专利名称：一种刀具伺服微进给机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种零件加工位移机构，尤其是涉及一种刀具伺服微进给机构。
背景技术：
近年来，非圆截面零件和非轴对称(B卩非旋转对称)光学元件分别在机械エ业和光 电产业中得到了广泛应用。这些零件表面轮廓非対称、形状复杂、精度要求高，传统加工方法如靠模仿形加工、研磨抛光、电化学腐蚀、光刻等的加工效率较低，加工精度一致性差，难以满足需求。非圆数控车削和非轴对称车削分别是加工这两类零件的有效方法，可实现零件的高效率、高精度、柔性化加工，具有显著的经济效益。非圆数控车削和非轴对称车削的ー项共同关键技术是在车床上安装具有快速响应能力的刀具微进给伺服系统，又称为快速刀具伺服机构(fast tool servo, FTS)、快速伺服刀架或快刀伺服。在车削过程中，主轴带动エ件旋转，刀具在FTS的驱动下，以与主轴转速相关联的频率沿エ件径向(对于非圆车削)或轴向(对于非轴对称车削)做往复进给运动，从而加工出エ件的非圆截面轮廓或非轴对称端面。在非圆数控车削中，FTS的应用实例有加工内燃机活塞轮廓、凸轮轴、凸轮、非圆轴承内轮廓等，国防科学技术大学非圆技术中心、清华大学精密仪器与机械学系等在该领域进行了大量的研究工作。在非轴对称车削中，采用天然单晶金刚石作为刀具，在FTS驱动下车削光学元件的非轴对称表面，可重复加工具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得很高的零件尺寸形状精度和很低的表面粗糙度，可加工的典型非轴对称元件包括自由曲面透镜/镜面、微镜阵列、微沟槽阵列等。近年来，这种方法在光学元件加工中得到了广泛的研究和应用。微进给机构一般指行程范围为毫米级，位移分辨率及定位精度达到纳米级(甚至亚纳米级)的位移机构。微进给机构通常由微位移器和精密导轨两部分组成，其技术研究不仅关系到超精密车床研制，而且是精密机械、微电子、生物工程等多种学科赖以发展的基础。如随着微电子技术向大規模集成电路(LSI)和超大規模集成电路(VLSI)方向发展，线条越来越细化，16KM动态RAM线宽已缩小到O. 07 μ m左右，对于相应的エ艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的I / 3 I / 5，即亚微米甚至纳米级的精度。可见，微进给技术是实现纳米级加工精度和提高各学科水平的关键所在。因此，开展微进给机构的研究非常有必要而且具有广阔的应用前景。中国专利CN102091962A公开ー种用于变椭圆活塞加工的微进给机构，涉及ー种变椭圆活塞加工设备，设有基座、柔性铰链、限位开关、光栅尺定尺、光栅尺动尺、固定块、转接盘、音圈电机定子、音圈电机转子、传动轴、碟形弹簧、端盖和滚动轴承。柔性铰链和光栅尺定尺固定在基座上，光栅尺动尺固定在固定块上并与柔性铰链连接，限位开关固定在设于基座上的凸台顶部；音圈电机动子与转接盘固定，定子固定在基座的后壁上；传动轴固定在转接盘上，转接盘固定在柔性铰链上，传动轴后部设有蝶形弹簧，滚动轴承穿过传动轴与设于基座后壁上的通孔并固定，端盖固定在基座上。该微进给机构不仅具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高等优点，而且采用零传动，可消除传统的螺杆间隙误差。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种具有高频响、高精度、较大行程、多重缓震、双重预紧、良好的刀具的切削刚度、较好的力的传导性等特点的基于音圈电机的快速刀具伺服微进给机构。本发明设有柔性铰链、基座、弾性连杆、转接盘、弾性连杆调节螺母、端盖、弹簧调整螺母、音圈电机定子、音圈电机转子、空气静压导轨内轨、电容位移传感器、传感器支撑架、空气静压导轨外轨、车刀、刀头夹具、传动轴、预紧螺母和碟形弹簧。
所述柔性铰链设有内圈和外圈，转接盘固定在内圈的球面部分上，转接盘与音圈电机转子固定，音圈电机定子固定在外圈的后壁上，传动轴固定在转接盘上，设于传动轴后部的4个碟形弹簧通过轴肩和弹簧调整螺母实现其定位，预紧螺母固定在基座的后壁上，端盖与预紧螺母固定，弹簧调整螺母与端盖配合并顶在碟形弹簧上，4根弾性连杆穿过柔性铰链和基座，4根弾性连杆两端与弾性连杆调节螺母配合以实现预紧作用，空气静压导轨内轨固定在内圈的平面部分，空气静压导轨外轨固定在外圈上，刀头夹具固定在空气静压导轨内轨上，电容位移传感器固定在传感器支撑架上，传感器支撑架固定在外圈上，柔性铰链整体固定在基座上。所述内圈和外圈可通过螺钉固定在基座上。所述转接盘可采用内六角螺钉与音圈电机的转子固定。所述转接盘可通过紧固螺钉固定在内圈的球面部分上。所述音圈电机定子可通过螺钉固定在外圈后壁。所述预紧螺母可通过螺纹固定在基座的后壁上。所述端盖与预紧螺母可通过螺纹固定。所述弹簧调整螺母与端盖可通过螺纹配合并顶在碟形弹簧上。所述4根弾性连杆两端与弾性连杆调节螺母可通过螺纹配合以实现预紧作用。所述空气静压导轨外轨可通过过盈配合固定在外圈上。所述空气静压导轨内轨可通过螺钉固定在内圈的平面部分上。所述刀头夹具可通过螺钉固定在空气静压导轨内轨上。所述传感器支撑架可通过螺钉固定在基座上。工作吋，系统控制音圈电机使其进行进给运动，在进给运动过程中，音圈电机转子往进给方向运动，转接盘也随之运动，由于转接盘与柔性铰链的球面部分相固连，因此柔性铰链也往进给方向运动，且作用カー直在进给方向上。此外，由于传动轴也与转接盘连接，因此传动轴也做相同的运动。由于系统在做高频进给运动时会产生振动，因此碟形弹簧就发挥了减振的作用，振动的强弱可通过弹簧调整螺母进行调节。基座上方的电容位移传感器实现对刀具运动的定位和反馈。由此可见，本发明不仅具有高频响、高精度、较大行程等特点；而且具有以下新的优点I)多重缓震。本发明中采用了整体柔性铰链设计，使得加工过程中动刚度増大，起到间接缓震效果。设置在尾部的可调式碟形弹簧可以根据需要调整压缩量，进而有效配合机构整体的缓震效果。2)预紧装置。本发明中采用了双预紧结构，ー是利用设置在机构尾部的预紧螺母，ニ是通过四根弾性连杆连接柔性铰链和基座，通过调解弹性连杆调节螺母对机构进行预紧。
3)提高了刀具的切削刚度。本发明中的刀头位置采用了空气静压导轨，由于刀头始終处于悬臂状态，再加上切削过程中力的作用，因此刀头特别是刀尖的位置摆幅会很大；而且利用空气静压导轨后，能够提高刀具的导向性，间接提高了刀头的运动刚度。4)较好的力的传导性。在柔性铰链与转接盘连接的位置，铰链一部分被设计成半球形，使得柔性铰链与转接盘近似相切，这样就保证了动子传导的力始終沿着柔性铰链中心对称轴方向，使得カ传导有很好的对中性，同时可以避免与转接盘因变性而产生的剪切力。
图I是本发明实施例的结构组成示意图。图2是本发明实施例的结构组成主视图的半剖视图。
图3为本发明实施例的结构组成俯视图。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明作进ー步的说明。參见图I 3，本发明实施例设有柔性铰链I、基座2、弾性连杆3、转接盘4、弹性连杆调节螺母5、端盖6、弹簧调整螺母7、音圈电机定子8、音圈电机转子9、空气静压导轨内轨10、电容位移传感器11、传感器支撑架12、空气静压导轨外轨13、车刀14、刀头夹具15、紧固螺钉16、传动轴17、预紧螺母18和碟形弹簧19。柔性铰链I设有内圈和外圏，转接盘4通过紧固螺钉16固定在柔性铰链I内圈的球面部分21上，转接盘4与音圈电机转子9固定，音圈电机定子8固定在柔性铰链I外圈的后壁上，传动轴17固定在转接盘4上，传动轴17的后部有4个碟形弹簧19通过轴肩和弹簧调整螺母7实现其定位，预紧螺母18通过螺纹固定在基座2的后壁上，端盖6与预紧螺母18通过螺纹固定，弹簧调整螺母7与端盖6通过螺纹配合并顶在碟形弹簧19上，4根弾性连杆3穿过柔性铰链I和基座2，且两端与弾性连杆调节螺母5通过螺纹配合以实现预紧作用，空气静压导轨内轨10通过螺钉固定在柔性铰链I内圈的平面部分20，空气静压导轨外轨13通过过盈配合固定在柔性铰链I外圈上，刀头夹具15通过螺钉固定在空气静压导轨内轨10上，电容位移传感器11固定在传感器支撑架12上，传感器支撑架12固定在柔性铰链I外圈上，柔性铰链I整体固定在基座2上。工作前，通过调整预紧螺母18和调整弹性连杆调整螺母5，使得柔性铰链I与音圈电机定子产生预紧カ。工作吋，系统控制音圈电机定子8使其进行进给运动，在进给运动过程中，音圈电机转子9往进给方向运动，转接盘4也随之运动，由于转接盘4与柔性铰链I的外圈的球面部分相固连，因此柔性铰链I也往进给方向运动，且作用カー直在进给方向上。此外，由于传动轴17也与转接盘4连接，因此传动轴17也做相同的运动。由于系统在做高频进给运动时会产生振动，因此碟形弹簧19就发挥了减振的作用。加工过程中，基座2上方的电容位移传感器11实现对刀具运动进行反馈，不断修正加工路径。
权利要求
1.一种刀具伺服微进给机构，其特征在于设有柔性铰链、基座、弹性连杆、转接盘、弹性连杆调节螺母、端盖、弹簧调整螺母、音圈电机定子、音圈电机转子、空气静压导轨内轨、电容位移传感器、传感器支撑架、空气静压导轨外轨、车刀、刀头夹具、传动轴、预紧螺母和碟形弹簧； 所述柔性铰链设有内圈和外圈，转接盘固定在内圈的球面部分上，转接盘与音圈电机转子固定，音圈电机定子固定在外圈的后壁上，传动轴固定在转接盘上，设于传动轴后部的4个碟形弹簧通过轴肩和弹簧调整螺母实现其定位，预紧螺母固定在基座的后壁上，端盖与预紧螺母固定，弹簧调整螺母与端盖配合并顶在碟形弹簧上，4根弹性连杆穿过柔性铰链和基座，4根弹性连杆两端与弹性连杆调节螺母配合以实现预紧作用，空气静压导轨内轨固定在内圈的平面部分，空气静压导轨外轨固定在外圈上，刀头夹具固定在空气静压导轨内轨上，电容位移传感器固定在传感器支撑架上，传感器支撑架固定在外圈上，柔性铰链整体固定在基座上。
2.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述内圈和外圈通过螺钉固定在基座上。
3.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述转接盘采用内六角螺钉与音圈电机的转子固定；所述转接盘通过紧固螺钉固定在内圈的球面部分上。
4.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述音圈电机定子通过螺钉固定在外圈后壁。
5.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述预紧螺母通过螺纹固定在基座的后壁上；所述端盖与预紧螺母通过螺纹固定。
6.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述弹簧调整螺母与端盖通过螺纹配合并顶在碟形弹簧上。
7.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述4根弹性连杆两端与弹性连杆调节螺母通过螺纹配合以实现预紧作用。
8.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述空气静压导轨外轨通过过盈配合固定在外圈上；所述空气静压导轨内轨通过螺钉固定在内圈的平面部分上。
9.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述刀头夹具通过螺钉固定在空气静压导轨内轨上。
10.如权利要求I所述的一种刀具伺服微进给机构，其特征在于所述传感器支撑架通过螺钉固定在基座上。
全文摘要
一种刀具伺服微进给机构，涉及一种零件加工位移机构。提供一种具有高频响、高精度、较大行程、多重缓震、双重预紧、良好的刀具的切削刚度、较好的力的传导性等特点的基于音圈电机的快速刀具伺服微进给机构。设有柔性铰链、基座、弹性连杆、转接盘、弹性连杆调节螺母、端盖、弹簧调整螺母、音圈电机定子、音圈电机转子、空气静压导轨内轨、电容位移传感器、传感器支撑架、空气静压导轨外轨、车刀、刀头夹具、传动轴、预紧螺母和碟形弹簧。
文档编号B23Q11/00GK102862084SQ20121038537
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者彭云峰, 常小龙, 吴海韵, 陈梅云 申请人:厦门大学