專利名稱：一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速刀具伺服(Fast Tool Servo，以下簡稱FTS)裝置，特別是涉及一 種金剛石車削創(chuàng)成非回轉(zhuǎn)對(duì)稱(Non-Rotationally Symmetric,以下簡稱NRS)光學(xué)曲面的大 沖程高精密混合直線/回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，屬于精密加工和復(fù)雜光學(xué)元件加工等技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
NRS光學(xué)曲面可克服光學(xué)系統(tǒng)的各種像差，改善光學(xué)性能，減縮光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，使 光學(xué)系統(tǒng)輕量化。由于NRS光學(xué)曲面的卓越性能，這將使得突破性的光學(xué)設(shè)計(jì)成為可能." NRS光學(xué)曲面將不僅在空間探索和空中防御系統(tǒng)等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，而且在其它面 向消費(fèi)者的工業(yè)領(lǐng)域也將日益受到關(guān)注。
近年來，基于FTS的金剛石車削被國際工程界和學(xué)術(shù)界普週認(rèn)為是創(chuàng)成NRS光學(xué)曲面 的最有發(fā)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光學(xué)曲面加工方 法的一些不足。圖1示出了基于FTS的金剛石車削創(chuàng)成NRS光學(xué)曲面的原理。在圖l中， 工件安裝在主軸上，主軸單元可沿X軸導(dǎo)軌移動(dòng)，金剛石刀具安裝在FTS上沿Z'軸作快速 往復(fù)移動(dòng)，而FTS安裝在Z軸溜板上。NRS曲面定義為徑向坐標(biāo)x和主軸回轉(zhuǎn)坐標(biāo)9的函 數(shù)z (x， 0)。要?jiǎng)?chuàng)成NRS光學(xué)曲面，根據(jù)主軸繞z軸的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)e (C軸)和金剛石刀具 沿X軸橫向進(jìn)給的徑向坐標(biāo)x，對(duì)刀具的Z軸坐標(biāo)z或鄰FTS的Z鄰位置z'進(jìn)行伺服控制。
根據(jù)刀具軌跡的運(yùn)動(dòng)型式，現(xiàn)有的FTS裝置主要包括直線型FTS和回轉(zhuǎn)型FTS。這 些FTS裝置都是單自由度的，僅可實(shí)現(xiàn)刀尖相當(dāng)于工件的往復(fù)直線或往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這類 FTS的主要缺陷是，刀尖相對(duì)于被加工表面易發(fā)生幾何干涉，難以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加 工；此外刀刃-工件的接觸點(diǎn)始終在變化，導(dǎo)致切削力總是波動(dòng)的，影響光學(xué)元件的加工質(zhì) 量。在超精密加工的其它一些領(lǐng)域，還提出了兩個(gè)自由度以上的微動(dòng)工作臺(tái)，主要用于加工 誤差補(bǔ)償。這些多自由度微動(dòng)工作臺(tái)還不能直接應(yīng)用于NRS光學(xué)曲面的金剛石車削創(chuàng)成， 主要問題在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靜/動(dòng)態(tài)特性難以滿足NRS光學(xué)曲面加工的要求，尤其是多個(gè)自 由度的運(yùn)動(dòng)耩合導(dǎo)致控制上的困難。
根據(jù)FTS的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)有的FTS裝置主要分為基于壓電效應(yīng)的FTS、洛侖茲力型 FTS、麥克斯韋力型FTS和基于磁致伸縮效應(yīng)的FTS。這些FTS驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是壓電型 FTS適合于高頻響短行程場(chǎng)合；洛侖茲力FTS可獲得毫米級(jí)的長行程；麥克斯韋力FTS則 將超高頻響性能發(fā)揮至最大；基于磁致伸縮效應(yīng)的FTS尚未取得明顯的效果。
為解決現(xiàn)有FTS存在的問題，本發(fā)明基于洛侖茲力型驅(qū)動(dòng)方式，提供一種運(yùn)動(dòng)解耦的
長行程高精密混合直線/回轉(zhuǎn)FTS，可實(shí)現(xiàn)刀尖相對(duì)于工件的快短往復(fù)直線和往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 主要應(yīng)用于NRS光學(xué)曲面的金剛石車削創(chuàng)成。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于基于洛侖茲力型驅(qū) 動(dòng)，可獲得FTS的大行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而適合NRS曲面加工有大行程需要的場(chǎng)合；實(shí)現(xiàn)了 刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)解耦的往復(fù)直線和往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，克服了單自由度FTS的刀尖-工件 干涉的問題，為主動(dòng)控制切削力和表面質(zhì)量提供了可行性，而且解耦的混合直線/回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 控制十分方便、易于實(shí)現(xiàn)；同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、反沖力/矩較/，、等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種運(yùn)動(dòng)解耦的大行程高精密混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，實(shí) 現(xiàn)刀尖相對(duì)于工件的快速往復(fù)直線和往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以解決現(xiàn)有FTS存在的上述問題，主 要應(yīng)用于NRS光學(xué)曲面的金剛石車削創(chuàng)成。
本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，主要由直線快速刀具伺服、回轉(zhuǎn)快速刀具伺服和
支架組成，所述的回轉(zhuǎn)快速刀具伺服包括無刷直流電機(jī)7、刀臂10和光電編碼器1，所述的 無刷直流電機(jī)7固定在支架14頂部，并通過梅花式彈性聯(lián)軸器6與刀臂軸相連，刀臂軸由 裝在支架14上的一對(duì)上、下氣體靜壓軸承3， 8支撐，上、下氣體靜壓軸承8， 3采用上、 下迷宮密封9， ll和上、下軸承蓋5， 2密封，刀臂10固定在刀臂軸中部，刀具安裝在刀臂 10前端，在支架14底部刀臂軸的末端安裝了用于測(cè)量角位移的光電編碼器];所述的直線 快速刀具伺服與回轉(zhuǎn)快速刀具伺服固定聯(lián)接，兩者為運(yùn)動(dòng)解耦。
所述的支架14為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，分為上、中、下三層，支架頂部14b設(shè)有與無刷直流 電機(jī)7止口相配合的？L該孔四周均布有安裝回轉(zhuǎn)電機(jī)7的螺紋孔，第一層安裝梅花式彈性 聯(lián)軸器6，第二層和第三層分別為上軸承座13和下軸承座12，在軸承孔的四周'圪布有安裝 上、下軸承蓋5， 2和上、下迷宮密封的靜止部分9a， llb的螺紋孔；支架14底部的兩個(gè)支 腳14a上分別設(shè)有與導(dǎo)軌滑塊20固定連接的螺紋孔和銷孔，在支架14中部兩側(cè)的側(cè)板上分 別設(shè)有一個(gè)防止與刀臂10運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉的槽14c，在支架14的上部和中部的后側(cè)，分別開 有安裝零部件的方形孔14d， 14e。
所述的上、下氣體靜壓軸承8， 3采用小孔節(jié)流器，進(jìn)氣孔均布在氣體靜壓軸承的端面， 每個(gè)進(jìn)氣孔設(shè)有雙排小孔節(jié)流器；所述的上、下迷宮密封9， ll采用的軸向密封形式，分為 上、下靜止部分9a， llb和上、下轉(zhuǎn)動(dòng)部分9b， lla，上、下靜止部分9a， llb通過螺紋聯(lián) 接固定在上、下軸承座13， 12上，上、下轉(zhuǎn)動(dòng)部分9b, lla通過螺紋聯(lián)接固定在刀臂軸上， 并隨刀臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的上軸承座13的上端和下軸承座12的下端通過上、下軸承蓋2， 5 密封，上、下軸承蓋2， 5都用螺紋聯(lián)接分別固定在上、下兩個(gè)軸承座13， 12上，上.、下軸 承蓋2， 5上分別設(shè)有用于安裝上、下氣體靜壓軸承8， 3的供氣管道孔。
所述的刀臂10由刀具高度調(diào)整結(jié)構(gòu)4調(diào)整，刀具高度調(diào)整結(jié)構(gòu)4包括楔形塊4A和調(diào) 節(jié)螺釘4B，刀臂10設(shè)有與楔形塊4A相匹配的楔形槽，調(diào)節(jié)螺釘4B與楔形塊4A連接，通 過調(diào)節(jié)位置不變的調(diào)節(jié)螺釘4B來調(diào)節(jié)楔形塊4A在楔形槽內(nèi)的位置；所述的刀具選擇單點(diǎn)
金剛石刀具；所述的光電編碼器l采用具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、高分辨率的空心聯(lián)軸節(jié)式光電編碼 器。
所述的直線快速刀具伺服包括精度不同的光柵尺次尺15和光柵尺主尺16、直線電機(jī)初 級(jí)17、直線電機(jī)次級(jí)18、氣體靜壓導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊20和16個(gè)多孔制節(jié)流器，導(dǎo)軌基座14 和導(dǎo)軌滑塊20方別與直線電機(jī)初級(jí)17和直線電機(jī)次級(jí)18通過螺紋連接固定，直線電機(jī)次 級(jí)18帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊20沿氣體靜壓導(dǎo)軌做往復(fù)快速運(yùn)動(dòng)，精度不同的光柵尺次尺15和光柵 尺主尺16分別與導(dǎo)軌滑塊20和導(dǎo)軌基座19通過螺紋聯(lián)接固定。
所述的導(dǎo)軌滑塊20的長度大于導(dǎo)軌基座19的長度，節(jié)流器、供氣管道和供電線路設(shè)在 導(dǎo)軌基座19上，氣體靜壓導(dǎo)軌為采用由陶瓷圓墊制成的多孔制節(jié)流器，多孔制節(jié)流器的安 裝孔設(shè)在導(dǎo)軌基座19的兩個(gè)對(duì)稱的四棱柱結(jié)構(gòu)上，在兩個(gè)四棱柱的上表面2a， 2b和側(cè)面 2c， 2d分別各設(shè)有4個(gè)多孔制節(jié)流器的安裝孔4a, 4b, 4c， 4d，導(dǎo)軌滑塊20由導(dǎo)軌滑塊20 與導(dǎo)軌基座19之間的氣膜支撐，在兩個(gè)四棱柱中間設(shè)有形成二次節(jié)流的淺溝槽3a, 3b， 3c， 3d，導(dǎo)軌滑塊20的4個(gè)氣浮表面2A， 2B， 2C， 2D分別依次與導(dǎo)軌基座19的氣浮表面2a， 2b， 2c， 2d相對(duì)應(yīng)，以形成供氣后的支撐氣膜，導(dǎo)軌滑塊20頂部設(shè)有與支架14的支腳相 匹配的溝槽20a， 20b,其中還包括4螺紋孔和1個(gè)銷孔。
所述的直線電機(jī)是具有極大推力的有鐵心直線電機(jī)，直線電機(jī)的初級(jí)17通過螺紋聯(lián)接 固定在導(dǎo)軌基座14的內(nèi)側(cè)下部Sl上，直線電機(jī)的次級(jí)18通過螺紋聯(lián)接固定在導(dǎo)軌滑塊的 底部S2上。
所述的光柵尺主尺16通過螺紋聯(lián)接分別固定在導(dǎo)軌基座19外側(cè)的底部6a， 6b;所述 的光柵尺次尺15通過螺紋聯(lián)接分別固定在在導(dǎo)軌滑塊20兩側(cè)的下部1A， 1B，將精光柵尺 最大允許移動(dòng)速度作為精、粗光柵尺信號(hào)的切換點(diǎn)，在導(dǎo)軌速度低于精光柵尺最大允許移動(dòng) 速度時(shí)精光柵尺的檢測(cè)信號(hào)有效，在導(dǎo)軌速度高于精光柵尺最大允許移動(dòng)速度時(shí)粗光柵尺的 檢測(cè)信號(hào)有效。
本發(fā)明的回轉(zhuǎn)FTS能夠使金剛石刀具具有很高的加速度46g和低轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速為 1000rpm，直線FTS具有高承載1200N和高剛度950N4im以支撐回轉(zhuǎn)FTS，并能使回轉(zhuǎn)FTS 獲得較高的加速度7g，從而確保刀具在回轉(zhuǎn)和直線兩個(gè)方向上都具有較高的加速度，實(shí)現(xiàn) 金剛石車削創(chuàng)成NRS光學(xué)曲面。


圖1是基于FTS的金剛石車削創(chuàng)成NRS光學(xué)曲面的原理圖。
圖2是回轉(zhuǎn)FTS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3 (a)是回轉(zhuǎn)FTS支架的正面結(jié)構(gòu)示意圖3 (b)是回轉(zhuǎn)FTS支架的背面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是刀臂的總成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是回轉(zhuǎn)FTS的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6 (a)是氣體靜壓導(dǎo)軌基座的結(jié)構(gòu)示意圖6 (b)是氣體靜壓導(dǎo)軌基座另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7 (a)是氣體靜壓導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7 (b)是氣體靜壓導(dǎo)軌滑塊另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是直線FTS的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9是混合直線/回轉(zhuǎn)FTS裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容及其工作過程。 圖2示出了回轉(zhuǎn)FTS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為表示清楚起見，在圖2中移去了回轉(zhuǎn)FTS的支架 14。在圖2中，l表示光電編碼器，2表示下軸承蓋，3表示下氣體靜壓軸承，4表示刀具高 度調(diào)整結(jié)構(gòu)，包括楔形塊4A和調(diào)節(jié)螺釘4B， 5表示上軸承蓋，6表示梅花式彈性聯(lián)軸器， 7表示的是無刷直流電機(jī)，8表示上氣體靜壓軸承，9a表示上迷宮密封的靜止部分，9b表示 上迷宮密封的回轉(zhuǎn)部分，IO表示刀臂(包括其配重)，lla表示下迷宮密封的回轉(zhuǎn)部分，l:lb 表示下迷宮密封的靜止部分。參閱圖2:無刷直流電機(jī)7通過梅花式彈性聯(lián)軸器6與刀臂軸 相連，帶動(dòng)刀臂軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀臂10和其配重緊固在刀臂軸上，從而隨著刀臂軸一起做 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀臂軸由氣體靜壓軸承支撐，上氣體靜壓軸承8的下端和下氣體靜壓軸承3的上 端采用迷宮密封，上氣體靜壓軸承8的上端和下氣體靜壓軸承3的下端采用軸承蓋密封，供 氣管道也由軸承蓋進(jìn)入。刀具的高度由調(diào)節(jié)螺釘4B和楔形塊4A來調(diào)整。刀具的角位移由 光電編碼器1來測(cè)量。
圖3示出了回轉(zhuǎn)FTS的支架結(jié)構(gòu)。參閱圖3 (a): 12表示下軸承座，13表示上軸承座， 14a表示支架14底部兩側(cè)的支腳，14b表示支架14的頂部，14c表示支座中躬兩側(cè)的槽；參 閱圖3 (b): 14d表示支架14上部后側(cè)的方形孔，14e表示支架14中部后側(cè)的方形孔。支 架支腳14a設(shè)有螺紋孔和銷孔，回轉(zhuǎn)FTS通過支腳14a與直線FTS的導(dǎo)軌滑塊20通過螺紋 聯(lián)接和銷聯(lián)接固定相連。兩個(gè)軸承座12， 13上的軸承孔與軸承外圈要間隙配合，軸承孔周 圍均布著六個(gè)螺紋孔，用于固定聯(lián)接迷宮密封9， 11和軸承蓋2， 5。支架14頂部14b上的 圓孔與電機(jī)止口相匹配，周圍均勻分布的4個(gè)螺紋孔，用于與無刷直流電機(jī)7固定聯(lián)接。支 架14中部兩側(cè)的槽14c是為了防止與刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。支架14后側(cè)的方形孔14d， 14e是為了給安裝零件留出足夠的空間，同時(shí)中部后側(cè)的方孔14e也是為了在使用雙刀臂時(shí) 防止發(fā)生干涉。
圖4示出了刀臂總成的總體結(jié)構(gòu)。IO表示刀臂，4A表示楔形塊，4B表示調(diào)節(jié)螺釘， Hl表示用于減輕刀臂質(zhì)量，即減少刀臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的三角形孔。通過調(diào)節(jié)位置不變的調(diào)節(jié)嫘 釘4B來調(diào)節(jié)楔形塊4A在楔形槽中的位置，從事實(shí)現(xiàn)調(diào)整刀具高度。
圖5示出了回轉(zhuǎn)FTS的總體結(jié)構(gòu)。在圖5中，l表示光電編碼器，由于視角的原因，下 軸承蓋2在圖5中未表示出來，5表示上軸承蓋，6表示梅花式彈性聯(lián)軸器，7表示無刷直 流電機(jī)，9表示上迷宮密封，IO刀臂，ll表示下迷宮密封，12表示下軸承座，13表示上軸 承座，14表示支架。參閱圖5:圖2所示的回轉(zhuǎn)FTS內(nèi)部結(jié)構(gòu)由支架14支撐，無刷直流電 機(jī)7安裝在支架14頂部，支架14上部用于安裝聯(lián)軸器6，兩個(gè)氣體靜壓軸承3， 8安裝于 對(duì)應(yīng)的軸承座12， 13內(nèi)部，因此在圖5中無法表示出來。上、下迷宮密封9， 11和上、下 軸承蓋5， 2分別安裝在上、下軸承座13， 12的兩端。支架14中部用于安裝刀臂總成和刀 具，支架14的下部安裝了光電編碼器1。
圖6示出了直線FTS中氣體靜壓導(dǎo)軌19， 20的基座19結(jié)構(gòu)。在圖6 (a)和圖6 (b) 中，la和lb表示的是供氣管道接入口 ， 2a、 2b、 2c和2d表示的是基座19的4個(gè)氣浮表面， 3a、 3b、 3c和3d表示的是氣浮表面開設(shè)的用于形成二次節(jié)流的淺溝槽。4a、 4b、 4c和4d 表示的是用于安裝多孔制節(jié)流器的圓孔， 一共16個(gè)。供氣后，氣體經(jīng)過節(jié)流器節(jié)流形成氣 膜支撐導(dǎo)軌的滑塊20和回轉(zhuǎn)FTS。 Sl表示的是安裝直線電機(jī)初級(jí)17的部位。6a和6b表示 的是安裝光柵尺主尺16的部位。
圖7示出了直線FTS中氣體靜壓導(dǎo)軌滑塊20的結(jié)構(gòu)。在圖7 (a)和圖6 (b)中，1A 和1B表示的是安裝光柵尺次尺15的部位，2A、 2B、 2C和2D表示的是導(dǎo)軌滑塊20的4 個(gè)氣浮表面。這些分別依次與圖6中的2a、 2b、 2c和2d所表示的導(dǎo)軌基座19的4個(gè)氣浮 表面相對(duì)應(yīng)，供氣后形成支撐氣膜。S2表示安裝直線電機(jī)次級(jí)18的部位。
圖8示出了直線FTS的總體結(jié)構(gòu)。在圖8中，15表示光柵尺次尺，16表示光柵尺主尺， 17表示直線電機(jī)初級(jí)，18表示直線電機(jī)次級(jí)，19表示氣體靜壓導(dǎo)軌的基座，20表示氣體靜 壓導(dǎo)軌滑塊，由于16個(gè)多孔質(zhì)節(jié)流器在氣體靜壓導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊內(nèi)部，因此在圖8中未顯 示。參閱圖8:在導(dǎo)軌滑塊20上的左右兩端各有一個(gè)矩形槽20a， 20b,在兩個(gè)矩形槽20a， 20b內(nèi)設(shè)有螺紋孔和銷孔，它們與回轉(zhuǎn)FTS支架支腳14a上的螺紋孔和銷孔相匹配。導(dǎo)軌的 滑塊20的長度大于導(dǎo)軌基座19的長度，比導(dǎo)軌基座19長出的部分要滿足氣體靜壓導(dǎo)軌的 行程。
圖9示出了混合直線/回轉(zhuǎn)FTS的總體結(jié)構(gòu)。在圖9中，1表示光電編碼器，5表示上軸 承蓋，6表示梅花式彈性聯(lián)軸器，7表示無刷直流電機(jī)，9表示上迷宮密封，IO表示刀臂總 成，ll表示下迷宮密封，12表示下軸承座，13上表示軸承座，14表示回轉(zhuǎn)FTS的支架，15 表示光柵尺次尺，16表示光柵尺主尺，17表示直線電機(jī)初級(jí)，18表示直線電機(jī)次級(jí)，19表 示導(dǎo)軌基座，20表示導(dǎo)軌滑塊。由于視角的原因，下軸承蓋2和楔形塊4在圖9中未顯示 出來，由于上、下氣體靜壓軸承8， 3安裝在上、下軸承座12， 13內(nèi)部，16個(gè)多孔質(zhì)節(jié)流 器在氣體靜壓導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊內(nèi)部，因此它們?cè)趫D9中無法顯示出來。由圖9顯示，回轉(zhuǎn) FTS的支架14的支腳安裝于導(dǎo)軌滑塊20頂部的兩個(gè)矩形槽20a， 20b內(nèi)。
混合直線/回轉(zhuǎn)FTS裝置作為輔助運(yùn)動(dòng)軸安裝在一臺(tái)精密CNC車床上，利用無刷直流電 機(jī)7驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)FTS的刀臂10作快速往復(fù)擺動(dòng)，金剛石刀具安裝在擺動(dòng)刀臂10上.，刀尖高 度可調(diào)整。利用直線電機(jī)初級(jí)、次級(jí)17， 18驅(qū)動(dòng)直線FTS平臺(tái)作往復(fù)移動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn) FTS實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)。采用高分辨率的光電編碼器1和光柵尺次尺、主尺15， 16，分別測(cè)量 回轉(zhuǎn)FTS的角位移和直線FTS的直線位移。
為了使回轉(zhuǎn)FTS具有很高的剛度，其支架14設(shè)計(jì)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，共分三層。支架14
頂部14b設(shè)有與無刷直流電機(jī)7止口配合的孔，該孔四周均勻分布4個(gè)螺紋孔，用于安裝無 刷直流電機(jī)7。第一層支架14的上部用于安裝梅花式彈性聯(lián)軸器6。第二層中部、上軸承座 13和第三層下部、下軸承座12設(shè)有軸承孔用于安裝上、下氣體靜壓軸承8， 3，在軸承孔的 四周均勻6個(gè)螺紋孔，用于安裝上、下軸承蓋5， 2和上、下迷宮密封'9， 11 (,支架14的底 部的兩個(gè)支腳14a的前后兩端分別設(shè)有4個(gè)螺紋孔，中間設(shè)有一個(gè)銷孔,，用于與氣體靜壓導(dǎo) 軌20的滑塊20連接。在支架14中部兩側(cè)的側(cè)板上分別設(shè)有一個(gè)槽14c，以防止與刀臂10 運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉。在支架14的上部和中部的后側(cè)，分別開有一個(gè)方形孔〗4d, 14e，分別為安 裝零件、吸塵器提供空間，若設(shè)計(jì)成雙刀臂，方形孔14e也可以防止發(fā)生運(yùn)動(dòng)千渉。
回轉(zhuǎn)FTS由支架M支撐，用于驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)FTS的無刷直流電機(jī)7通過螺紋連接固定在支 架14的頂部14b，電機(jī)止口與支架頂部14b的孔配合。該無刷直流電機(jī)7首先要具有高轉(zhuǎn) 矩慣量比，從而使回轉(zhuǎn)FTS獲得很高的加速度。其次，該電機(jī)要具有較低的額定轉(zhuǎn)速，以 便容易實(shí)現(xiàn)刀具的軌跡生成。電機(jī)軸通過梅花式彈性聯(lián)軸器6與刀臂軸相連，帶動(dòng)刀臂軸作 往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)梅花式彈性聯(lián)軸器6可以消除電機(jī)7的擾動(dòng)對(duì)刀臂10的影響。
刀臂軸由具有高回轉(zhuǎn)精度、高承載、高剛度的一對(duì)上、下氣休靜壓軸承8， 3支撐，上、 下氣體靜壓軸承3， 8還具有摩擦損耗小、耐高溫、無污染或少污染、溫升低等優(yōu)點(diǎn)，另外 可以與直線FTS的氣體靜壓導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊20共用一個(gè)空氣壓縮機(jī)。上、下氣體靜/玉軸承 8， 3采用小孔節(jié)流器，這是因?yàn)樾】坠?jié)流形式的氣體靜壓軸承不但應(yīng)用最廣、容易加丄， 而且能使軸承具有高承載和高剛度。該軸承的6個(gè)通氣孔均勻分布在軸承一個(gè)斷面，每個(gè)通 氣孔設(shè)計(jì)有兩排小孔節(jié)流器，即每個(gè)軸承有12個(gè)小孔節(jié)流器。
上、下氣體靜壓軸承8， 3采用一對(duì)上、下迷宮密封9, 11作為密封裝置，上、下迷宮 密封9， ll采用的是軸向密封形式，這樣不但可以節(jié)省空間，而且通過重力作用增強(qiáng)密封效 果。上、下迷宮密封9， 11由固定部分9a， 11b和回轉(zhuǎn)部分9b， lia組成，分別安裝在兩個(gè) 軸承座13， 12之間，即上軸承座13的下端和下軸承座12的上端。固定部分9a， lib通過 螺紋聯(lián)接與支架14固定聯(lián)接，回轉(zhuǎn)部分9b， lla通過螺紋聯(lián)接罔定在刀臂軸上，隨刀臂軸 一起轉(zhuǎn)動(dòng)，密封槽間的潤滑脂可以為回轉(zhuǎn)FTS提供一定的回轉(zhuǎn)阻尼。上軸承座13上端和下 軸承座12的下端通過上、下軸承蓋5， 2密封，兩個(gè)軸承蓋都用螺紋聯(lián)接分別固定在上、 下兩個(gè)軸承座13， 12上，兩個(gè)軸承蓋分別設(shè)計(jì)有6個(gè)孔，用于安裝氣體靜壓軸承的供氣管 道。
為了增強(qiáng)刀臂10的剛度，刀臂10設(shè)計(jì)成錐形，其長度是其最寬部位長度的兩倍。設(shè)計(jì) 了刀具高度調(diào)整結(jié)構(gòu)4，包括楔形塊4A和調(diào)節(jié)螺釘4B。刀臂10上設(shè)計(jì)有與楔形塊4A相匹 配的楔形槽，調(diào)節(jié)螺釘4B與楔形塊4A連接，通過調(diào)節(jié)位置不變的調(diào)節(jié)螺釘4B來調(diào)節(jié)楔形 塊4A在楔形槽中的位置，從而實(shí)現(xiàn)刀具高度的微調(diào)。刀具選擇單晶體金剛石刀具。
為了精確測(cè)量刀具的角位移，使測(cè)量精度達(dá)到5^ad，采用具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、高分辨率 的空心聯(lián)軸節(jié)式光電編碼器1測(cè)量刀具的角位移。
導(dǎo)軌滑塊20的長度大于基座19的長度，節(jié)流裝置設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌基座19上，因此供氣管
道、供電線路也都設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌基座19上。導(dǎo)軌采用多孔制節(jié)流器，多孔制節(jié)流器由多孔制 陶瓷圓墊制成。節(jié)流器的安裝孔設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌基座19的兩個(gè)對(duì)稱的四棱柱結(jié)構(gòu)上，在這兩個(gè) 四棱柱的上表面2a， 2b和側(cè)面2c， 2d分別各設(shè)有4個(gè)多孔制節(jié)流器的安裝孔4a， 4b， 4c， 4d，導(dǎo)軌滑塊20與導(dǎo)軌基座19之間的氣膜支撐導(dǎo)軌滑塊20，并在棱柱中間設(shè)計(jì)了淺溝槽 3a， 3b， 3c， 3d形成二次節(jié)流，以提高承載、剛度和阻尼。導(dǎo)軌滑塊20頂部的左右兩端分 別設(shè)計(jì)有用于安裝回轉(zhuǎn)FTS支腳相匹配的溝槽結(jié)構(gòu)20a， 20b，其中還包括4螺紋孔和1個(gè) 銷孔。導(dǎo)軌滑塊20的長度大于導(dǎo)軌基座19的長度，在供氣時(shí)整個(gè)導(dǎo)軌基座19表面和整個(gè) 導(dǎo)軌滑塊20表面始終被氣膜隔開，氣膜不會(huì)隨著導(dǎo)軌滑塊20的移動(dòng)而變化，導(dǎo)軌內(nèi)的壓力 也就不會(huì)減小，從而使氣體靜壓導(dǎo)軌基座和導(dǎo)軌滑塊的剛度大大提高。同時(shí)，供氣管道和供 電線路設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌基座19上，簡化了導(dǎo)軌滑塊20的結(jié)構(gòu)、降低了其質(zhì)量，并消除了由于供 氣管道和供電線路所產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)其的影響，所以導(dǎo)軌基座和導(dǎo)軌滑塊的剛度大大提高。
利用具有極大推力的有鐵心直線電機(jī)作為直線FTS的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，目的是使整個(gè)FTS獲 得較高的加速度，直線電機(jī)初級(jí)17通過螺紋聯(lián)接固定在導(dǎo)軌基座19的內(nèi)側(cè)下部，直線電機(jī) 次級(jí)18通過螺紋聯(lián)接固定在導(dǎo)軌滑塊20的底部。
分別用一個(gè)低精度和一個(gè)高精度的光柵尺15, 16共同測(cè)量直線FTS的直線位移，兩個(gè) 光柵尺主尺16通過螺紋聯(lián)接分別固定在氣體靜壓導(dǎo)軌基座19外側(cè)的底部6a， 6b，兩個(gè)光 柵尺次尺15通過螺紋聯(lián)接分別固定在導(dǎo)軌滑塊20兩側(cè)的下部1A， 1B。將精光柵尺最大允 許移動(dòng)速度作為精、粗光柵尺信號(hào)的切換點(diǎn)，在導(dǎo)軌速度低于精光柵尺最大允許移動(dòng)速度時(shí) 精光柵尺的檢測(cè)信號(hào)有效，在導(dǎo)軌速度高于精光柵尺最大允許移動(dòng)速度時(shí)粗光柵尺的檢測(cè)信 號(hào)有效。
權(quán)利要求
1、一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，主要由直線快速刀具伺服、回轉(zhuǎn)快速刀具伺服和支架組成，其特征在于所述的回轉(zhuǎn)快速刀具伺服包括無刷直流電機(jī)(7)、刀臂(10)和光電編碼器(1)，所述的無刷直流電機(jī)(7)固定在支架(14)頂部，并通過梅花式彈性聯(lián)軸器(6)與刀臂軸相連，刀臂軸由裝在支架(14)上的一對(duì)上、下氣體靜壓軸承(3，8)支撐，上、下氣體靜壓軸承(8，3)采用上、下迷宮密封(9，11)和上、下軸承蓋(5，2)密封，刀臂(10)固定在刀臂軸中部，刀具安裝在刀臂(10)前端，在支架(14)底部刀臂軸的末端安裝了用于測(cè)量角位移的光電編碼器(1)；所述的直線快速刀具伺服與回轉(zhuǎn)快速刀具伺服固定聯(lián)接，兩者為運(yùn)動(dòng)解耦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的支 架(14)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，分為上、中、下三層，支架頂部(14b)設(shè)有與無刷直流電機(jī)(7) 止口相配合的孔，該孔四周均布有安裝回轉(zhuǎn)電機(jī)(7)的螺紋孔，第一層安裝梅花.式彈性聯(lián) 軸器(6)，第二層和第三層分別為上軸承座(13)和下軸承座'::i2)，在軸承孔的四周均布 有安裝上、下軸承蓋(5， 2)和上、下迷宮密封的靜止部分(9a， lib)的螺紋孔；支架(14) 底部的兩個(gè)支腳(14a)上分別設(shè)有與導(dǎo)軌滑塊(20)固定連接的嫘紋孔和銷？L，在支架(14) 中部兩側(cè)的側(cè)板上分別設(shè)有一個(gè)防止與刀臂(10)運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉的槽(14c)，在支架(14) 的上部和中部的后側(cè)，分別開有安裝零部件的方形孔(14d， 14e)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的上、 下氣體靜壓軸承(8， 3)采用小孔節(jié)流器，進(jìn)氣孔均布在氣體靜壓軸承的端面，每個(gè)進(jìn)氣孔 設(shè)有雙排小孔節(jié)流器；所述的上、下迷宮密封(9， 11)采用的軸向密封形式，分為上、下 靜止部分(9a， lib)和上、下轉(zhuǎn)動(dòng)部分(9b， lla)，上、下靜丄t部分(9a， lib)通過螺紋 聯(lián)接固定在上、下軸承座(13， 12)上，上、下轉(zhuǎn)動(dòng)部分(9b, lla)通過螺紋聯(lián)接固定在 刀臂軸上，并隨刀臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的上軸承座(13)的上端和下軸承座(12)的下端通過上、 下軸承蓋(2， 5)密封，上、下軸承蓋(2， 5)都用螺紋聯(lián)接分別固定在上、下兩個(gè)軸承座(13， 12)上，上、下軸承蓋(2， 5)上分別設(shè)有用于安裝上、下氣體靜壓軸承(8， 3)的 供氣管道孔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的刀 臂(10)由刀具高度調(diào)整結(jié)構(gòu)(4)調(diào)整，刀具高度調(diào)整結(jié)構(gòu)(4)包括楔形塊(4A)和調(diào) 節(jié)螺釘(4B)，刀臂(10)設(shè)有與楔形塊(4A)相匹配的楔形槽，調(diào)節(jié)螺釘(4B)與楔形塊(4A)連接，通過調(diào)節(jié)位置不變的調(diào)節(jié)螺釘(4B)來調(diào)節(jié)楔形塊(4A)在楔形槽內(nèi)的位置； 所述的刀具選擇單點(diǎn)金剛石刀具；所述的光電編碼器(1)采用具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、高分辨率 的空心聯(lián)軸節(jié)式光電編碼器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的直 線快速刀具伺服包括精度不同的光柵尺次尺(].5)和光柵尺主尺(16)、直線電機(jī)初級(jí)(17)、直線電機(jī)次級(jí)(18)、氣體靜壓導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊(20)和16個(gè)多孔制節(jié)流器，導(dǎo)軌基座(14) 和導(dǎo)軌滑塊(20)方別與直線電機(jī)初級(jí)(17)和直線電機(jī)次級(jí)(18)通過螺紋連接固定，直 線電機(jī)次級(jí)(18)帶動(dòng)導(dǎo)軌滑塊(20)沿氣體靜壓導(dǎo)軌做往復(fù)快遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)，精度不同的光柵尺 次尺(15)和光柵尺主尺(16)分別與導(dǎo)軌滑塊(20)和導(dǎo)軌基座(19)通過螺紋聯(lián)接固定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的導(dǎo) 軌滑塊(20)的長度大于導(dǎo)軌基座(19)的長度，節(jié)流器、供氣管道和供電線路設(shè)在導(dǎo)軌基 座(19)上，氣體靜壓導(dǎo)軌為采用由陶瓷圓墊制成的多孔制節(jié)流器，多孔制節(jié)流器的安裝孔 設(shè)在導(dǎo)軌基座(19)的兩個(gè)對(duì)稱的四棱柱結(jié)構(gòu)上，在兩個(gè)四棱柱的上表面(2a， 2b)和側(cè)面(2c， 2d)分別各設(shè)有4個(gè)多孔制節(jié)流器的安裝孔(4a， 4b， 4c， 4d)，導(dǎo)軌滑塊(20)由 導(dǎo)軌滑塊(20)與導(dǎo)軌基座(19)之間的氣膜支撐，在兩個(gè)四棱柱中間設(shè)有形成二次節(jié)流的 淺溝槽(3a， 3b， 3c， 3d)，導(dǎo)軌滑塊(20)的4個(gè)氣浮表面(2A， 2B， 2C， 2D)分別依次 與導(dǎo)軌基座(19)的氣浮表面(2a， 2b， 2c， 2d)相對(duì)應(yīng)，以形成供氣后的支撐氣膜，導(dǎo)軌 滑塊(20)頂部設(shè)有與支架(14)的支腳相匹配的溝槽(20a， 2Cb)，其中還包括4螺紋孔 和1個(gè)銷孔。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的直 線電機(jī)是具有極大推力的有鐵心直線電機(jī)，直線電機(jī)的初級(jí)(17)通過螺紋聯(lián)接固定在導(dǎo)軌 基座(14)的內(nèi)側(cè)下部(Sl)上，直線電機(jī)的次級(jí)(18)通過螺紋聯(lián)接固定在導(dǎo)軌滑塊的底 部(S2)上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置，其特征在于所述的光 柵尺主尺(16)通過螺紋聯(lián)接分別固定在導(dǎo)軌基座(19)外側(cè)的底部(6a， 6b);所述的光 柵尺次尺(15)通過螺紋聯(lián)接分別固定在在導(dǎo)軌滑塊(20)兩側(cè)的下部(IA, 1B)，將精光 柵尺最大允許移動(dòng)速度作為精、粗光柵尺信號(hào)的切換點(diǎn)，在導(dǎo)軌速度低于精光柵尺最大允許 移動(dòng)速度時(shí)精光柵尺的檢測(cè)信號(hào)有效，在導(dǎo)軌速度高于精光柵尺最大允許移動(dòng)速度時(shí)粗光柵 尺的檢測(cè)信號(hào)有效。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)金剛石車削創(chuàng)成非回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)曲面的大沖程高精密混合直線回轉(zhuǎn)快速刀具伺服裝置。該裝置主要由直線快速刀具伺服、回轉(zhuǎn)快速刀具伺服和支架組成，回轉(zhuǎn)快速刀具伺服的無刷直流電機(jī)固定在支架頂部，并通過梅花式彈性聯(lián)軸器與刀臂軸相連，刀臂軸由裝在支架上的一對(duì)上、下氣體靜壓軸承支撐，上、下氣體靜壓軸承采用上、下迷宮密封和上、下軸承蓋密封，刀臂固定在刀臂軸中部，刀具安裝在刀臂前端，在支架底部刀臂軸的末端安裝了用于測(cè)量角位移的光電編碼器；所述的直線快速刀具伺服與回轉(zhuǎn)快速刀具伺服固定聯(lián)接，兩者為運(yùn)動(dòng)解耦。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)刀尖相對(duì)于工件的快速往復(fù)直線和往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，主要應(yīng)用于NRS光學(xué)曲面的金剛石車削創(chuàng)成。
文檔編號(hào)B23Q5/00GK101386141SQ20081005133
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者史國權(quán), 周曉勤, 詠 呼, 李國發(fā), 王義強(qiáng), 王曉軍, 許蓬子, 趙宏偉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)