CN207953316U - 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，属于超精密车削和光学零件超精密加工技术领域。左驱动模块、右驱动模块分别置于铰链模块的左右两侧与铰链模块内的铰链架左右两端固定连接，刀具模块与铰链模块内部铰链架的前端固定连接，传感器组位由三个直线位移传感组成，固定连接于铰链模块内部，左驱动模块、右驱动模块及铰链模块分别固定连接在装置底座之上。本实用新型用于加工具有高精度复杂自由曲面的光学元件，满足在光学自由曲面的加工过程中对FTS装置的诸多性能要求，有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于超精密车削和光学零件超精密加工技术领域，具体涉及一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置。
背景技术
非回转对称曲面指的是没有任何对称轴的曲面，具有这类曲面的光学元件有较为优异的光学性能，例如矫正相差、扩大作用距离、改善像质、扩大视场等，可以使相应的光学系统结构简化、轻量化，并大大提高其光学性能。这使得自由曲面光学元件在IT及数码、汽车、通讯、军事武器、航空航天等领域有着越来越广泛的应用。
目前加工非回转对称曲面的方法有：成型加工、计算机数控研磨和抛光、飞切加工、活轴切削、慢速滑板伺服技术以及快速刀具伺服技术。FTS技术是指金刚石刀具在高频驱动器的带动下进行往复运动进而加工非回转对称曲面；可重复加工具有复杂表面形状的光学元件，同时通过一次加工便可以达到较高的尺寸精度、形状精度以及较低的表面粗糙度。这种加工方法在非回转对称光学零件的加工生产中具有显著的经济效益，其应用最为广泛。
FTS的主要发展方向为多自由度、高精度、大行程高频运动等。但目前多数FTS装置都是单轴单自由度式或者多轴低精度式，无法达到较高的光学曲面加工效果。其主要原因在于：单自由度式FTS在加工过程中不能同时实现沿多轴方向的高频往复运动，为了保证在加工过程中切削力的平稳，需要刀具在X轴和Y轴两个方向同时进行高频往复运动，所以单自由度FTS的应用很有局限性；对于多轴直线FTS装置而言，其主要的问题在于运动行程和精度有待提高，目前许多多轴直线FTS装置虽然能够实现刀具在X轴和Y轴两个方向的往复运动，但是为了保证较高的运动带宽，多数的运动行程较小，降低加工效率。对于一些行程较大的FTS装置，由于其运动机构惯性质量过大，使得刀具的运动精度及定位精度较低，降低了刀具的运动频率和跟踪精度。如《一种混合直线回转快速刀具伺服装置》(专利公开号：CN101386141A)虽然实现了大行程往复运动，但其采用直流电机连接运动机构，存在传动误差导致的精度问题以及结构复杂装置较大的问题；再如《一种高精密大行程三轴快速刀具伺服装置》(专利公开号：CN102069411A)，其采用音圈电机及压电陶瓷作为直线驱动器，虽然实现了X轴、Y轴、Z轴三个方向的高频往复运动，但是由于其铰链机构的设计使其稳定性不高，且影响刀具在X轴、Z轴方向上的运动行程，同时运动部分惯性质量较大，使得刀具运动精度不能达到理想状态；再如《一种两轴解耦的快速刀具伺服装置》(专利公开号：CN104084829A)以及《一种用于加工微结构表面的快速刀具伺服装置》(专利公开号：CN102248427A)采用的是压电驱动，运动行程有限；还有如机制不同的多轴FTS装置《一种大行程三自由度直线式快速刀具伺服装置》(专利公开号:CN103357894A),《一种大行程两轴直线式快速刀具伺服装置》(专利公开号: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，但是铰链摆动式的设计使得铰链的稳定性、使用寿命都有所降低，且其结构设计使得运动部分的惯性质量较大，运动精度降低，同时所设计的铰链结构较为复杂，不便于装配及调试；再如《大行程高频响快速刀具伺服装置》(专利公开号：CN102554633A)采用的是气浮导轨作为导向机构，结构复杂，气浮轨道工作环境较差，适用于加工较大的光学自由曲面，对于加工中小型光学自由曲面，其成本较高，具有局限性。鉴于以上问题，目前急需要一种用来加工中小型光学自由曲面且能实现多自由度、较大行程、高频高精度的FTS装置。
发明内容
本实用新型提供一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，用于加工具有高精度复杂自由曲面的光学元件，满足在光学自由曲面的加工过程中对FTS装置的诸多性能要求，有广泛的应用前景。
本实用新型采取的技术方案是：包括左驱动模块、右驱动模块、铰链模块、刀具模块、传感器组、底座，其中左驱动模块、右驱动模块分别置于铰链模块的左右两侧与铰链模块内的铰链架左右两端固定连接，刀具模块与铰链模块内部铰链架的前端固定连接，传感器组位由三个直线位移传感组成，固定连接于铰链模块内部，左驱动模块、右驱动模块及铰链模块分别固定连接在装置底座之上；
所述右驱动模块与左驱动模块结构相同，二者相对布置，其中：左驱动模块包括音圈电机一、左支撑板、上顶撑板一、下底板一、前挡板一、后挡板一、柔性铰链导向机构一，其中左支撑板为音圈电机一固定板，与音圈电机一的定子一固定连接，左驱动模块右侧面为柔性铰链导向机构一，与音圈电机一的动子一固定连接实现X轴导向作用，上顶板一、下底板一、前挡板一以及后挡板一分别与电机固定板一和柔性铰链导向机构一相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机一包裹在内，左驱动模块的下底板与装置底座固定连接；
其中：右驱动模块包括音圈电机二、右支撑板、上顶撑板二、下底板二、前挡板二、后挡板二、柔性铰链导向机构二，其中右支撑板为音圈电机二固定板，与音圈电机二的定子二固定连接，右驱动模块右侧面为柔性铰链导向机构二，与音圈电机二的动子二固定连接实现X轴导向作用，上顶板二、下底板二、前挡板二以及后挡板二分别与电机固定板二和柔性铰链导向机构二相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机二包裹在内，右驱动模块的下底板二与装置底座固定连接；
所述柔性铰链导向机构一、柔性铰链导向机构二采用碳纤维材料；
所述音圈电机一、音圈电机二具有纳米级的定位精度和毫米级的运动行程；
所述铰链模块由铰链架及支撑板组成，铰链架位于支撑板构成的内部；
所述支撑板包括上底板、下底板、前挡板、后挡板，其中下底板与装置底座固定连接，前挡板、后挡板分别置于铰链模块前、后端且与下底板固定连接，上底板与前挡板和后挡板固定连接；
所述铰链架由两个菱形柔性铰链及四个竖直连杆组成，两个菱形柔性铰链分别上下水平放置且竖直投影重合，四个竖直连杆分别与两菱形铰链前、后、左、右端面固定连接，菱形柔性铰链长对角线对应两端为铰链架前、后端，短对角线对应两端为铰链架的左、右端；左端竖直连杆与左驱动模块的柔性铰链导向机构一固定连接，右端竖直连杆与右驱动模块2的柔性铰链导向机构二固定连接；
所述传感器组由上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二和下部一个Y轴方向位移传感器组成，上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二分别固定连接于铰链模块的上支撑板的下表面，Y轴方向位移传感器固定连接于铰链模块的下底板上表面；
所述传感器组的上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二和下部一个Y轴方向位移传感器分别采用光栅位移传感器。
所述刀具模块由金刚石刀具及刀具座组成，金刚石刀具固定连接在刀具座上，刀具座固定连接在铰链架的前端竖直连杆中部。
本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
1.实现了在X轴和Y轴上毫米级的大行程运动；
2.对立挤压式驱动，应用柔性机构的弹性形变来产生进给量，相对其他方式而言运动部分质量去除了电机动子质量，仅为柔性铰链机构质量。同时应用碳纤维材料大幅度减小了运动部分的惯性质量，提高最大运动频率和运动精度；
3.菱形铰链架结构的设计使得刀具在XY平面内的运动更加稳定，且对长对角线方向(Y轴方向上)直线运动具有放大的作用，电机柔性铰链导向机构有较高防倾覆能力，提高导向效果；
4.其相对于摆动式往复运动而言，本实用新型的对立挤压式运动，不会在Z轴方向上产生附加位移，省略位移补偿机构，简化控制系统。
本实用新型主要适用于中小型自由曲面光学元件的加工且能够实现多自由度、大行程、高频高精度的功能。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型左驱动模块的结构示意图；
图3是本实用新型左驱动模块结构爆炸图；
图4是本实用新型右驱动模块结构爆炸图；
图5是本实用新型铰链模块的结构示意图；
图6是本实用新型铰链模块结构爆炸图；
图7是本实用新型传感器组的位置示意图，图中去掉左、右驱动及铰链模块的部分挡板；
图8是本实用新型刀具模块实体图；
图9是本实用新型工作原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，包括左驱动模块1、右驱动模块2、铰链模块3、刀具模块4、传感器组5、底座6，其中左驱动模块1、右驱动模块2分别置于铰链模块3的左右两侧与铰链模块3内的铰链架3-1左右两端固定连接，用以对铰链架3-1的左右两端进行驱动及挤压，刀具模块4与铰链模块3内部铰链架3-1的前端固定连接，用以切削自由曲面，传感器组5位由三个直线位移传感组成，固定连接于铰链模块3内部，用以测量铰链架3-1左右两端在驱动器的驱动下所产生的X轴方向的直线位移以及铰链架3-1因为X轴方向受到挤压而在Y轴方向所产生的位移，进而形成闭环反馈，左驱动模块1、右驱动模块2及铰链模块3分别固定连接在装置底座6之上；
如图2、3、4所示，右驱动模块2结构与左驱动模块1相同，二者相对布置，每个驱动模块都由一个音圈电机、柔性铰链导向机构和五块支撑板组成，构成一空间长方体机构，
其中：左驱动模块1包括音圈电机一1-1、左支撑板1-2、上顶撑板一1-3、下底板一1-4、前挡板一1-5、后挡板一1-6、柔性铰链导向机构一1-7，其中左支撑板1-2为音圈电机一固定板，与音圈电机一1-1的定子一1-1-1固定连接，左驱动模块1右侧面为柔性铰链导向机构一1-7，与音圈电机一1-1的动子一1-1-2固定连接实现X轴导向作用，柔性铰链导向机构一1-7采用碳纤维材料，使其具有较高强度及导向作用的同时质量较轻，上顶板一1-3、下底板一1-4、前挡板一1-5以及后挡板一1-6分别与电机固定板一1-2和柔性铰链导向机构一1-7相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机一1-1包裹在内，左驱动模块1的下底板1-4与装置底座6固定连接；
其中：右驱动模块2包括音圈电机二2-1、右支撑板2-2、上顶撑板二2-3、下底板二2-4、前挡板二2-5、后挡板二2-6、柔性铰链导向机构二2-7，其中右支撑板2-2为音圈电机二固定板，与音圈电机二2-1的定子二2-1-1固定连接，右驱动模块1右侧面为柔性铰链导向机构二2-7，与音圈电机二2-1的动子二2-1-2固定连接实现X轴导向作用，柔性铰链导向机构二2-7采用碳纤维材料，使其具有较高强度及导向作用的同时质量较轻，上顶板二2-3、下底板二2-4、前挡板二2-5以及后挡板二2-6分别与电机固定板二2-2和柔性铰链导向机构二2-7相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机二2-1包裹在内，右驱动模块2的下底板二2-4与装置底座6固定连接；
如图5所示，铰链模块3由铰链架3-1及支撑板3-2组成，铰链架3-1位于支撑板3-2构成的内部；
如图6所示，支撑板3-2包括上底板3-2-1、下底板3-2-2、前挡板3-2-3、后挡板3-2-4，下底板3-2-2与装置底座6固定连接，前挡板3-2-3、后挡板3-2-4分别置于铰链模块3前、后端且与下底板3-2-2固定连接，上底板3-2-1与前挡板3-2-3和后挡板3-2-4固定连接；
如图6所示，铰链架3-1由两个菱形柔性铰链3-1-1及四个竖直连杆3-1-2组成，两个菱形柔性铰链3-1-1分别上下水平放置且竖直投影重合，四个竖直连杆3-1-2分别与两菱形铰链3-1-1前、后、左、右端面固定连接，菱形柔性铰链3-1-1长对角线(Y轴方向)对应两端为铰链架3-1前、后端，短对角线(X轴方向)对应两端为铰链架3-1的左、右端；左端竖直连杆与左驱动模块1的柔性铰链导向机构一1-7固定连接，右端竖直连杆与右驱动模块2的柔性铰链导向机构二2-7固定连接，左驱动模块1和右驱动模块2可以直接对铰链架3-1的左右两端进行驱动，所述的铰链架3-1机构均为碳纤维材料结构，大大减轻了运动机构的惯性质量。
进一步说明，铰链模块3的前挡板3-2-3和后挡板3-2-4中部开有长方形通孔便于内部的前端竖直连杆3-1-2与刀具模块4连接，前挡板3-2-3和后挡板3-2-4开有圆形通线孔便于传感器组5的安装及数据线的导出。
如图7所示，传感器组5由上部X轴方向位移传感器一5-1、X轴方向位移传感器二5-2和下部一个Y轴方向位移传感器5-3组成，上部X轴方向位移传感器一5-1、X轴方向位移传感器二5-2分别固定连接于铰链模块3的上支撑板3-2-1的下表面，用于检测铰链架3-1左右两端在X轴方向的直线位移，Y轴方向位移传感器5-3固定连接于铰链模块3的下底板3-2-2上表面，用于检测铰链架3-1前段在Y轴方向的直线位移；
如图8所示，刀具模块4由金刚石刀具4-1及刀具座4-2组成，金刚石刀具4-1固定连接在刀具座4-2上，刀具座4-2固定连接在铰链架3-1的前端竖直连杆中部。
进一步说明，两个高性能的音圈电机一1-1、音圈电机二2-1具有纳米级的定位精度和毫米级的运动行程；
所述传感器组5上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二和下部一个Y轴方向位移传感器分别采用光栅位移传感器，可以达到10纳米级以上的精度，因此在X轴和Y轴的运动皆可达到毫米级的大行程的同时可达到亚微米级的精度。
下面结合附图9对本实用新型工作原理作进一步地说明：
X轴方向的高频往复运动的实现，将铰链架3-1视为整体，控制音圈电机一1-1、音圈电机二2-1对铰链架3-1左右两端施加一定的力F1和F2，通过控制F1与F2的差值大小及方向(忽略导向铰链一1-7、导向铰链二2-7的微小阻力)，来控制铰链架3-1整体的运动状态，即刀具的X轴方向的运动状态，同时结合X轴方向的X轴方向位移传感器一5-1、X轴方向位移传感器二5-2的反馈，以实现刀具4-1在X轴方向上的高精度高频往复直线运动；
Y轴方向的高频往复运动的实现，音圈电机一1-1、音圈电机二2-1驱动菱形柔性铰链框架3-1使其在X轴方向上进行高频往复直线运动的同时，使得菱形铰链框架3-1左右两端在X轴方向上承受相应的挤压力，使得菱形铰链机构3-1-1变形，即短对角线(X轴方向)变短，长对角线(Y轴方向)变长，进而使菱形铰链框架3-1在Y轴方向上产生位移，通过系统控制音圈电机一1-1、音圈电机二2-1输出力F1和F2的最小值F(F＝min{F1、F2})，进而控制菱形铰链框架3-1在X轴方向上所受的挤压力，结合所述碳纤维菱形铰链架3-1的材料性质、形状及相应的形变公式，得出X轴方向所受挤压力与相应形变x的关系，进而推算出菱形铰链架3-1在Y轴方向上的形变量y与音圈电机一1-1、音圈电机二2-1输出力F(F＝min{F1、F2})的关系；所以可以通过控制音圈电机一1-1、音圈电机二2-1的输出力F(F＝min{F1、F2})来控制铰链架3-1前端在Y轴方向的运动状态，结合Y轴方向的直线位移传感器5-3的闭环反馈，实现刀具4-1在Y轴方向的高精度高频往复直线运动；
综上所述，通过控制两对射式布置的音圈电机一1-1、音圈电机二2-1的输出F1、F2的差值来实现刀具4-1在X轴方向上的高频往复运动，通过控制两对射式布置的音圈电机一1-1、音圈电机二2-1的输出F1、F2的最小值F来实现刀具4-1在Y轴方向上的高频往复运动，进而实现刀具4-1的两自由度高精度高频往复运动。
Claims (8)
1.一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：包括左驱动模块、右驱动模块、铰链模块、刀具模块、传感器组、底座，其中左驱动模块、右驱动模块分别置于铰链模块的左右两侧与铰链模块内的铰链架左右两端固定连接，刀具模块与铰链模块内部铰链架的前端固定连接，传感器组位由三个直线位移传感组成，固定连接于铰链模块内部，左驱动模块、右驱动模块及铰链模块分别固定连接在装置底座之上。
2.根据权利要求1所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述右驱动模块与左驱动模块结构相同，二者相对布置，其中：
所述左驱动模块包括音圈电机一、左支撑板、上顶撑板一、下底板一、前挡板一、后挡板一、柔性铰链导向机构一，其中左支撑板为音圈电机一固定板，与音圈电机一的定子一固定连接，左驱动模块右侧面为柔性铰链导向机构一，与音圈电机一的动子一固定连接实现X轴导向作用，上顶板一、下底板一、前挡板一以及后挡板一分别与电机固定板一和柔性铰链导向机构一相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机一包裹在内，左驱动模块的下底板与装置底座固定连接；
所述右驱动模块包括音圈电机二、右支撑板、上顶撑板二、下底板二、前挡板二、后挡板二、柔性铰链导向机构二，其中右支撑板为音圈电机二固定板，与音圈电机二的定子二固定连接，右驱动模块右侧面为柔性铰链导向机构二，与音圈电机二的动子二固定连接实现X轴导向作用，上顶板二、下底板二、前挡板二以及后挡板二分别与电机固定板二和柔性铰链导向机构二相互固定连接，形成长方体空间，并将音圈电机二包裹在内，右驱动模块的下底板二与装置底座固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述柔性铰链导向机构一、柔性铰链导向机构二采用碳纤维材料。
4.根据权利要求2所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述音圈电机一、音圈电机二具有纳米级的定位精度和毫米级的运动行程。
5.根据权利要求1所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述铰链模块由铰链架及支撑板组成，铰链架位于支撑板构成的内部；
所述支撑板包括上底板、下底板、前挡板、后挡板，其中下底板与装置底座固定连接，前挡板、后挡板分别置于铰链模块前、后端且与下底板固定连接，上底板与前挡板和后挡板固定连接；
所述铰链架由两个菱形柔性铰链及四个竖直连杆组成，两个菱形柔性铰链分别上下水平放置且竖直投影重合，四个竖直连杆分别与两菱形铰链前、后、左、右端面固定连接，菱形柔性铰链长对角线对应两端为铰链架前、后端，短对角线对应两端为铰链架的左、右端；左端竖直连杆与左驱动模块的柔性铰链导向机构一固定连接，右端竖直连杆与右驱动模块2的柔性铰链导向机构二固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述传感器组由上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二和下部一个Y轴方向位移传感器组成，上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二分别固定连接于铰链模块的上支撑板的下表面，Y轴方向位移传感器固定连接于铰链模块的下底板上表面。
7.根据权利要求6所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述传感器组的上部X轴方向位移传感器一、X轴方向位移传感器二和下部一个Y轴方向位移传感器分别采用光栅位移传感器。
8.根据权利要求1所述的一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置，其特征在于：所述刀具模块由金刚石刀具及刀具座组成，金刚石刀具固定连接在刀具座上，刀具座固定连接在铰链架的前端竖直连杆中部。
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| CN201820391199.9U CN207953316U (zh) | 2018-03-21 | 2018-03-21 | 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 |
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|---|---|
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ID=63725578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201820391199.9U Withdrawn - After Issue CN207953316U (zh) | 2018-03-21 | 2018-03-21 | 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 |
Country Status (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2018
- 2018-03-21 CN CN201820391199.9U patent/CN207953316U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108262629A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-07-10 | 吉林大学 | 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 |
| CN108262629B (zh) * | 2018-03-21 | 2023-12-26 | 吉林大学 | 一种大行程高精度两自由度快速刀具伺服装置 |
| CN112448611A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-03-05 | 山东大学日照智能制造研究院 | 一种压电陶瓷驱动的二自由度快刀伺服器及驱动方法 |
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Granted publication date: 20181012 Effective date of abandoning: 20231226 |
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