[发明专利]一种混合直线回转快速刀具伺服装置

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非回转对称(Non-Rotationally Symmetric，以下简称NRS)光学曲面的大冲程高精密混合直线/回转快速刀具伺服装置，属于精密加工和复杂光学元件加工等技术领域。

背景技术

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。图1示出了基于FTS的金刚石车削创成NRS光学曲面的原理。在图1中，工件安装在主轴上，主轴单元可沿X轴导轨移动，金刚石刀具安装在FTS上沿Z′轴作快速往复移动，而FTS安装在Z轴溜板上。NRS曲面定义为径向坐标x和主轴回转坐标θ的函数z(x，θ)。要创成NRS光学曲面，根据主轴绕Z轴的回转坐标θ(C轴)和金刚石刀具沿X轴横向进给的径向坐标x，对刀具的Z轴坐标z或/和FTS的Z′轴位置z′进行伺服控制。

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，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控制上的困难。

根据FTS的驱动技术，现有的FTS装置主要分为：基于压电效应的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适合于高频响短行程场合；洛仑兹力FTS可获得毫米级的长行程；麦克斯韦力FTS则将超高频响性能发挥至最大；基于磁致伸缩效应的FTS尚未取得明显的效果。

为解决现有FTS存在的问题，本发明基于洛仑兹力型驱动方式，提供一种运动解耦的长行程高精密混合直线/回转FTS，可实现刀尖相对于工件的快速往复直线和往复摆动运动，主要应用于NRS光学曲面的金刚石车削创成。本发明的主要优点在于：基于洛仑兹力型驱动，可获得FTS的大行程往复运动，从而适合NRS曲面加工有大行程需要的场合；实现了刀尖相对于工件的运动解耦的往复直线和往复摆动运动，克服了单自由度FTS的刀尖-工件干涉的问题，为主动控制切削力和表面质量提供了可行性，而且解耦的混合直线/回转运动，控制十分方便、易于实现；同时还具有结构紧凑、反冲力/矩较小等特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种运动解耦的大行程高精密混合直线回转快速刀具伺服装置，实现刀尖相对于工件的快速往复直线和往复摆动运动，以解决现有FTS存在的上述问题，主要应用于NRS光学曲面的金刚石车削创成。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种混合直线回转快速刀具伺服装置，主要由直线快速刀具伺服、回转快速刀具伺服和支架组成，所述的回转快速刀具伺服包括无刷直流电机7、刀臂10和光电编码器1，所述的无刷直流电机7固定在支架14顶部，并通过梅花式弹性联轴器6与刀臂轴相连，刀臂轴由装在支架14上的一对上、下气体静压轴承3，8支撑，上、下气体静压轴承8，3采用上、下迷宫密封9，11和上、下轴承盖5，2密封，刀臂10固定在刀臂轴中部，刀具安装在刀臂10前端，在支架14底部刀臂轴的末端安装了用于测量角位移的光电编码器1；所述的直线快速刀具伺服与回转快速刀具伺服固定联接，两者为运动解耦。