C(或微位移驱动器4B、微位移驱动器4D)的伸长量，即可使得加工工件(反射镜)绕着x轴(或y轴)旋转。同时控制4个微位移驱动器4的以相同的位移量伸长，能够使得加工工件(反射镜)沿着z轴垂直运动。

同理，假设微位移驱动器4(A、B、C、D)的位移分为dA、dB、dC、dD，则工作平台1的偏转角α、β和垂直位移z分别为：

因此不需要复杂的坐标变换，便可获得偏转角α、β，解耦性好。而绕着x轴、y轴旋转的偏转角α、β相同，两个旋转轴的偏转能力、承载能力完全相同，具有很好的对称性，进而确保加工精度。

进一步的，所述柔性铰链3还连接有位移传感器5，所述位移传感器5用于监测柔性铰链3与微位移驱动器4连接处的位移。能理解的是，位移传感器5上端与柔性铰链3固定连接，下端与基座6固定连接，且位移传感器5上端靠近微位移驱动器4驱动端设置。通过位移传感器5以反馈工作平台1的位移数据给微位移驱动器4的控制器，实现微位移驱动器4的闭环控制。

作为位移传感器的具体实施方式，所述位移传感器5为双极性电容传感器，相比单极性电容传感器能够提供更高的测量分辨率、稳定性和精度，从而确保工作平台的移动精度。

结合图6，在本实施例中选用德国PI公司的D-050型电容传感器，其测量行程为50μm，分辨率为0.5nm，线性度为0.01％，带宽可以达到10KHz。双极性电容传感器在其零点处时，两传感器间距离为名义测量距离d0，名义测量距离d0一般等于电容传感器的量程，此时两金属极板之间的电容量和参考电容量相等，调理电路输出电压为0V。当双极性电容传感器互相靠近时，两金属极板之间的电容量增大，调离电路输出负的电压，当两传感器距离缩小到0.5d0时，为最近距离，此时调离电路输出为-5V。同理，当双极性电容传感器互相远离时，两金属极板之间的电容量减小，调离电路输出正的电压，当两传感器距离增大到1.5d0时，为最远距离，此时调离电路输出为+5V，

作为微位移驱动器的具体实施方式，所述位移传感器为压电陶瓷驱动器，以实现亚纳米级的位移变化。

另外，工作平台1工作面阵列有若干吸附孔8，通过给吸附孔8提供负压便可将加工工件通过真空吸附的方式固定在工作平台1上，以防止在固定加工工件时对加工工件的表面造成损伤。

本实施例在使用时将底座6固定于飞切机床的液体静压导轨滑块上实现z向切削深度的调整，单次最小进给量可小于500nm；可知的是，液体静压导轨实现y方向的进给运动，飞切机床空气静压主轴下端固定连接有飞刀盘，飞刀盘外侧安装有金刚石刀具。对刀后，通过控制四个压电陶瓷驱动器的伸长量，调整工件切削深度，实现对KDP晶体的切削，表面粗糙度可达到几纳米。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，包括支撑部(2)，所述支撑部(2)由若干柔性铰链(3)组成；

所述柔性铰链(3)用于固定工作平台(1)，所述柔性铰链(3)由微位移驱动器(4)驱动上下移动；

通过各个微位移驱动器(4)驱动对应的柔性铰链(3)上下移动，实现工作平台(1)偏转和/或竖直移动。

2.根据权利要求1所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述柔性铰链(3)设置有四个，四个柔性铰链(3)呈矩形分布。

3.根据权利要求2所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述柔性铰链(3)由两个圆柔铰链组成。

4.根据权利要求2或3所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述四个柔性铰链(3)一体成型。

5.根据权利要求2所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述柔性铰链(3)上端设有支撑凸起(7)，所述支撑凸起(7)用于与工作平台(1)固定连接。

6.根据权利要求5所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，四个支撑凸起(7)呈正方形分布。

7.根据权利要求1所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述柔性铰链(3)还连接有位移传感器(5)，所述位移传感器(5)用于监测柔性铰链(3)与微位移驱动器(4)连接处的位移。

8.根据权利要求7所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述位移传感器(5)为双极性电容传感器。

9.根据权利要求1所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，所述位移传感器(4)为压电陶瓷驱动器。

10.根据权利要求1所述的用于超精密飞切机床的纳米进给组件，其特征在于，还包括工作平台(1)，所述工作平台(1)工作面阵列有若干吸附孔(8)。

Images