一种基于气浮导轨的二自由度直线式快刀伺服装置的制作方法

【技术领域】

本发明属于超精密车削以及光学精密零件车削加工等技术领域，涉及一种基于气浮导轨的二自由度直线式快刀伺服装置。

背景技术：

光学自由曲面是指没有任何回转对称轴的光学曲面。它突破了传统光学成像的概念，将复杂的自由曲面组合成光学系统，优化了产品的结构与性能，光学自由曲面具有改善光学性能、实现结构轻量化等显著优点。不仅在航天、航空、国防等诸多工业领域有着重要的应用，而且在其它消费和工业领域也具有极其广泛的应用，例如汽车、移动电话、图像处理、数字相机等领域。现有的光学自由曲面创成方法主要包括：复制成型、铣磨/研磨/抛光，基于快速刀具(fts)或者慢拖板伺服的金刚石车削。其中，基于fts的金刚石车削被国际认为是一种最有发展的前途的光学自由曲面创成方法。

中国专利(申请号：cn201420397286.7)提出了一种两轴解耦的快速刀具伺服装置，采用并联驱动柔性机构的方式。金刚石刀具通过螺钉与柔性铰链基体上的刀座固定连接，x轴压电叠堆的两端分别与柔性铰链基体和x轴驱动端相连接，该x轴压电叠堆通过预紧螺栓一与该柔性铰链基体连接，z轴压电叠堆一、z轴压电叠堆二分别与柔性铰链基体和z轴驱动端相连接，该柔性铰链基体刀座的后面安装有位移检测块，并通过固定螺钉与该柔性铰链基体固定连接。

上述快刀伺服装置采用并联驱动结构，在x与z方向之间要采用解耦机构，导致结构复杂，所需要空间增大，同时在进行车削加工过程中使得规划刀具路径带来困难。上述快刀伺服装置采用柔性铰链作为导向机构，是根据柔性铰链的弹性变形来产生一个工作行程，这使得在选择驱动方式的时候必须能够才生足够的驱动力；而且柔性铰链加工是采用线切割技术，从而使得加工成本上升。

技术实现要素：

为了解决现有二自由度直线式快速刀具伺服装置利用柔性铰链的弹性变形输出位移时对驱动方式输出力要求高，以及额外增加的解耦机构设计，使得整体结构复杂的问题，本发明提出了一种基于气浮导轨的二自由度直线式快速刀具伺服装置，能够实现结构简单、对驱动方式输出力要求低的效果。

本发明实现上述目的技术方案如下：

基于气浮导轨的二自由度直线式快刀伺服装置，包括外壳、z向驱动、x向驱动；所述z向驱动、x向驱动位于外壳内部；所述外壳包括盖板、左板、前板、后板、右板、窗口；所述左板、右板分别通过螺钉连接在x向驱动的左右两侧；所述前板、后板分别通过螺钉连接在x向驱动的前后两侧；所述盖板位于左板、前板、后板、右板之上，通过螺钉与左板、前板、后板、右板连接；所述窗口位于右板上；所述z向驱动通过螺钉连接在x向驱动上，形成串联机构；所述z向驱动包括z向底板、z向气浮定轨、z向压电驱动器、z向气浮动轨、第一连杆、z向连接块缺口、z向电容传感器、z向锁紧环、z向传感器支撑板、第二连杆、刀架、金刚石刀具、z向气孔、z向连接块、z向连接轴、z向连接套筒、z向驱动器支撑板；所述z向气浮定轨左右分布在z向底板上，通过螺钉连接；所述z向气浮动轨位于z向气浮定轨上；所述z向气孔分布在z向气浮动轨侧面上；所述第一连杆、第二连杆通过螺钉将左右分布的z向气浮动轨连接起来；所述刀架位于第二连杆中间，并通过螺钉连接固定；所述金刚石刀具通过螺钉固定在刀架上；所述z向传感器支撑板位于两z向气浮动轨中间，通过螺钉与z向底板连接；所述z向电容传感器，通过前后两个z向锁紧环固定在z向传感器支撑板上；所述z向连接块位于第一连杆中间，通过螺钉连接固定；所述z向驱动器支撑板通过螺钉连接在z向底板上；所述z向压电驱动器、z向连接轴、z向连接套筒同轴分布；所述z向压电驱动器通过过盈配合与z向驱动器支撑板 连接；所述z向压电驱动器与z向连接套筒通过螺纹连接；所述z向连接轴一端与z向连接套筒通过螺纹连接，另一端插入z向连接块，通过拧紧螺钉使z向连接块缺口缩小从而抱紧z向连接轴；所述x向驱动包括x向底板、x向气浮定轨、x向气浮动轨、第三连杆、x向连接轴、x向连接块、x向传感器支撑板、x向电容传感器、x向锁紧环、第四连杆、x向气孔、x向连接块缺口、x向连接套筒、x向压电驱动器、x向驱动器支撑板；所述x向气浮定轨左右分布在x向底板上，通过螺钉连接；所述x向气浮动轨位于x向气浮定轨上；所述x向气孔分布在x向气浮动轨侧面上；所述第三连杆、第四连杆通过螺钉将左右分布的x向气浮动轨连接起来；所述x向传感器支撑板位于两x向气浮动轨中间，通过螺钉与x向底板连接；所述x向电容传感器，通过前后两个x向锁紧环固定在x向传感器支撑板上；所述x向连接块位于第三连杆中间，通过螺钉连接固定；所述x向驱动器支撑板通过螺钉连接在x向底板上；所述x向压电驱动器、x向连接轴、x向连接套筒同轴分布；所述x向压电驱动器通过过盈配合与x向驱动器支撑板连接；所述x向压电驱动器与x向连接套筒通过螺纹连接；所述x向连接轴一端与x向连接套筒通过螺纹连接，另一端插入x向连接块，通过拧紧螺钉使x向连接块缺口缩小从而抱紧x向连接轴。

本发明的有益效果：本发明实现了快速刀具伺服装置在x、z二个方向的直线运动，适用于车削加工自由光学曲面；采用了气浮导轨导向使得所需驱动力更小，大大的减少了响应时间，提高了快速刀具伺服加工精度，同时也使得快速刀具伺服装置寿命周期延长；同时本发明结构简单、紧凑。

【附图说明】

图1是基于气浮导轨的二自由度直线式快刀伺服装置整体结构分解示意图；

图2是本发明外壳分解示意图；

图3是本发明z向驱动结构示意图；

图4是本发明x向驱动结构示意图。

图中，外壳1、z向驱动2、x向驱动3、盖板1.0、左板1.1、前板1.2、后板1.3、右板1.4、窗口1.40、z向底板2.10、z向气浮定轨2.11、z向压电驱动器2.12、z向气浮动轨2.13、第一连杆2.14、z向连接块缺口2.15、z向电容传感器2.16、z向锁紧环2.17、z向传感器支撑板2.18、第二连杆2.19、刀架2.20、金刚石刀具2.21、z向气孔2.22、z向连接块2.23、z向连接轴2.24、z向连接套筒2.25、z向驱动器支撑板2.26、x向底板3.10、x向气浮定轨3.11、x向气浮动轨3.12、第三连杆3.13、x向连接轴3.14、x向连接块3.15、x向传感器支撑板3.16、x向电容传感器3.17、x向锁紧环3.18、第四连杆3.19、x向气孔3.20、x向连接块缺口3.21、x向连接套筒3.22、x向压电驱动器3.23、x向驱动器支撑板3.24。

【具体实施方式】

参阅图1、图2、图3、图4，本发明基于气浮导轨的二自由度直线式快刀伺服装置包括外壳1、z向驱动2、x向驱动3；所述z向驱动2、x向驱动3位于外壳1内部；所述外壳1包括盖板1.0、左板1.1、前板1.2、后板1.3、右板1.4、窗口1.40；所述左板1.1、右板1.4分别通过螺钉连接在x向驱动3的左右两侧；所述前板1.2、后板1.3分别通过螺钉连接在x向驱动3的前后两侧；所述盖板1.0位于左板1.1、前板1.2、后板1.3、右板1.4之上，通过螺钉与左板1.1、前板1.2、后板1.3、右板1.4连接；所述窗口1.40位于右板1.4上；所述z向驱动2通过螺钉连接在x向驱动3上，形成串联机构；所述z向驱动2包括z向底板2.10、z向气浮定轨2.11、z向压电驱动器2.12、z向气浮动轨2.13、第一连杆2.14、z向连接块缺口2.15、z向电容传感器2.16、z向锁紧环2.17、z向传感器支撑板2.18、第二连杆2.19、刀架2.20、金刚石刀具2.21、z向气孔2.22、z向连接块2.23、z向连接轴2.24、z向连接套筒2.25、z向驱 动器支撑板2.26；所述z向气浮定轨2.11左右分布在z向底板2.10上，通过螺钉连接；所述z向气浮动轨2.13位于z向气浮定轨2.11上；所述z向气孔2.22分布在z向气浮动轨2.13侧面上；所述第一连杆2.14、第二连杆2.19通过螺钉将左右分布的z向气浮动轨2.13连接起来；所述刀架2.20位于第二连杆2.19中间，并通过螺钉连接固定；所述金刚石刀具2.21通过螺钉固定在刀架2.20上；所述z向传感器支撑板2.18位于两z向气浮动轨2.13中间，通过螺钉与z向底板2.10连接；所述z向电容传感器2.16，通过前后两个z向锁紧环2.17固定在z向传感器支撑板2.18上；所述z向连接块2.23位于第一连杆2.14中间，通过螺钉连接固定；所述z向驱动器支撑板2.26通过螺钉连接在z向底板2.10上；所述z向压电驱动器2.12、z向连接轴2.24、z向连接套筒2.25同轴分布；所述z向压电驱动器2.12通过过盈配合与z向驱动器支撑板2.26连接；所述z向压电驱动器2.12与z向连接套筒2.25通过螺纹连接；所述z向连接轴2.24一端与z向连接套筒2.25通过螺纹连接，另一端插入z向连接块2.23，通过拧紧螺钉使z向连接块缺口2.15缩小从而抱紧连z向接轴2.24；所述x向驱动3包括x向底板3.10、x向气浮定轨3.11、x向气浮动轨3.12、第三连杆3.13、x向连接轴3.14、x向连接块3.15、x向传感器支撑板3.16、x向电容传感器3.17、x向锁紧环3.18、第四连杆3.19、x向气孔3.20、x向连接块缺口3.21、x向连接套筒3.22、x向压电驱动器3.23、x向驱动器支撑板3.24；所述x向气浮定轨3.11左右分布在x向底板3.10上，通过螺钉连接；所述x向气浮动轨3.12位于x向气浮定轨3.11上；所述x向气孔3.20分布在x向气浮动轨3.12侧面上；所述第三连杆3.13、第四连杆3.19通过螺钉将左右分布的x向气浮动轨3.12连接起来；所述x向传感器支撑板3.16位于两x向气浮动轨3.12中间，通过螺钉与x向底板3.10连接；所述x向电容传感器3.17，通过前后两个x向锁紧环3.18固定在x向传感器支撑板3.16上；所述x 向连接块3.15位于第三连杆3.13中间，通过螺钉连接固定；所述x向驱动器支撑板3.24通过螺钉连接在x向底板3.10上；所述x向压电驱动器3.23、x向连接轴3.14、x向连接套筒3.22同轴分布；所述x向压电驱动器3.23通过过盈配合与x向驱动器支撑板3.24连接；所述x向压电驱动器3.23与x向连接套筒3.22通过螺纹连接；所述x向连接轴3.14一端与x向连接套筒3.22通过螺纹连接，另一端插入x向连接块2.23，通过拧紧螺钉使x向连接块缺口3.21缩小从而抱紧x向连接轴3.14。

本发明工作过程：高压气体通过z向气孔2.22进入z向气浮定轨2.11与z向气浮动轨2.13之间，使得z向气浮动轨2.13处于悬浮状态，z向压电驱动器2.12通过第一连杆2.14使得z向气浮动轨2.13沿着z向气浮定轨2.11做高频往返运动，从而金刚石刀具2.21沿z方向作高频直线式往返运动；高压气体通过x向气孔3.20进入x向气浮定轨3.11与x向气浮动轨3.12之间，使得x向气浮动轨3.12处于悬浮状态，x向压电驱动器3.23通过第三连杆3.13使得x向气浮动轨3.12沿着x向气浮定轨3.11作高频往返运动，从而实现从而金刚石刀具2.21沿x方向作频直线式往返运动。

上述实施例是对发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。