CN201333635Y - 基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金刚石车削创成光学自由曲面的基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置，主要由基座、柔性铰链、磁质材料、弹性导轨和刀架组成，所述的柔性铰链多个，分成两组对称布置构成一个并联式机构；柔性铰链由多个连接在磁质材料安装面上的磁质材料通过变磁通装置驱动；所述的弹性导轨(5)是由至少两组柔性铰链组成的并联机构，每组柔性铰链至少2个；所述的刀架(6)与前端的两个柔性铰链和弹性导轨(5)连接；基座(1)、柔性铰链、磁质材料安装面、弹性导轨(5)和刀架(6)是通过电火花线切割加工而成的一个整体。本实用新型可获得超高频响特性和较大冲程，可实现刀尖相对于工件的复合往复直线和往复摆动运动。

Description

基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置

技术领域

本实用新型涉及一种快速刀具伺服(Fast Tool Servo，以下简称FTS)装置，特别是涉及一种金刚石车削创成光学自由曲面的两自由度超高频响超精密FTS装置，属于超精密加工和复杂光学元件加工等技术领域。

技术背景

非回转对称(Non-Rotationally Symmetric，以下简称NRS)光学曲面可克服光学系统的各种像差，改善光学性能，减缩光学系统的尺寸，使光学系统轻量化。由于NRS光学曲面的卓越性能，这将使得突破性的光学设计成为可能，NRS光学曲面将不仅在空间探索和空中防御系统等领域中有着重要的应用，而且在其它面向消费者的工业领域也将日益受到关注。

近年来，基于FTS的金刚石车削被国际工程界和学术界普遍认为是创成NRS光学曲面的最有发展前途的、高效精密及低成本的加工方法，可以克服其它的NRS光学曲面加工方法的一些不足。根据刀具轨迹的运动型式，现有的FTS装置主要包括：直线型FTS和回转型FTS。这些FTS装置都是单自由度的，即仅可实现刀尖相当于工件的往复直线或往复摆动运动。这类FTS的主要缺陷是，刀尖相对于被加工表面易发生几何干涉，难以实现微结构光学元件的加工；此外刀刃-工件的接触点始终在变化，导致切削力总是波动的，影响光学元件的加工质量。在超精密加工的其它一些领域，还提出了两个自由度以上的微动工作台，主要用于加工误差补偿。这些多自由度微动工作台还不能直接应用于NRS光学曲面的金刚石车削创成，主要问题在于：结构复杂，静/动态特性难以满足NRS光学曲面加工的要求，尤其是多个自由度的运动耦合导致冲程受限制等。

根据FTS的驱动原理，现有的FTS装置主要包括：压电型FTS、洛仑兹力型FTS、麦克斯韦力型FTS和基于磁致伸缩效应的FTS。这些FTS驱动方式的特点是：压电型FTS适合于高频响短冲程场合；洛仑兹力FTS可获得毫米级的长行程；麦克斯韦力型FTS则将超高频响性能发挥至最大，但行程受到限制；基于磁致伸缩效应的FTS尚未取得明显优越的效果。

发明内容

为了解决现有FTS装置存在的问题和不足，本实用新型的目的在于提供一种基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置，主要用于金刚石车削创成光学自由曲面。本实用新型的主要优点在于：可获得超高频响特性和较大冲程，克服了麦克斯韦力型FTS频响高但冲程小的限制；可实现刀尖相对于工件的复合往复直线和往复摆动运动，克服了单自由度型FTS的刀尖-工件干涉等问题，为主动控制切削力和表面质量提供了可行性；而且结构紧凑，反冲力/矩较小，易于控制，能实现微纳米级的定位精度。

本实用新型通过以下技术方案实现，结合图1说明如下：

一种基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置，主要由基座、柔性铰链、磁质材料、弹性导轨和刀架组成，所述的柔性铰链分成两组对称布置构成一个并联式机构；柔性铰链由连接在磁质材料安装面上的磁质材料通过变磁通装置驱动；所述的弹性导轨5是由至少两组柔性铰链组成的并联机构，每组柔性铰链至少2个；所述的刀架6与前端的两个柔性铰链和弹性导轨5连接；基座1、柔性铰链、磁质材料安装面、弹性导轨5和刀架6是通过电火花线切割加工而成的一个整体。

所述的柔性铰链为6个：2a、2b、2c，2d、2e、2f，所述的磁质材料为8个：4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h，所述的磁质材料安装面为8个：3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，所述的6个柔性铰链2a、2b、2c，2d、2e、2f，分成两组，每组3个，相对于x轴对称布置构成一个并联式机构；6个柔性铰链2a、2b、2c，2d、2e、2f由8个连接在磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h上的磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h通过变磁通装置驱动。

所述的基于变磁通的两自由度超精密超高频响刀具伺服装置，其特征在于所述刀架6与前端的柔性铰链2c、2d和弹性导轨5连接；通过控制变磁通装置的磁通量改变，驱动6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f作往复摆动，使刀架6连同刀具绕z轴作往复摆动；通过弹性导轨5的限制作用，驱动刀具在X方向上作直线运动，控制刀具伺服装置在两个自由度上的运动。

所述的基于变磁通的两自由度超精密高频响刀具伺服装置，其特征在于通过控制所述磁质材料通过的磁通量，控制柔性铰链的驱动力；前部的柔性铰链2c、2d对装置中部的柔性铰链2b、2e产生行程放大，装置中部的柔性铰链2b、2e对装置后部的柔性铰链2a、2f产生行程放大；通过调节刀具直线运动位移和旋转角度，调整进给量控制在纳米级。

本实用新型的积极效果是：本实用新型可大大提高FTS的驱动精度，可获得超高频响特性和较大冲程，可实现FTS的复合往复运动，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高等优点。

附图说明

图1是基于变磁通的两自由度超高频响超精密FTS装置的结构示意图。

图2a是基于变磁通的两自由度超高频响超精密FTS装置结构的正面三维示意图。

图2b是基于变磁通的两自由度超高频响超精密FTS装置结构的背面三维示意图。

图3是柔性铰链行程放大原理说明图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体内容及其工作过程。

一种基于变磁通的两自由度超高频响超精密FTS装置，由基座1，6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f，8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，8个磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h，弹性导轨5和刀架6组成，所说的整个FTS装置结构由固定不动的基座1支撑。所说的6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f分成两组2a、2b、2c和2d、2e、2f组成一个并联式机构。6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f由磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h通过变磁通装置驱动，磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h分别连接在8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h上。弹性导轨5是由两组(每组2个)柔性铰链组成的并联机构。刀架6与前端的柔性铰链2c、2d和弹性导轨5连接，通过6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f的往复摆动，能够实现刀架6(即刀具)的绕z轴的往复摆动，弹性导轨能够实现刀具在X方向上的直线运动。基座1，6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f，8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，弹性导轨5和刀架6是一个整体，通过线切割加工而成。

所说的6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f分成两组2a、2b、2c和2d、2e、2f组成一个并联式机构，此种结构与所连接的基座1，8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h和刀架6是同一整体，由线切割加工而成，故无需装配，且可以使刀架受到柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f的驱动与基座1发生相对运动时不存在摩擦，可大大提高精度。

所说的磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h分别连接在8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h上。8个磁质材料由磁通量可变的电磁铁驱动，当磁通改变时便对磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h产生驱动力，由于磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h与磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h连接，因此该驱动力直接传给磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，进而在磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h与6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f之间形成驱动力，通过该驱动力实现6个柔性铰链的往复摆动。6个柔性铰链驱动刀架6实现刀具绕Z轴的往复摆动运动。

所说的弹性导轨5是由两组(每组2个)柔性铰链组成的并联机构。该结构只能沿着X方向作直线运动，从而起到限制刀架6自由度的作用，能够实现刀架6(即刀具)在X方向上的往复直线移动。

所说刀架6与前端的柔性铰链2c、2d和弹性导轨5连接，通过6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f的往复摆动能够实现刀具的回转运动，通过弹性导轨5的限制作用，能够实现刀具在X方向上的直线运动。从而实现快速刀具伺服装置在两个自由度上的运动。

通过对所说的基座1，6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f，8个磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，弹性导轨5和刀架6是一个整体，不需要装配，通过线切割加工而成。

通过对所说的磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h所通过的磁通量进行控制，实现对6个柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f驱动力的控制。同时，装置前部的柔性铰链2c、2d对装置中部的柔性铰链2b、2e所产生的行程都具有放大作用，装置中部的柔性铰链2b、2e对装置后部的柔性铰链2a、2f所产生的行程也具有放大作用。从而使刀架(即刀具)具有极高的加速度(1000g)和大的行程(120μm)。又因为系统本身采用变磁通作为驱动形式，而且整个系统的质量轻，因此整个FTS装置具有极高的频率响应。通过调节刀具直线运动位移和旋转角度，将进给量控制在纳米级，以实现加工微结构光学自由曲面的目的，并满足加工质量的要求。

本实用新型的放大作用仅用柔性铰链的其中一个(例如2a)说明其原理，其余5个的柔性铰链2b、2c、2d、2e、2f的放大作用的道理与其相同.

首先将柔性铰链2a简化成长度为L的绕原点o做往复摆动的杆，位置j是柔性铰链2a的起始位置，此时与x轴成α角，位置II是柔性铰链2a转动Δα角度后的位置。Δx和Δy分别是柔性铰链2a由位置I摆动到位置II的位移r在x，y方向上的位移分量，其中Δy是驱动部分的位移，而Δx是刀具伺服平台的位移(完全可以看做是刀具的位移)。由于Δα角度极小，可以考虑将Δx和Δy写成关于角度α的微分形式，即：

dy＝rcosαdα

dx＝-rsinαdα

$\⇒\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dy}}=-\tan \mathrm{\α}$

由于装置在I位置是的角度是63.5°，其正切值是大于1的，也就是说X方向的位移是Y方向的位移的tan63.5°倍，可见对行程有放大作用.

该装置的具体工作过程如下：

初始状态下，磁性材料、电磁铁均不通电。工作时，磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h和电磁铁均通电，通过改变电磁铁的电流来改变磁通量，从而对磁质材料4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h产生驱动力，该驱动力直接传给磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h，使磁质材料安装面3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h和柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f之间产生弹性力，通过弹性力驱动柔性铰链2a、2b、2c、2d、2e、2f做往复摆动，从而实现刀架6即刀具)的绕z轴的往复摆动。因为弹性导轨只能实现X方向上的直线运动，因此通过弹性导轨5可以实现刀架即刀具)的沿着x轴的直线往复运动。通过对磁通量的大小进行控制，进而控制刀具的行程和速度。

Claims (3)

1、一种基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置，主要由基座、柔性铰链、磁质材料、弹性导轨和刀架组成，其特征在于所述的柔性铰链分成两组对称布置构成一个并联式机构；柔性铰链由连接在磁质材料安装面上的磁质材料通过变磁通装置驱动；所述的弹性导轨(5)是由至少两组柔性铰链组成的并联机构，每组柔性铰链至少2个；所述的刀架(6)与前端的两个柔性铰链和弹性导轨(5)连接；基座(1)、柔性铰链、磁质材料安装面、弹性导轨(5)和刀架(6)是通过电火花线切割加工而成的一个整体。

2、根据权利要求1所述的基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置，其特征在于所述的柔性铰链为6个(2a、2b、2c，2d、2e、2f)，所述的磁质材料为8个(4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h)，所述的磁质材料安装面为8个(3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h)，所述的6个柔性铰链(2a、2b、2c，2d、2e、2f)，分成两组，每组3个，相对于x轴对称布置构成一个并联式机构；6个柔性铰链(2a、2b、2c，2d、2e、2f)由8个连接在磁质材料安装面(3a、3b、3c、3d，3e、3f、3g、3h)上的磁质材料(4a、4b、4c、4d，4e、4f、4g、4h)通过变磁通装置驱动。

3、根据权利要求1或2所述的基于变磁通的两自由度超精密超高频响刀具伺服装置，其特征在于所述刀架(6)与前端的柔性铰链(2c、2d)和弹性导轨(5)连接；通过控制变磁通装置的磁通量改变，驱动6个柔性铰链(2a、2b、2c、2d、2e、2f)作往复摆动，使刀架(6)连同刀具绕z轴作往复摆动；通过弹性导轨(5)的限制作用，驱动刀具在X方向上作直线运动，控制刀具伺服装置在两个自由度上的运动。

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