一种应用于超精密车削加工的三自由度装置的制造方法

专利名称:一种应用于超精密车削加工的三自由度装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种应用于超精密车削加工的三自由度装置，包括外壳、切削组件、Z向驱动组件、X向驱动组件、Y向驱动组件、机架；所述Z向驱动组件与Y向驱动组件构成并联结构，该并联结构再与X向驱动组件构成串联结构；X、Y、Z三个方向驱动方式上采用压电驱动器，导向方式采用柔性铰链，实现了X、Y、Z三个方向上直线式高频往返伺服运动。本实用新型结构简单、成本低、见效快，提高了定位精度和驱动精度。
【专利说明】
一种应用于超精密车削加工的三自由度装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超精密车削以及光学精密零件车削加工等技术领域，涉及一种应用于超精密车削加工的三自由度装置。
【【背景技术】】
[0002]与传统光学零件相比，光学自由曲面元件具有为光学设计者提供了更加自由灵活更具创新的设计空间，可将光学系统性能最大化，可使用更少的曲面实现更好的光学性能，减少了整体尺寸和重量，可实现功能集成，因此在LED照明、绿色能源、医疗、航天航空红外线军事遥感成像和半导体光刻等领域得到了广泛应用。现有光学自由曲面超精密加工方法包括:成型加工和机械加工技术。机械加工技术主要包括研磨加工和切削加工，前者包括磨削和抛光；后者包括:基于快速刀具伺服或者慢速滑板伺服金刚石车削，金刚石飞切、微铣和金刚石微雕。基于快速刀具伺服的金刚石车削具有加工精度高、表面质量好、加工效率高、成本低，能够一次装夹成型等优点，被国际学术界和工业界普遍认为是最有发展前途的光学自由曲面创成方法。
[0003]中国专利(CN201310278229.7)提出一种大行程三自由度直线式快速刀具伺服装置，采用三个音圈电机外加X向解耦装置和Z向解耦装置来驱动柔性铰链装置实现金刚石刀具在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的高频直线运动，并且主柔性铰链是一个整体框架式结构，将X向导向机构、Y向导向机构、Z向导向机构构成一个串联系统。
[0004]上述三自由度直线式快速刀具伺服装置采用X向解耦装置和Z向解耦装置起到运动的解耦作用，实现三个方向运动的独立，然而这种方法额外增加了两个解耦机构使得整体复杂、生产成本上升;采用主柔性铰链整体框架一体式结构，将X向导向机构、Y向导向机构、Z向导向机构构成一个串联系统，结构过于复杂，在主柔性铰链生产加工生产中难以实现。
【【实用新型内容】】
[0005]本实用新型的目的是提供一种应用于超精密车削加工的三自由度装置，实现三个方向的自由运动而且不需要解耦装置，并且整体结构简单，便于生产制造。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提出了一种应用于超精密车削加工的三自由度装置，包括外壳、切削组件、Z向驱动组件、X向驱动组件、Y向驱动组件、机架;所述Z向驱动组件与Y向驱动组件构成并联结构，该并联结构再与X向驱动组件构成串联结构;所述机架包括U型板、第一连杆、X方向导向块、第二连杆、固定板、底板、导向块、平移副柔性铰链、两自由度柔性铰链;所述固定板左右分布在底板上，与底板一体连接;所述第二连杆左右分布在固定板上方，通过前后两个平移副柔性铰链与固定板连接;所述X方向导向块在第二连杆上方，通过前后两个平移副柔性铰链与第二连杆连接;所述第一连杆左右分布在X方向导向块上方，通过两个平移副柔性铰链与X方向导向块连接;所述U型板与第一连杆通过两个平移副柔性铰链连接;所述导向块位于机架中间，与两自由度柔性铰链一端连接;所述两自由度柔性铰链对称分布在导向块前后左右;所述两自由度柔性铰链的另一端与X方向导向块连接；所述外壳包括左板、盖板、后板、右板、前板、窗口、M5螺钉;所述左板、右板通过M5螺钉连接在底板左右两侧;所述前板、后板通过M5螺钉连接在底板上前后两侧;所述盖板通过M5螺钉与U型板连接;所述窗□位于前板上;所述切削组件包括刀架、金刚石刀具、M4螺钉、M2螺钉；所述刀架通过M4螺钉连接在导向块上;所述金刚石刀具通过M2螺钉连接在刀架上;所述Z向驱动组件包括支撑板、M6螺钉、M3螺钉、Z向压电陶瓷驱动器、Z向电容传感器;所述支撑板通过M5螺钉连接在X方向导向块上;所述Z向压电陶瓷驱动器位于支撑板中间，通过M6螺钉与支撑板连接;所述Z向电容传感器通过M3螺钉固定在支撑板;所述X向驱动组件包括立柱、L形板、M8螺钉、X向压电驱动器、X向电容传感器;所述立柱通过M8螺钉连接在底板上;所述L形板通过M8螺钉连接在立柱上;所述X向压电驱动器通过M6螺钉固定在立柱上;所述X向电容传感器通过M3螺钉固定在L形板上;所述Y向驱动组件包括Y向压电驱动器、Y向电容传感器;所述Y向压电驱动器通过M6螺钉固定在X方向导向块上;所述Y向电容传感器通过M3螺钉固定在X方向导向块上。
[0007]本实用新型的有益效果:本实用新型实现了快速刀具伺服装置在X、Y、Z三个方向的直线运动，适用于车削加工自由光学曲面；同时本实用新型结构简单、紧凑，生产制造成本低。
【【附图说明】
】
[0008]图1是本实用应用于超精密车削加工的三自由度装置整体分解结构示意图；
[0009]图2是本实用外壳分解结构不意图；
[0010]图3是本实用机架结构示意图；
[0011]图4是本实用X向驱动组件结构示意图；
[0012]图5是本实用Z向驱动组件结构示意图；
[0013]图6是本实用切削组件和Y向驱动组件结构示意图。
[0014]图中外壳1、切削组件2、Z向驱动组件3、X向驱动组件4、Y向驱动组件5、机架6、左板
1.0、盖板1.1、后板1.2、右板1.3、前板1.4、窗口 1.40、Μ5螺钉1.5、Μ4螺钉2.0、刀架2.1、金刚石刀具2.2、Μ2螺钉2.3、支撑板3.0、Μ6螺钉3.1、Μ3螺钉3.2、Z向压电陶瓷驱动器3.3、Z向电容传感器3.4、立柱4.0丄形板4.1、18螺钉4.2、乂向压电驱动器4.3、乂向电容传感器4.4、丫向压电驱动器5.0、Υ向电容传感器5.1、U型板6.0、第一连杆6.1、Χ方向导向块6.2、第二连杆
6.3、固定板6.4、底板6.5、导向块6.6、平移副柔性铰链6.7、两自由度柔性铰链6.8。
【【具体实施方式】】
[0015]参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6，本实用新型应用于超精密车削加工的三自由度装置包括外壳1、切削组件2、Ζ向驱动组件3、Χ向驱动组件4、Υ向驱动组件5、机架6;所述Z向驱动组件3与Y向驱动组件5构成并联结构，该并联结构再与X向驱动组件4构成串联结构;所述机架6包括U型板6.0、第一连杆6.1、X方向导向块6.2、第二连杆6.3、固定板6.4、底板6.5、导向块6.6、平移副柔性铰链6.7、两自由度柔性铰链6.8;所述固定板6.4左右分布在底板6.5上，与底板6.5—体连接;所述第二连杆6.3左右分布在固定板6.4上方，通过前后两平移副柔性铰链6.7与固定板6.4连接;所述X方向导向块6.2在第二连杆6.3上方，通过前后两平移副柔性铰链6.7与第二连杆6.3连接;所述第一连杆6.1左右分布在X方向导向块6.2上方，通过两平移副柔性铰链6.7与X方向导向块6.2连接;所述U型板6.0与第一连杆6.1通过两平移副柔性铰链6.7连接;所述导向块6.6位于机架6中间，与两自由度柔性铰链6.8—端连接；所述两自由度柔性铰链6.8对称分布在导向块6.6前后左右;所述两自由度柔性铰链6.8的另一端与X方向导向块6.2连接;所述外壳I包括左板1.0、盖板1.1、后板1.2、右板1.3、前板
1.4、窗口 1.40、M5螺钉1.5;所述左板1.0、右板1.3通过M5螺钉1.5连接在底板6.5左右两侧；所述前板1.4、后板1.2通过M5螺钉1.5连接在底板6.5前后两侧；所述盖板1.1通过M5螺钉1.5与U型板6.0连接;所述窗口 1.40位于前板1.4上;所述切削组件2包括刀架2.1、金刚石刀具2.2、M4螺钉2.0、M2螺钉2.3;所述刀架2.1通过M4螺钉2.0连接在导向块6.6上;所述金刚石刀具2.2通过M2螺钉2.3连接在刀架2.1上；所述Z向驱动组件3包括支撑板3.0、M6螺钉3.1、M3螺钉3.2、Z向压电陶瓷驱动器3.3、Z向电容传感器3.4 ；所述支撑板3.0通过M5螺钉1.5连接在X方向导向块6.2上;所述Z向压电陶瓷驱动器3.3位于支撑板3.0中间，通过M6螺钉3.1与支撑板3.0连接;所述Z向电容传感器3.4通过M3螺钉3.2固定在支撑板3.0;所述X向驱动组件4包括立柱4.0、L形板4.1、M8螺钉4.2、X向压电驱动器4.3、X向电容传感器4.4;所述立柱4.0通过M8螺钉4.2连接在底板6.5上;所述L形板4.1通过M8螺钉4.2连接在立柱4.0上;所述X向压电驱动器4.3通过M6螺钉3.1固定在立柱4.0上;所述X向电容传感器4.4通过M3螺钉3.2固定在L形板4.1上;所述Y向驱动组件5包括Y向压电驱动器5.0、Y向电容传感器5.1；所述Y向压电驱动器5.0通过M6螺钉3.1固定在X方向导向块6.2上;所述Y向电容传感器5.1通过M3螺钉3.2固定在X方向导向块6.2上。
[0016]本实用新型工作过程:X向压电驱动器4.3输入电压，驱动X方向导向块6.2沿X水平方向平动，使位于X方向导向块6.2上的Z向驱动组件3、Y向驱动组件5沿X水平方向平动;Z向压电陶瓷驱动器3.3输入电压，驱动导向块6.6沿着Z竖直方向运动;Y向压电驱动器5.0输入电压，驱动导向块6.6沿着Y方向运动;从而实现了三个方向的直线式运动。在车削光学自由曲面的过程中，根据自由曲面的曲率变化，相应的调节X、Y、Z三个方向的参数。
[0017]上述实施例是对实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单变换后的方案均属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种应用于超精密车削加工的三自由度装置，其特征在于:包括外壳(I)、切削组件(2)、Z向驱动组件⑶、X向驱动组件⑷、Y向驱动组件(5)、机架(6);所述Z向驱动组件⑶与Y向驱动组件(5)构成并联结构，该并联结构再与X向驱动组件(4)构成串联结构;所述机架(6)包括U型板(6.0)、第一连杆(6.1)、X方向导向块(6.2)、第二连杆(6.3)、固定板(6.4)、底板(6.5)、导向块(6.6)、平移副柔性铰链(6.7)、两自由度柔性铰链(6.8);所述固定板(6.4)左右分布在底板(6.5)上，与底板(6.5) —体连接;所述第二连杆(6.3)左右分布在固定板(6.4)上方，通过前后两个平移副柔性铰链(6.7)与固定板(6.4)连接;所述X方向导向块(6.2)在第二连杆(6.3)上方，通过前后两个平移副柔性铰链(6.7)与第二连杆(6.3)连接；所述第一连杆(6.1)左右分布在X方向导向块(6.2)上方，通过两个平移副柔性铰链(6.7)与X方向导向块(6.2)连接;所述U型板(6.0)与第一连杆(6.1)通过两个平移副柔性铰链(6.7)连接;所述导向块(6.6)位于机架(6)中间，与两自由度柔性铰链(6.8)—端连接;所述两自由度柔性铰链(6.8)对称分布在导向块(6.6)前后左右;所述两自由度柔性铰链(6.8)的另一端与X方向导向块(6.2)连接;所述外壳(I)包括左板(1.0)、盖板(1.1)、后板(1.2)、右板(I.3)、前板(I.4)、窗口(1.40)、M5螺钉(I.5);所述左板(I.0)、右板(I.3)通过M5螺钉(1.5)连接在底板(6.5)左右两侧;所述前板(1.4)、后板(1.2)通过M5螺钉(1.5)连接在底板(6.5)前后两侧;所述盖板(1.1)通过M5螺钉(1.5)与U型板(6.0)连接;所述窗口(1.40)位于前板(1.4)上;所述切削组件(2)包括刀架(2.1)、金刚石刀具(2.2)、M4螺钉(2.0)、M2螺钉(2.3);所述刀架(2.1)通过M4螺钉(2.0)连接在导向块(6.6)上;所述金刚石刀具(2.2)通过M2螺钉(2.3)连接在刀架(2.1)上;所述Z向驱动组件(3)包括支撑板(3.0)、M6螺钉(3.1)、M3螺钉(3.2)、Z向压电陶瓷驱动器(3.3)、Z向电容传感器(3.4);所述支撑板(3.0)通过M5螺钉(1.5)连接在X方向导向块(6.2)上;所述Z向压电陶瓷驱动器(3.3)位于支撑板(3.0)中间，通过M6螺钉(3.1)与支撑板(3.0)连接;所述Z向电容传感器(3.4)通过M3螺钉(3.2)固定在支撑板(3.0);所述X向驱动组件(4)包括立柱(4.0)、L形板(4.1)、M8螺钉(4.2)、X向压电驱动器(4.3)、X向电容传感器(4.4);所述立柱(4.0)通过M8螺钉(4.2)连接在底板(6.5)上;所述L形板(4.1)通过M8螺钉(4.2)连接在立柱(4.0)上;所述X向压电驱动器(4.3)通过M6螺钉(3.1)固定在立柱(4.0)上;所述X向电容传感器(4.4)通过M3螺钉(3.2)固定在L形板(4.1)上;所述Y向驱动组件(5)包括Y向压电驱动器(5.0)、Y向电容传感器(5.1);所述Y向压电驱动器(5.0)通过Μ6螺钉(3.1)固定在X方向导向块(6.2)上;所述Y向电容传感器(5.1)通过M3螺钉(3.2)固定在X方向导向块(6.2)上。
【文档编号】B23Q5/28GK205702462SQ201620310885
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】徐爱群, 吴礼琼, 廖胜凯, 于海阔
【申请人】浙江科技学院, 徐爱群