一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的制作方法

本发明涉及自由曲面光学元件领域，尤其涉及一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置。

背景技术：

自由曲面光学元件具有改善光学性能、优化产品结构、实现轻量化等显著优点。随着现代科技发展的日新月异，自由曲面光学元件的应用领域逐步扩大，不仅包括航空、航天、国防、军事等核心技术领域，同时也涉及到普通民用、办公等日常生活方面。在医用光学相机、扫描仪、红外夜视仪等领域也有着广泛的应用。其中，利用快速刀具伺服(FTS)技术进行自由曲面光学元件的加工被认为是最有发展前途的加工方法。

FTS经历了从单自由度到多自由度的发展，鉴于单自由度FTS加工的局限性；即只能进行单方向的往复运动和单方向运动轴误差校正，仅能满足恒进给的刀具路径，对于一些复杂的曲面就束手无策了。因此在单自由度FTS的基础上需要研制多自由度FTS来满足复杂曲面的快速伺服加工。多自由度FTS可以实现多方向主动切削加工和多方向位移补偿，能够解决切削力扰动，实现机床主轴与FTS装置的同步性和协调性，克服单自由度FTS加工中存在的问题，拓展基于NRS曲面加工的FTS金刚石车削加工领域和加工能力。因此多自由度FTS装置的研究意义重大。

目前现有技术主要采用的FTS加工机构的一种经典的结构如图1所示，其加工机床布局图如图2所示。在一台超精密数控车床的X向导轨上安装一台FTS装置，金刚石刀具夹持在上，工件安装在超精密车床的主轴或轴上。金刚石刀具可以由FTS驱动实现沿着主轴方向的快速往复运动，也能沿着导轨做X、Z向的进给运动。在加工过程中，刀具既随着X、Z导轨做两向进给运动，也由FTS驱动沿着主轴做快速往复运动，两者同时运作，FTS补偿导轨的位移误差，宏微复合并提高金刚石刀具的加工精度。

对于传统的FTS装置来说，存在着明显的的不足，这种不足表现在:

(1)专用机床的特点是一种机床只能加工同一类型的零件，因此加工成本高，加工效率低。

(2)不能实现多自由度的位移误差补偿。

(3)难以保证其他方向上的绝对刚度。

(4)金刚石刀具的工作空间狭小，对于形状复杂、变形度较大的曲面加工，很难满足其加工要求。

技术实现要素：

本实用新型实施例公开了一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置，解决了传统的FTS装置加工成本高，加工效率低，不能实现多自由度的位移误差补偿，难以保证其他方向上的绝对刚度的技术问题。

本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置，包括：

X向驱动平台、Y向驱动平台、Z向驱动平台、主柔性铰链、副柔性铰链、刀具；

X向驱动平台和Y向驱动平台分别通过主柔性铰链与刀具连接，Z向驱动平台通过副柔性铰链与刀具连接。

可选地，X向驱动平台与主柔性铰链之间还固定连接有柔性铰链外架，Y向驱动平台与主柔性铰链之间还固定连接有柔性铰链外架；

柔性铰链外架与X向驱动平台及Y向驱动平台的连接面凸起。

可选地，X向驱动平台包括X向支撑架、X向压电陶瓷驱动器、X向驱动器保护套筒；

X向压电陶瓷驱动器一端与X向支撑架固定连接，X向压电陶瓷驱动器的另一端套有X向驱动器保护套筒，X向压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器。

可选地，Y向驱动平台包括Y向支撑架、Y向压电陶瓷驱动器、Y向驱动器保护套筒；

Y向压电陶瓷驱动器一端与Y向支撑架固定连接，Y向压电陶瓷驱动器的另一端套有Y向驱动器保护套筒，Y向压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器。

可选地，Z向驱动平台包括Z向支撑架、Z向压电陶瓷驱动器、Z向驱动器保护套筒；

Z向压电陶瓷驱动器一端与Z向支撑架固定连接，Z向压电陶瓷驱动器的另一端套有Z向驱动器保护套筒，Z向压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器。

可选地，刀具为金刚石刀具。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置，包括X向驱动平台、Y向驱动平台、Z向驱动平台、主柔性铰链、副柔性铰链、刀具；X向驱动平台和Y向驱动平台分别通过主柔性铰链与刀具连接，Z向驱动平台通过副柔性铰链与刀具连接，本发明实施例中通过对X向驱动平台、Y向驱动平台、Z向驱动平台输入电压之后，输出位移并作用在柔性结构上，驱使刀具做对应方向上的直线运动。三个驱动平台共同驱动，达到空间内三维运动的目的，实现三个自由度的位移误差补偿。且所使用的柔性铰链具有高对称性，其主要作用是三维解耦，减小耦合的影响，使之能够在各个方向上更好地独立运动，增强了刀具的加工性，使之适应多种加工环境，并且能够实现XYZ三个方向上的位移误差补偿，解决了传统的FTS装置加工成本高，加工效率低，不能实现多自由度的位移误差补偿，难以保证其他方向上的绝对刚度的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的现有技术的一种FTS加工机构；

图2为本发明实施例提供的现有技术的一种FTS加工机床布局图；

图3为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的结构正面示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的结构侧面示意图；

图5为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的X向驱动平台结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的主柔性铰链与金刚石刀具的连接示意图；

图7a为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的副柔性铰链的三维示意图；

图7b为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的副柔性铰链的左视图；

图7c为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的副柔性铰链的俯视图；

图7d为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的副柔性铰链的前视图；

图7e为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的副柔性铰链的后视图；

图8为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的X向压电陶瓷驱动器和Y向压电陶瓷驱动器输出位移后刀具直线运动图；

图9为本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置的Z向压电陶瓷驱动器输出位移后刀具直线运动图。

图示说明，1 X向驱动平台，1a X向支撑架，1b X向压电陶瓷驱动器，1c X向驱动器保护套筒，2 Y向驱动平台，3 Z向驱动平台，4主柔性铰链，5副柔性铰链，6刀具。

具体实施方式

本实用新型实施例公开了一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置，用于解决传统的FTS装置加工成本高，加工效率低，不能实现多自由度的位移误差补偿，难以保证其他方向上的绝对刚度的技术问题。

请参阅图1，本实用新型实施例中提供的一种的一个实施例包括：

请参阅图3和图4，本发明实施例提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置包括：

X向驱动平台1、Y向驱动平台2、Z向驱动平台3、主柔性铰链4、副柔性铰链5、刀具6；

X向驱动平台1和Y向驱动平台2分别通过主柔性铰链4与刀具6连接，Z向驱动平台3通过副柔性铰链5与刀具6连接。

进一步地，X向驱动平台1与主柔性铰链4之间还固定连接有柔性铰链外架，Y向驱动平台2与主柔性铰链4之间还固定连接有柔性铰链外架；

柔性铰链外架与X向驱动平台1及Y向驱动平台2的连接面凸起。

进一步地，请参阅图5，X向驱动平台1包括X向支撑架1A、X向压电陶瓷驱动器1B、X向驱动器保护套筒1C；

X向压电陶瓷驱动器1B一端与X向支撑架1A固定连接，X向压电陶瓷驱动器1B的另一端套有X向驱动器保护套筒1C，X向压电陶瓷驱动器1B为堆叠式压电陶瓷驱动器。

进一步地，Y向驱动平台2包括Y向支撑架、Y向压电陶瓷驱动器、Y向驱动器保护套筒；

Y向压电陶瓷驱动器一端与Y向支撑架固定连接，Y向压电陶瓷驱动器的另一端套有Y向驱动器保护套筒，Y向压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器。

进一步地，Z向驱动平台3包括Z向支撑架、Z向压电陶瓷驱动器、Z向驱动器保护套筒；

Z向压电陶瓷驱动器一端与Z向支撑架固定连接，Z向压电陶瓷驱动器的另一端套有Z向驱动器保护套筒，Z向压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器。

进一步地，刀具6为金刚石刀具。

请参阅图6，为主柔性铰链4与金刚石刀具的连接示意图。其中，金刚石刀具位于正方形底座的中央，正方形底座的每一边上均连接有两根主柔性铰链4。

请参阅图7a～7e，分别为副柔性铰链5的三维示意图、左视图、俯视图、前视图、后视图。由图可知，Y向驱动平台2通过副柔性铰链5与上述的正方形底座连接，输出位移并作用在柔性结构上，再驱使正方形底座上的金刚石刀具做Y轴方向上的直线运动。

如图8和图9，分别为X向压电陶瓷驱动器1B和Y向压电陶瓷驱动器、Z向压电陶瓷驱动器输出位移后刀具6直线运动图。压电陶瓷驱动器在输入电压之后，输出位移并作用在柔性结构上，驱使金刚石刀具做对应方向上的直线运动。三个驱动器共同驱动，达到空间内三维运动的目的，实现三个自由度的位移误差补偿。此处的柔性铰链具有高对称性，其主要作用是三维解耦，减小耦合的影响，使之能够在各个方向上更好地独立运动。图示的箭头是压电陶瓷驱动器输出位移的方向，共同对金刚石刀具产生作用。

以上对本实用新型所提供的一种数控超精密加工机床并联平动三维快速刀具伺服装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。