[发明专利]基于变磁通的两自由度超高频响超精密刀具伺服装置

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。本发明的主 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。

本发明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。