专利名称：一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差抵消装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超精密加工和复杂曲面光学零件加工技术领域，涉及一种自由曲面超 精密车削的两自由度动态误差抵消装置。
背景技术：
利用动态误差抵消方法，可提升现行超精密车床的加工精度和表面质量。迄今为 止，自由曲面超精密车削的误差抵消主要是针对低频误差(静态或拟静态误差)，针对中低 频或中高频动态误差的还较少，而且在这些技术方案中基本上都是利用单自由度的误差抵 消装置。在自由曲面超精密车削中，所产生的刀具与工件之综合误差不仅依赖于回转轴和 平移轴的位置坐标，而且还依赖机床温升等因素，这使得综合误差具有中低频或中高频动 态特征、以及非回转对称性；刀具与工件之综合误差不仅在Z轴上有投影分量，在X轴上也 有大小相当的投影分量，这使得现行的单自由度误差抵消装置难以满足实际自由曲面超精 密车削的主动误差抵消要求。自由曲面超精密车削的动态误差抵消装置，其主要的性能要求是(1)具有中低 频或中高频响、高精度和适当的冲程等特性；(2)在X轴和Z轴之间的运动必须是独立、解 耦的，并且X轴或Z轴之误差抵消不应该在其它的方向上产生附加或寄生的运动。尽管在其它的精密制造领域，已有关于两轴或多轴运动伺服装置的报道，但还不 能直接适用于自由曲面超精密车削的动态误差抵消。这些多轴运动伺服装置尚不满足自由 曲面超精密车削动态误差抵消装置的性能要求，其最为主要的缺陷是(1)两个轴之间是 运动耦合的，这使得这两个轴的驱动控制非常困难；(2)在某个轴上的运动将在其它的方 向上产生附加或寄生的运动，而为了消除这些附加或寄生的运动，不得不在这些产生寄生 运动的方向上施加额外的驱动补偿，这将使得误差抵消装置的设计制造复杂、整体精度和 带宽降低。还需指出的是即使是有慢速溜板伺服的多轴超精密车床，也不适合中低频或中 高频动态误差抵消，这主要因为慢速溜板伺服的往复运动频率太低。现行的有慢伺服轴的 多轴超精密车床，其往复运动频率也就能达到几个赫兹。
发明内容
本发明提供一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差抵消装置，以解决多轴 运动伺服装置尚不满足自由曲面超精密车削动态误差抵消装置性能要求的问题。本发明采取的技术方案是左侧板、右侧板和前盖板分别与基座、上盖板固定连 接，两自由度柔性铰链机构通过螺栓与基座定位固定连接，金刚石刀具与两自由度柔性铰 链机构固定连接，X向压电执行器通过X向U型块分别与两自由度柔性铰链机构中的左立 柱、右立柱上的U型槽、用X向预紧螺钉固定连接；Z向压电执行器一、Z向压电执行器二分 别通过Z向U型块一、Z向U型块二、与两自由度柔性铰链机构中X向运动平台后部的两个 U型槽、用Z向预紧螺钉一、Z向预紧螺钉二固定连接，传感器支架与两自由度柔性铰链机构后部左侧或右侧固定连接，X向电容位移传感器与传感器支架上的圆孔固定连接，其测头正 对X向运动平台，Z向电容位移传感器与柔性铰链机构中X向运动平台后部的圆孔固定连 接，其测头正对Z向运动平台。本发明的一种实施方式是两自由度柔性铰链机构是一个“H型”整体结构，分为 左、中、右三部分，其中左侧部分的左立柱分别通过柔性铰链上连接、柔性铰链下连接和X 向左导向动臂铰接；右侧部分的右立柱分别通过柔性铰链上连接、柔性铰链下连接和X向 右导向动臂铰接；中间部分是X向运动平台，其左端分别通过左上柔性铰链、左下柔性铰链 与与X向左导向动臂铰接，其右端分别通过右上柔性铰链、右下柔性铰链与X向右导向动臂 铰接；该X向运动平台上有通过线切割在直接加工而成的Z向运动机构。本发明的一种实施方式是所述的Z向运动机构是由Z向运动平台通过柔性铰链 一、柔性铰链二、柔性铰链三、柔性铰链四与其两侧和导向动臂铰接、并通过柔性铰链五、柔 性铰链六、柔性铰链七、柔性铰链八与其后部一组杠杆放大机构铰接；该组杠杆放大机构的 支点分别为可以产生微转动的柔性铰链九、柔性铰链十，杠杆放大机构的输入端分别通过 柔性铰链十一、柔性铰链十二与杠杆放大机构铰接。所述的柔性铰链机构可产生X、Z两个方向的误差补偿运动，利用X轴压电执行器 驱动X轴运动平台，并通过双稳态的柔性铰链导向部分实现X轴无侧向位移的误差补偿运 动；利用Z轴压电执行器分别同时作用于杠杆放大机构的输入端，依靠Z向导向机构导向， 将放大后的直线位移准确传递到金刚石刀具上，从而实现Z轴无侧向位移的误差补偿运 动。X轴和Z轴的运动是解耦的，运动中也不会产生摩擦和磨损，可大大提高运动精度和使 用寿命。所述的X轴、Z轴两个电容位移传感器分别用于检测柔性铰链机构的X轴和Z轴 所产生的微位移，为X轴压电执行器和Z轴压电执行器的闭环控制分别提供反馈信号。本发明通过在X轴和Z轴上高精度、中低频或中高频响的动态抵消，以抑制刀具与 工件之间的综合误差，解除X轴和Z轴之间的运动耦合，X轴或Z轴误差抵消运动不在其它 方向上产生寄生运动。本发明的优点在于(1)两自由度的柔性铰链机构为一个整体式结构、没有装配 误差，具有高精度；(2)在X轴和Z轴上皆利用了双稳态的柔性铰链机构，使之不会在其它 轴上产生任何寄生运动；(3)在X轴与Z轴之间的运动是解耦的，易于控制实施。本发明不仅可实现超精密车床之X轴和Z轴运动的超精密中低频或中高频动态误 差抵消，也可实现自由曲面的超精密车削创成。
图1是本发明的外部结构示意图2是本发明两自由度柔性铰链机构的三维结构示意图； 图3是本发明两自由度柔性铰链机构的主视图； 图4是本发明两自由度柔性铰链机构的俯视图； 图5是本发明基座装配面的结构示意图； 图6是本发明驱动及位移检测部分结构示意图。
具体实施例方式左侧板4、右侧板6和前盖板3分别与基座1、上盖板5固定连接，两自由度柔性铰 链机构12通过螺栓与基座1定位固定连接，由基座1上的面101、102、103定位，金刚石刀 具2与两自由度柔性铰链机构12固定连接，X向压电执行器11通过X向U型块10分别与 两自由度柔性铰链机构12中的左立柱1203、右立柱1204上的U型槽、用X向预紧螺钉9固 定连接；Z向压电执行器一 13、Z向压电执行器二 17分别通过Z向U型块一 14、Z向U型块 二 18、与两自由度柔性铰链机构12中X向运动平台1213后部的两个U型槽、用Z向预紧螺 钉一 15、Z向预紧螺钉二 19固定连接，传感器支架7与两自由度柔性铰链机构12后部左侧 或右侧固定连接，X向电容位移传感器8与传感器支架7上的圆孔固定连接，其测头正对X 向运动平台1213，Z向电容位移传感器16与柔性铰链机构12中X向运动平台1213后部 的圆孔固定连接，其测头正对Z向运动平台121301。本发明的一种实施方式是两自由度柔性铰链机构12是一个“H型”整体结构，分 为左、中、右三部分，其中左侧部分的左立柱1203分别通过柔性铰链上连接1205、柔性铰链 下连接1208和X向左导向动臂1201铰接；右侧部分的右立柱1204分别通过柔性铰链上 连接1212、柔性铰链下连接1209和X向右导向动臂1202铰接；中间部分是X向运动平台 1213，其左端分别通过左上柔性铰链1206、左下柔性铰链与1207与X向左导向动臂1201铰 接，其右端分别通过右上柔性铰链1211、右下柔性铰链1210与X向右导向动臂1202铰接； 该X向运动平台1213上有通过线切割在直接加工而成的Z向运动机构；
所述的Z向运动机构是由Z向运动平台121301通过柔性铰链一 121303、柔性铰链二 121304、柔性铰链三121307、柔性铰链四121308与其两侧和导向动臂121302铰接、并通过 柔性铰链五121305、柔性铰链六121306、柔性铰链七121309、柔性铰链八121312与其后部 一组杠杆放大机构121315铰接；该组杠杆放大机构121315的支点分别为可以产生微转动 的柔性铰链九121311、柔性铰链十121314 ；杠杆放大机构的输入端分别通过柔性铰链十一 121310、柔性铰链十二 121313与杠杆放大机构铰接，用于保证Z向压电执行器一 13、Z向压 电执行器二 17免受弯矩作用。X向压电执行器驱动X轴运动平台，并通过由导向动臂组成的双稳态导向机构实 现X轴无侧向位移的误差补偿运动。利用电容位移传感器检测两自由度柔性铰链机构的X 轴所产生的微位移，为X轴压电执行器的闭环控制提供反馈信号。Z轴压电执行器分别同时作用于杠杆放大机构的输入端，杠杆放大机构的输出端 通过柔性铰链与Z向运动平台连接，并依靠Z向四个导向铰链组成的双稳态导向机构导向， 将放大后的直线位移准确传递到金刚石刀具上，从而实现Z轴无侧向位移的误差补偿运 动。利用Z轴电容位移传感器检测柔性铰链机构的Z轴所产生的微位移，为Z轴压电执行 器的闭环控制提供反馈信号。X轴和Z轴的运动是解耦的，运动中不会产生摩擦和磨损，可大大提高运动精度和 使用寿命。
权利要求
1.一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差抵消装置，其特征在于左侧板、右 侧板和前盖板分别与基座、上盖板固定连接，两自由度柔性铰链机构通过螺栓与基座定位 固定连接，金刚石刀具与两自由度柔性铰链机构固定连接，X向压电执行器通过X向U型块 分别与两自由度柔性铰链机构中的左立柱、右立柱上的U型槽、用X向预紧螺钉固定连接； Z向压电执行器一、Z向压电执行器二分别通过Z向U型块一、Z向U型块二、与两自由度柔 性铰链机构中X向运动平台后部的两个U型槽、用Z向预紧螺钉一、Z向预紧螺钉二固定连 接，传感器支架与两自由度柔性铰链机构后部左侧或右侧固定连接，X向电容位移传感器与 传感器支架上的圆孔固定连接，其测头正对X向运动平台，Z向电容位移传感器与柔性铰 链机构中X向运动平台后部的圆孔固定连接，其测头正对Z向运动平台。
2.根据权利要求1所述的一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差抵消装置，其 特征在于两自由度柔性铰链机构是一个“H型”整体结构，分为左、中、右三部分，其中左侧 部分的左立柱分别通过柔性铰链上连接、柔性铰链下连接和X向左导向动臂铰接；右侧部 分的右立柱分别通过柔性铰链上连接、柔性铰链下连接和X向右导向动臂铰接；中间部分 是X向运动平台，其左端分别通过左上柔性铰链、左下柔性铰链与与X向左导向动臂铰接， 其右端分别通过右上柔性铰链、右下柔性铰链与X向右导向动臂铰接；该X向运动平台上有 通过线切割在直接加工而成的Z向运动机构。
3.根据权利要求2所述的一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差补偿装置， 其特征在于x向运动平台上的Z向运动机构是由Z向运动平台通过柔性铰链一、柔性铰 链二、柔性铰链三、柔性铰链四与其两侧和导向动臂铰接、并通过柔性铰链五、柔性铰链六、 柔性铰链七、柔性铰链八与其后部一组杠杆放大机构铰接；该组杠杆放大机构的支点分别 为可以产生微转动的柔性铰链九、柔性铰链十，杠杆放大机构的输入端分别通过柔性铰链 十一、柔性铰链十二与杠杆放大机构铰接。
全文摘要
本发明涉及一种自由曲面超精密车削的两自由度动态误差补偿装置，属于超精密加工和复杂曲面光学零件加工技术领域。由基座、左侧板、右侧板、上盖板、前盖板、柔性铰链机构、金刚石刀具、压电执行器、电容位移传感器安装座和电容位移传感器组成；所述的机构是一个整体式结构、关于yx平面对称，其中X轴运动平台是一个柔性铰链导向机构，由压电执行器驱动，Z轴运动平台在X轴运动平台上，由杠杆放大机构和柔性铰链导向机构串联，由两个压电执行器同步驱动，电容位移传感器分别检测X轴和Z轴的位移。本发明优点是X轴和Z轴之间运动解耦且不产生寄生运动，具有高精度和中低频或中高频响的特征。
文档编号B23B25/06GK102069201SQ20101059428
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月19日 优先权日2010年12月19日
发明者刘强, 周晓勤, 林洁琼, 段宁华 申请人:吉林大学