一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置的製作方法

2023-10-09 18:41:39

專利名稱：一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於超精密加工和複雜曲面光學零件加工技術領域，涉及一種自由曲面超 精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置。
背景技術：
利用動態誤差抵消方法，可提升現行超精密車床的加工精度和表面質量。迄今為 止，自由曲面超精密車削的誤差抵消主要是針對低頻誤差(靜態或擬靜態誤差)，針對中低 頻或中高頻動態誤差的還較少，而且在這些技術方案中基本上都是利用單自由度的誤差抵 消裝置。在自由曲面超精密車削中，所產生的刀具與工件之綜合誤差不僅依賴於迴轉軸和 平移軸的位置坐標，而且還依賴工具機溫升等因素，這使得綜合誤差具有中低頻或中高頻動 態特徵、以及非迴轉對稱性；刀具與工件之綜合誤差不僅在Z軸上有投影分量，在X軸上也 有大小相當的投影分量，這使得現行的單自由度誤差抵消裝置難以滿足實際自由曲面超精 密車削的主動誤差抵消要求。自由曲面超精密車削的動態誤差抵消裝置，其主要的性能要求是(1)具有中低 頻或中高頻響、高精度和適當的衝程等特性；(2)在X軸和Z軸之間的運動必須是獨立、解 耦的，並且X軸或Z軸之誤差抵消不應該在其它的方向上產生附加或寄生的運動。儘管在其它的精密製造領域，已有關於兩軸或多軸運動伺服裝置的報導，但還不 能直接適用於自由曲面超精密車削的動態誤差抵消。這些多軸運動伺服裝置尚不滿足自由 曲面超精密車削動態誤差抵消裝置的性能要求，其最為主要的缺陷是(1)兩個軸之間是 運動耦合的，這使得這兩個軸的驅動控制非常困難；(2)在某個軸上的運動將在其它的方 向上產生附加或寄生的運動，而為了消除這些附加或寄生的運動，不得不在這些產生寄生 運動的方向上施加額外的驅動補償，這將使得誤差抵消裝置的設計製造複雜、整體精度和 帶寬降低。還需指出的是即使是有慢速溜板伺服的多軸超精密車床，也不適合中低頻或中 高頻動態誤差抵消，這主要因為慢速溜板伺服的往復運動頻率太低。現行的有慢伺服軸的 多軸超精密車床，其往復運動頻率也就能達到幾個赫茲。

發明內容
本發明提供一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置，以解決多軸 運動伺服裝置尚不滿足自由曲面超精密車削動態誤差抵消裝置性能要求的問題。本發明採取的技術方案是左側板、右側板和前蓋板分別與基座、上蓋板固定連 接，兩自由度柔性鉸鏈機構通過螺栓與基座定位固定連接，金剛石刀具與兩自由度柔性鉸 鏈機構固定連接，X向壓電執行器通過X向U型塊分別與兩自由度柔性鉸鏈機構中的左立 柱、右立柱上的U型槽、用X向預緊螺釘固定連接；Z向壓電執行器一、Z向壓電執行器二分 別通過Z向U型塊一、Z向U型塊二、與兩自由度柔性鉸鏈機構中X向運動平臺後部的兩個 U型槽、用Z向預緊螺釘一、Z向預緊螺釘二固定連接，傳感器支架與兩自由度柔性鉸鏈機構後部左側或右側固定連接，X向電容位移傳感器與傳感器支架上的圓孔固定連接，其測頭正 對X向運動平臺，Z向電容位移傳感器與柔性鉸鏈機構中X向運動平臺後部的圓孔固定連 接，其測頭正對Z向運動平臺。本發明的一種實施方式是兩自由度柔性鉸鏈機構是一個「H型」整體結構，分為 左、中、右三部分，其中左側部分的左立柱分別通過柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X 向左導向動臂鉸接；右側部分的右立柱分別通過柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向 右導向動臂鉸接；中間部分是X向運動平臺，其左端分別通過左上柔性鉸鏈、左下柔性鉸鏈 與與X向左導向動臂鉸接，其右端分別通過右上柔性鉸鏈、右下柔性鉸鏈與X向右導向動臂 鉸接；該X向運動平臺上有通過線切割在直接加工而成的Z向運動機構。本發明的一種實施方式是所述的Z向運動機構是由Z向運動平臺通過柔性鉸鏈 一、柔性鉸鏈二、柔性鉸鏈三、柔性鉸鏈四與其兩側和導向動臂鉸接、並通過柔性鉸鏈五、柔 性鉸鏈六、柔性鉸鏈七、柔性鉸鏈八與其後部一組槓桿放大機構鉸接；該組槓桿放大機構的 支點分別為可以產生微轉動的柔性鉸鏈九、柔性鉸鏈十，槓桿放大機構的輸入端分別通過 柔性鉸鏈十一、柔性鉸鏈十二與槓桿放大機構鉸接。所述的柔性鉸鏈機構可產生X、Z兩個方向的誤差補償運動，利用X軸壓電執行器 驅動X軸運動平臺，並通過雙穩態的柔性鉸鏈導向部分實現X軸無側向位移的誤差補償運 動；利用Z軸壓電執行器分別同時作用於槓桿放大機構的輸入端，依靠Z嚮導向機構導向， 將放大後的直線位移準確傳遞到金剛石刀具上，從而實現Z軸無側向位移的誤差補償運 動。X軸和Z軸的運動是解耦的，運動中也不會產生摩擦和磨損，可大大提高運動精度和使 用壽命。所述的X軸、Z軸兩個電容位移傳感器分別用於檢測柔性鉸鏈機構的X軸和Z軸 所產生的微位移，為X軸壓電執行器和Z軸壓電執行器的閉環控制分別提供反饋信號。本發明通過在X軸和Z軸上高精度、中低頻或中高頻響的動態抵消，以抑制刀具與 工件之間的綜合誤差，解除X軸和Z軸之間的運動耦合，X軸或Z軸誤差抵消運動不在其它 方向上產生寄生運動。本發明的優點在於(1)兩自由度的柔性鉸鏈機構為一個整體式結構、沒有裝配 誤差，具有高精度；(2)在X軸和Z軸上皆利用了雙穩態的柔性鉸鏈機構，使之不會在其它 軸上產生任何寄生運動；(3)在X軸與Z軸之間的運動是解耦的，易於控制實施。本發明不僅可實現超精密車床之X軸和Z軸運動的超精密中低頻或中高頻動態誤 差抵消，也可實現自由曲面的超精密車削創成。


圖1是本發明的外部結構示意圖2是本發明兩自由度柔性鉸鏈機構的三維結構示意圖； 圖3是本發明兩自由度柔性鉸鏈機構的主視圖； 圖4是本發明兩自由度柔性鉸鏈機構的俯視圖； 圖5是本發明基座裝配面的結構示意圖； 圖6是本發明驅動及位移檢測部分結構示意圖。
具體實施例方式左側板4、右側板6和前蓋板3分別與基座1、上蓋板5固定連接，兩自由度柔性鉸 鏈機構12通過螺栓與基座1定位固定連接，由基座1上的面101、102、103定位，金剛石刀 具2與兩自由度柔性鉸鏈機構12固定連接，X向壓電執行器11通過X向U型塊10分別與 兩自由度柔性鉸鏈機構12中的左立柱1203、右立柱1204上的U型槽、用X向預緊螺釘9固 定連接；Z向壓電執行器一 13、Z向壓電執行器二 17分別通過Z向U型塊一 14、Z向U型塊 二 18、與兩自由度柔性鉸鏈機構12中X向運動平臺1213後部的兩個U型槽、用Z向預緊螺 釘一 15、Z向預緊螺釘二 19固定連接，傳感器支架7與兩自由度柔性鉸鏈機構12後部左側 或右側固定連接，X向電容位移傳感器8與傳感器支架7上的圓孔固定連接，其測頭正對X 向運動平臺1213，Z向電容位移傳感器16與柔性鉸鏈機構12中X向運動平臺1213後部 的圓孔固定連接，其測頭正對Z向運動平臺121301。本發明的一種實施方式是兩自由度柔性鉸鏈機構12是一個「H型」整體結構，分 為左、中、右三部分，其中左側部分的左立柱1203分別通過柔性鉸鏈上連接1205、柔性鉸鏈 下連接1208和X向左導向動臂1201鉸接；右側部分的右立柱1204分別通過柔性鉸鏈上 連接1212、柔性鉸鏈下連接1209和X向右導向動臂1202鉸接；中間部分是X向運動平臺 1213，其左端分別通過左上柔性鉸鏈1206、左下柔性鉸鏈與1207與X向左導向動臂1201鉸 接，其右端分別通過右上柔性鉸鏈1211、右下柔性鉸鏈1210與X向右導向動臂1202鉸接； 該X向運動平臺1213上有通過線切割在直接加工而成的Z向運動機構；
所述的Z向運動機構是由Z向運動平臺121301通過柔性鉸鏈一 121303、柔性鉸鏈二 121304、柔性鉸鏈三121307、柔性鉸鏈四121308與其兩側和導向動臂121302鉸接、並通過 柔性鉸鏈五121305、柔性鉸鏈六121306、柔性鉸鏈七121309、柔性鉸鏈八121312與其後部 一組槓桿放大機構121315鉸接；該組槓桿放大機構121315的支點分別為可以產生微轉動 的柔性鉸鏈九121311、柔性鉸鏈十121314 ；槓桿放大機構的輸入端分別通過柔性鉸鏈十一 121310、柔性鉸鏈十二 121313與槓桿放大機構鉸接，用於保證Z向壓電執行器一 13、Z向壓 電執行器二 17免受彎矩作用。X向壓電執行器驅動X軸運動平臺，並通過由導向動臂組成的雙穩態導向機構實 現X軸無側向位移的誤差補償運動。利用電容位移傳感器檢測兩自由度柔性鉸鏈機構的X 軸所產生的微位移，為X軸壓電執行器的閉環控制提供反饋信號。Z軸壓電執行器分別同時作用於槓桿放大機構的輸入端，槓桿放大機構的輸出端 通過柔性鉸鏈與Z向運動平臺連接，並依靠Z向四個導向鉸鏈組成的雙穩態導向機構導向， 將放大後的直線位移準確傳遞到金剛石刀具上，從而實現Z軸無側向位移的誤差補償運 動。利用Z軸電容位移傳感器檢測柔性鉸鏈機構的Z軸所產生的微位移，為Z軸壓電執行 器的閉環控制提供反饋信號。X軸和Z軸的運動是解耦的，運動中不會產生摩擦和磨損，可大大提高運動精度和 使用壽命。
權利要求
1.一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置，其特徵在於左側板、右 側板和前蓋板分別與基座、上蓋板固定連接，兩自由度柔性鉸鏈機構通過螺栓與基座定位 固定連接，金剛石刀具與兩自由度柔性鉸鏈機構固定連接，X向壓電執行器通過X向U型塊 分別與兩自由度柔性鉸鏈機構中的左立柱、右立柱上的U型槽、用X向預緊螺釘固定連接； Z向壓電執行器一、Z向壓電執行器二分別通過Z向U型塊一、Z向U型塊二、與兩自由度柔 性鉸鏈機構中X向運動平臺後部的兩個U型槽、用Z向預緊螺釘一、Z向預緊螺釘二固定連 接，傳感器支架與兩自由度柔性鉸鏈機構後部左側或右側固定連接，X向電容位移傳感器與 傳感器支架上的圓孔固定連接，其測頭正對X向運動平臺，Z向電容位移傳感器與柔性鉸 鏈機構中X向運動平臺後部的圓孔固定連接，其測頭正對Z向運動平臺。
2.根據權利要求1所述的一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差抵消裝置，其 特徵在於兩自由度柔性鉸鏈機構是一個「H型」整體結構，分為左、中、右三部分，其中左側 部分的左立柱分別通過柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向左導向動臂鉸接；右側部 分的右立柱分別通過柔性鉸鏈上連接、柔性鉸鏈下連接和X向右導向動臂鉸接；中間部分 是X向運動平臺，其左端分別通過左上柔性鉸鏈、左下柔性鉸鏈與與X向左導向動臂鉸接， 其右端分別通過右上柔性鉸鏈、右下柔性鉸鏈與X向右導向動臂鉸接；該X向運動平臺上有 通過線切割在直接加工而成的Z向運動機構。
3.根據權利要求2所述的一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差補償裝置， 其特徵在於x向運動平臺上的Z向運動機構是由Z向運動平臺通過柔性鉸鏈一、柔性鉸 鏈二、柔性鉸鏈三、柔性鉸鏈四與其兩側和導向動臂鉸接、並通過柔性鉸鏈五、柔性鉸鏈六、 柔性鉸鏈七、柔性鉸鏈八與其後部一組槓桿放大機構鉸接；該組槓桿放大機構的支點分別 為可以產生微轉動的柔性鉸鏈九、柔性鉸鏈十，槓桿放大機構的輸入端分別通過柔性鉸鏈 十一、柔性鉸鏈十二與槓桿放大機構鉸接。
全文摘要
本發明涉及一種自由曲面超精密車削的兩自由度動態誤差補償裝置，屬於超精密加工和複雜曲面光學零件加工技術領域。由基座、左側板、右側板、上蓋板、前蓋板、柔性鉸鏈機構、金剛石刀具、壓電執行器、電容位移傳感器安裝座和電容位移傳感器組成；所述的機構是一個整體式結構、關於yx平面對稱，其中X軸運動平臺是一個柔性鉸鏈導向機構，由壓電執行器驅動，Z軸運動平臺在X軸運動平臺上，由槓桿放大機構和柔性鉸鏈導向機構串聯，由兩個壓電執行器同步驅動，電容位移傳感器分別檢測X軸和Z軸的位移。本發明優點是X軸和Z軸之間運動解耦且不產生寄生運動，具有高精度和中低頻或中高頻響的特徵。
文檔編號B23B25/06GK102069201SQ20101059428
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月19日 優先權日2010年12月19日
發明者劉強, 周曉勤, 林潔瓊, 段寧華 申請人:吉林大學