專利名稱：基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型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)成光學自ttJ曲面的兩自由度超高頻響超精密FTS裝置，屬丁超精密加 工和復雜光學元件加工等技術領域。 技術背景
非回轉對稱(Non-Rotationally Symmetric,以下簡稱NRS)光學曲面可克服光.學系統(tǒng)的 各種像差，改善光學性能，減縮光學系統(tǒng)的尺寸，使光學系統(tǒng)輕量化。由于NRS光學曲面 的卓越性能，這將使得突破性的光學設計成為可能，NRS光學曲面將不僅在空間探索和空 中防御系統(tǒng)等領域中有著重要的應用，而且在其它面向消費者的工業(yè)領域也將日益受到關注。
近年來，基于FTS的金剛石車削被國際工程界和學術界普適認為是創(chuàng)成NRS光學曲面 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光學曲面加工方 法的一些不足。根據刀具軌跡的運動型式，現有的FTS裝置主要包括直線型FTS和回轉 型FTS。這些FTS裝置都足單自bld度的，即僅可實現刀尖相當于工件的往復直線或往復擺 動運動。這類FTS的主要缺陷是，刀尖相對于被加工表面易發(fā)生幾何干涉，難以實現微結 構光學元件的加工；此外刀刃-工件的接觸點始終在變化，導致3:SJ力總是波動的，影響光 學元件的加工質量。在超精密加工的其它一些領域，還提出了兩個自由度以上的微動工作臺， 主要用于加工誤差補償。這些多fi由度微動工作臺還不能直接應用于NRS光學曲面的金剛 石車削創(chuàng)成，主要問題在于結構復雜，靜/動態(tài)特性難以滿足NRS光學曲面加工的要求， 尤其是多個自由度的運動耦合導致沖程受限制等。
根據FTS的驅動原理，現有的FTS裝置主要包括壓電型FTS、洛侖茲力型FTS、麥 克斯韋力型FTS和基于磁致伸縮效應的FTS。這些FTS驅動方式的特點是壓電型FTS,適 合于高頻響短沖程場合；洛侖茲力FTS可獲得毫米級的長行程；麥克斯韋力型FTS則將超 高頻響性能發(fā)揮至最大，但行程受到限制；基于磁致伸縮效應的FTS尚未取得明顯優(yōu)越的 效果。 發(fā)明內容
為了解決現有FTS裝置存在的問題和不足，本實用新型的目的在于提供一種基于變磁通 的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置，主要用于金剛石車削創(chuàng)成光學自由曲面。本實用 新型的主要優(yōu)點在于可獲得超高頻響特性和較大沖程，克服了麥克斯韋力型FTS頻響高 但沖程小的限制；可實現刀尖相對于工件的復合往復直線和往復擺動運動，克服了單自由度 型FTS的刀尖-工件干涉等問題，為主動控制切削力和表面質量提供了可行性；而且結構緊湊，反沖力/矩較小，易于控制，能實現微納米級的定位精度。 本實用新型通過以下技術方案實現，結合圖1說明如下
一種基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置，主要fcb基座、柔性鉸鏈、磁 質材料、彈性導軌和刀架組成，所述的柔性鉸鏈分成兩組對稱布覽構成一個并聯式機構；柔 性鉸鏈由連接在磁質材料安裝面上的磁質材料通過變磁通裝置驅動；所述的彈性導軌5是由 至少兩組柔性鉸鏈組成的并聯機構，每組柔性鉸鏈至少2個；所述的刀架6與前端的兩個柔 性鉸鏈和彈性導軌5連接；基座l、柔性鉸鏈、磁質材料安裝而、彈性導軌5和刀架6是通 過屯火花線切割加工而成的一個整體。
所述的柔性鉸鏈為6個2a、 2b、 2c， 2d、 2e、 2f，所述的磁質材料為8個4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h，所述的磁質材料安裝面為8個3a、 、b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h,所述的6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c， 2d、 2c、 2f',分成兩組，每組3個，相對于x軸對稱 布置構成一個并聯式機構；6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c， 2d、 2e、 2f由8個連接在磁質材料 安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h上的磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f'、 4g、 4h 通過變磁通裝置驅動。
所述的基于變磁通的兩自由度超精密超高頻響刀具伺服裝置，其特征在于所述刀架e與 前端的柔性鉸鏈2c、 2d和彈性導軌5連接；通過控制變磁通裝S的磁通量改變，驅動6個 柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f作往復擺動，使刀架6連同刀具繞z軸作往復擺動；通過 彈性導軌5的限制作用，驅動刀具在X方向上作直線運動，控制刀具伺服裝置在兩個自由度 上的運動。
所述的基于變磁通的兩自由度超精密高頻響刀具伺服裝置，其特征在于通過控制所述磁 質材料通過的磁通量，控制柔性鉸鏈的驅動力；前部的柔性鉸鏈2c、 2d對裝置中部的柔性 鉸鏈2b、 2e產生行程放大，裝置中部的柔性鉸鏈2b、 2e對裝置后部的柔性鉸鏈2a—、 2f產 生行程放大；通過調節(jié)刀具直線運動位移和旋轉角度，調整進給量控制在納米級。
本實用新型的積極效果是本實用新型BJ.大大提高FTS的驅動精度，可獲得超高頻響特 性和較大沖程，可實現FTS的復合往復運動，降低結構的復雜性及尺寸，且具有成本低、投 資少、見效快、效益高等優(yōu)點。

圖1是基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密FTS裝置的結構示意圖。 圖2a是基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密FTS裝置結構的正面二維示意圖。 圖2b是基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密FTS裝置結構的背面三維示意圖。 圖3是柔性鉸鏈行程放大原理說明圖。
具體實施方式

以下結合附圖所示實施例進一步說明本實用新型的具體內容及其工作過程。 一種基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密FTS裝置，由基座1 ， 6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f， 8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h， 8個磁質材料4a、4b、 4c、 4d, 4e、 4f、 4g、 4h，彈性導軌5和刀架6組成，所說的整個FTS裝置結構由固 定不動的基座l支撐。所說的6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2s、 2f分成兩組2e.、 2b、 2c 和2d、 2e、 2f組成一個并聯式機構。6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f白磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f 、 4g、 4h通過變磁通裝置驅動，磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h分別連接在8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 :!f、 3g、 3h上。彈性導軌5 是由兩組(每組2個)柔性鉸鏈組成的并聯機構。刀架6與前端的柔性鉸鏈2c、 2d和彈性 導軌5連接，通過6個柔件鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f的往復擺動l,能夠實現刀架6(即 刀具)的繞z軸的往復擺動，彈性導軌能夠實現刀具在X方向上的直線運動?；鵯, 6個柔 性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f， 8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h， 彈性導軌5和刀架6是一個整體，通過線切割加工而成。
所說的6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f'分成兩組2a、 2b、 2c禾。2d、 2e、 2f'組 成一個并聯式機構，此種結構與所連接的基座1， 8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h和刀架6是同一整體，由線切割加工而成，故無需裝配，且可以使刀架受到柔 性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f的驅動與基座1發(fā)生相對運動時不存在摩擦，可大大提高 精度。
所說的磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h分別連接在8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h上。8個磁質材料由磁通量可變的電磁鐵驅動，當磁通改變時 便對磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h產生驅動力，it.于磁質材料化、4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h與磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d, 3e、 3f'、 3g、 3h連接，因此該驅 動力直接傳給磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d, 3e、 3f、 3g、 3h，進而在磁質材料安裝面 3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h與6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f之間形成驅動 力，通過該驅動力實現6個柔性鉸鏈的往復擺動。6個柔性鉸鏈驅動刀架6實現刀具繞Z軸 的往復擺動運動。
所說的彈性導軌5是由兩組(每組2個)柔性鉸鏈組成的并聯機構。該結構只能沿著X 方向作直線運動，從而起到限制刀架6自由度的作用，能夠實現刀架6(即刀具)在X方向上 的往復直線移動。
所說刀架6與前端的柔性鉸鏈2c、 2d和彈性導軌5連接，通過6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f的往復擺動能夠實現刀具的回轉運動，通過彈性導軌5的限制作用，能夠 實現刀具在X方向上的直線運動。從而實現快速刀具伺服裝置在兩個自由度上的運動。
通過對所說的基座l， 6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f， 8個磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h，彈性導軌5和刀架6是一個整體，不需要裝配，通.過線切割 加工而成。
通過對所說的磁質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h所通過的磁通量進行控制， 實現對6個柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f驅動力的控制。同時，裝置前部的柔性鉸鏈 2c、 2d對裝置中部的柔性鉸鏈2b、 2e所產生的行程都具有放大作用，裝置中部的柔性鉸鏈2b、 2e對裝置后部的柔性鉸鏈2a、 2f所產生的行程也具有放大作用。從而使刀架(即刀具) 具有極高的加速度(1000g)和大的行程(120pm)。又因為系統(tǒng)本身采用變磁通作為驅動形式， 而且整個系統(tǒng)的質量輕，因此整個FTS裝置具有極高的頻率響應。通過調節(jié)7:'具直線運動位 移和旋轉角度，將進給量控制在納米級，以實現加工微結構光學自由曲面的目的，并滿足加 丄質量的要求。
本實用新型的放大作用僅用柔性鉸鏈的其中一個(例如2a)說明其原理,其佘5個的柔性 鉸鏈2h、 2" 2d、 2e、 2f的放大作用的道理與其相同.
首先將柔性鉸鏈2a簡化成長度為L的繞原點o做往復擺動的桿，位置I是柔性鉸鏈2a 的起始位置，此時與x軸成a角，位置II是柔性鉸鏈2a轉動A a角度后的位置。A x和△ y 分別是柔性鉸鏈2a由位置I擺動到位置II的位移r在x, y方向上的位移分量，其中A y是 驅動部分的位移，而A x是刀具伺服平臺的位移(完全可以看做是刀具的位移)。由于A a角 度極小，可以考慮將A x和A y寫成關于角度a的微分形式，即
dy=rcos a d a dx=-rsin a d a
tic
=>——=-ton a
辦'
由于裝置在I位置足的角度是63. 5° ，其正切值是大于1的，也就是說X方向的位移是Y 方向的位移的tan63. 5°倍，可見對行程有放大作用. 該裝覽的具體工作過程如下
初始狀態(tài)下，磁性材料、電磁鐵均不通電。工作時，磁質材料4a、 4b、 4c、 4d, 4e、 4f、 4g、 4h和電磁鐵均通電，通過改變電磁鐵的電流來改變磁通量，從而對:滋質材料4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h產生驅動力，該驅動力直接傳給磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d， 3e、 3f、 3g、 3h，使磁質材料安裝面3a、 3b、 3c、 3d, 3e、 3f、 3g、 3h和柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f之間產生彈性力，通過彈性力驅動柔性鉸鏈2a、 2b、 2c、 2c、 2e、 2f 做往復擺動，從而實現刀架6即刀具)的繞z軸的往復擺動。因為彈性導軌只能實現X方向 上的直線運動，因此通過彈性導軌5可以實現刀架即刀具)的沿著x軸的直線往復運動。通 過對磁通量的大小進行控制，進而控制刀具的行程和速度。
權利要求1、一種基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置，主要由基座、柔性鉸鏈、磁質材料、彈性導軌和刀架組成，其特征在于所述的柔性鉸鏈分成兩組對稱布置構成一個并聯式機構；柔性鉸鏈由連接在磁質材料安裝面上的磁質材料通過變磁通裝置驅動；所述的彈性導軌(5)是由至少兩組柔性鉸鏈組成的并聯機構，每組柔性鉸鏈至少2個；所述的刀架(6)與前端的兩個柔性鉸鏈和彈性導軌(5)連接；基座(1)、柔性鉸鏈、磁質材料安裝面、彈性導軌(5)和刀架(6)是通過電火花線切割加工而成的一個整體。
2、 根據權利要求1所述的基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置，其特征在于所述的柔性鉸鏈為6個(2a、 2b、 2c， 2d、 2e、 2f )，所述的磁質材料為8個(4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h)，所述的磁質材料安裝面為8個(3a、 3b、 3c、 3d, 3e、 3f、 3g、 3h)，所述的6個柔性鉸鏈(2a、 2b、 2c， 2d、 2e、 2f)，分成兩組，每組3個，相對于x 軸對稱布置構成一個并聯式機構；6個柔性鉸鏈(2a、 2b、 2c， 2d、 2e、 2f)由8個連接在 磁質材料安裝面(3a、 3b、 3c、 3d, 3e、 3f、 3g、 3h)上的磁質材料(4a、 4b、 4c、 4d， 4e、 4f、 4g、 4h)通過變磁通裝置驅動。
3、 根據權利要求1或2所述的基于變磁通的兩自由度超精密超高頻響刀具伺服裝置， 其特征在于所述刀架(6)與前端的柔性鉸鏈(2c、 2d)和彈性導軌(5)連接；通過控制變 磁通裝置的磁通量改變，驅動6個柔性鉸鏈(2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f)作往復擺動,使刀架 (6)連同刀具繞z軸作往復擺動；通過彈性導軌(5)的限制作用，驅動刀具在X方向上作直 線運動，控制刀具伺服裝置在兩個自由度上的運動。
專利摘要本實用新型涉及一種金剛石車削創(chuàng)成光學自由曲面的基于變磁通的兩自由度超高頻響超精密刀具伺服裝置，主要由基座、柔性鉸鏈、磁質材料、彈性導軌和刀架組成，所述的柔性鉸鏈多個，分成兩組對稱布置構成一個并聯式機構；柔性鉸鏈由多個連接在磁質材料安裝面上的磁質材料通過變磁通裝置驅動；所述的彈性導軌(5)是由至少兩組柔性鉸鏈組成的并聯機構，每組柔性鉸鏈至少2個；所述的刀架(6)與前端的兩個柔性鉸鏈和彈性導軌(5)連接；基座(1)、柔性鉸鏈、磁質材料安裝面、彈性導軌(5)和刀架(6)是通過電火花線切割加工而成的一個整體。本實用新型可獲得超高頻響特性和較大沖程，可實現刀尖相對于工件的復合往復直線和往復擺動運動。
文檔編號B23Q5/027GK201333635SQ200820072648
公開日2009年10月28日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權日2008年10月27日
發(fā)明者史國權, 周曉勤, 李國發(fā), 王義強, 王亞明, 王曉軍, 許蓬子, 趙宏偉 申請人:吉林大學