本發(fā)明涉及超精密加工，具體涉及一種集成有軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的長行程快速刀具伺服系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超精密切削加工是半導(dǎo)體、光學(xué)、航空航天等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件表面微結(jié)構(gòu)的重要加工手段之一。超精密單點(diǎn)金剛石切削是通過納米定位精度的超精密機(jī)床驅(qū)動金剛石刀具，配合主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，形成空間切削軌跡來加工幾何表面。為了更加高精度且高效率地加工表面微結(jié)構(gòu)陣列，快速刀具伺服系統(tǒng)由此產(chǎn)生。快速刀具伺服系統(tǒng)是一種基于單點(diǎn)金剛石刀具的機(jī)械切削系統(tǒng)，它利用高頻響伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動單點(diǎn)金剛石刀具，配合機(jī)床軸系運(yùn)動進(jìn)行超精密切削，是加工微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件不可或缺的加工裝置。

2、隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類高性能光學(xué)元器件向著面型更加復(fù)雜、微結(jié)構(gòu)陣列更加密集和尺寸更加極端等方向發(fā)展，這就對快刀伺服系統(tǒng)提出了較高的要求。例如，一些大曲率、深矢高的自由曲面的加工工藝，需要用到行程為毫米級的快刀伺服系統(tǒng)。然而，目前常用的壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服系統(tǒng)由于其行程通常在幾十微米而不能滿足要求。而磁致伸縮的快刀伺服系統(tǒng)和麥克斯韋力驅(qū)動的快刀伺服系統(tǒng)由于具備非線性和磁致伸縮效應(yīng)而難以滿足超高加工精度的要求。因此，基于洛倫磁力原理的直線驅(qū)動器被廣泛應(yīng)用于長行程快速刀具伺服系統(tǒng)上。以音圈電機(jī)為驅(qū)動器的長行程快速刀具伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到百微米甚至數(shù)毫米的行程，頻響能夠達(dá)到數(shù)百赫茲，同時也能夠做到納米級的定位精度，是用來加工光學(xué)自由曲面的重要裝備。

3、切削力是反映切削狀態(tài)的重要指標(biāo)，切削力產(chǎn)生異常的位置，常有微結(jié)構(gòu)表面微缺陷的產(chǎn)生。為了對長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)切削復(fù)雜表面微結(jié)構(gòu)的切削狀態(tài)有所把握，以保證所加工的表面微結(jié)構(gòu)的完整性，需要對切削過程中產(chǎn)生的切削力進(jìn)行實時監(jiān)測。目前，在超精密加工過程中有效測量切削力的方式主要有兩種，第一種是使用商用測力計，第二種是使用集成力傳感器的快速刀具伺服系統(tǒng)。商用測力計的體積較大、價格昂貴，且測力分辨率較高，很難用在超精密切削加工領(lǐng)域。現(xiàn)有的集成式力傳感器，多是集成在較小行程的快速刀具伺服系統(tǒng)上，很難同時兼顧高分辨率、高剛度和大量程的特性，無法被應(yīng)用在長行程快速刀具伺服系統(tǒng)上。另一方面，目前已有集成壓電式力傳感器的單軸快速刀具伺服系統(tǒng)，由于具有電荷泄漏的固有缺陷，無法精準(zhǔn)測量靜態(tài)切削力。

4、因此，針對以上所述的，超精密加工領(lǐng)域存在的不足，提出了一種新型集成有軸向切削力檢測機(jī)構(gòu)的長行程快速刀具伺服系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種新型集成有軸向切削力檢測機(jī)構(gòu)的長行程快速刀具伺服系統(tǒng)，能夠解決了高分辨率、高剛度和大量程的超精密切削加工。

2、集成有軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的長行程快速刀具伺服系統(tǒng)，包括：

3、長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)，其用于驅(qū)動氣浮導(dǎo)軌軸在直線方向運(yùn)動；

4、軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其安裝在所述氣浮導(dǎo)軌軸上并隨氣浮導(dǎo)軌軸做直線運(yùn)動；

5、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其安裝在所述軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，并用于安裝刀具；所述軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于檢測所述末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到的軸向切削力，并輸出相同的推力以抵消所述軸向切削力；

6、位移檢測機(jī)構(gòu)，其用于檢測所述長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的軸向位移；

7、上位機(jī)系統(tǒng)，其用于控制所述長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)和所述軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作；

8、所述軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括第一音圈電機(jī)、柔性鉸鏈和電容位移傳感器；所述柔性鉸鏈上安裝有所述末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到軸向切削力傳遞給柔性鉸鏈；所述柔性鉸鏈?zhǔn)芰Ξa(chǎn)生形變時，所述電容位移傳感器測量獲得柔性鉸鏈的變形位移并傳遞給所述上位機(jī)系統(tǒng)；所述上位機(jī)系統(tǒng)控制所述第一音圈電機(jī)輸出相同的推力以抵消所述軸向切削力。

9、優(yōu)選地，所述長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)包括第二音圈電機(jī)、氣浮導(dǎo)軌軸套和氣浮導(dǎo)軌軸；所述第二音圈電機(jī)驅(qū)動所述氣浮導(dǎo)軌軸產(chǎn)生軸向位移，所述氣浮導(dǎo)軌軸套用于引導(dǎo)和約束所述氣浮導(dǎo)軌軸。

10、優(yōu)選地，所述位移檢測機(jī)構(gòu)為線性光柵編碼器，其可檢測長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的軸向位移。

11、優(yōu)選地，所述上位機(jī)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)主機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集卡其輸入端連接所述線性光柵編碼器的輸出端以及所述電容位移傳感器的輸出端，分別用于采集驅(qū)動端和力檢測端的位移信號，其輸出端分別連接兩個用于驅(qū)動第一音圈電機(jī)和第二音圈電機(jī)的線性驅(qū)動器的輸入端，用于產(chǎn)生分別控制第一音圈電機(jī)和第二音圈電機(jī)產(chǎn)生位移的輸出電壓信號；

12、所述上位機(jī)主機(jī)連接所述數(shù)據(jù)采集卡的控制端，用于接收數(shù)據(jù)采集卡采集的位移數(shù)字編碼信號和位移電壓信號，并基于該信號計算兩個音圈電機(jī)產(chǎn)生位移值和切削力的動態(tài)力大小，以及控制所要輸出的電壓信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，線性驅(qū)動器傳遞到第一音圈電機(jī)和第二音圈電機(jī)來準(zhǔn)確控制音圈電機(jī)產(chǎn)生位移。

13、優(yōu)選地，所述測力基座固定安裝在所述氣浮導(dǎo)軌軸前端；所述測力基座的內(nèi)部設(shè)置有敞口的腔室，所述第一音圈電機(jī)安裝在所述測力基座的腔室內(nèi)；

14、所述測力基座的前側(cè)緊固安裝有柔性鉸鏈；所述柔性鉸鏈的可變形部分位于所述第一音圈電機(jī)的前側(cè)；

15、第一音圈電機(jī)包括第一音圈電機(jī)定子和第一音圈電機(jī)動子；所述第一音圈電機(jī)定子直接固定安裝在所述測力基座的腔室內(nèi)；第一音圈電機(jī)動子與所述柔性鉸鏈的可變形部分固定連接；

16、所述柔性鉸鏈的可變形部分的外側(cè)安裝有刀架，刀架用于安裝金剛石刀具；

17、所述測力基座上還安裝有套筒，套筒伸入所述測力基座內(nèi)部并朝向所述柔性鉸鏈；在套筒的前端安裝有所述電容位移傳感器，電容位移傳感器的檢測端貼近所述柔性鉸鏈的可變形部分；當(dāng)金剛石刀具受到軸向切削力傳遞給柔性鉸鏈后，柔性鉸鏈會產(chǎn)生軸向形變，電容位移傳感器能夠以非接觸的方式測量得到柔性鉸鏈的變形位移。

18、優(yōu)選地，所述軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)在跟隨氣浮導(dǎo)軌軸位移時，所述上位機(jī)系統(tǒng)控制第一音圈電機(jī)產(chǎn)生相反方向的推力以抵消軸向切削力檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動中慣性力帶來的影響，使得金剛石刀具和測力基座始終保持在無相對位移的狀態(tài)。

19、優(yōu)選地，所述第二音圈電機(jī)包括第二音圈電機(jī)定子和第二音圈電機(jī)動子；所述第二音圈電機(jī)定子通過螺釘固定在外殼背板上，氣浮導(dǎo)軌軸套被安裝在外殼底板上；第二音圈電機(jī)動子通過連接板與氣浮導(dǎo)軌軸相連接，氣浮導(dǎo)軌軸被氣浮導(dǎo)軌軸套約束并只能軸向滑動；當(dāng)控制電流流經(jīng)第二音圈電機(jī)時，第二音圈電機(jī)動子受到洛倫磁力的作用并推動氣浮導(dǎo)軌軸在行程內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動。

20、優(yōu)選地，所述線性光柵編碼器用于檢測所述氣浮導(dǎo)軌軸的位移；所述線性光柵編碼器的光柵尺通過支撐架固定在氣浮導(dǎo)軌軸上；所述線性光柵編碼器的讀數(shù)頭通過連接板與外殼側(cè)板相連接；光柵尺跟隨氣浮導(dǎo)軌一起運(yùn)動，進(jìn)而所述讀數(shù)頭能夠測量獲得氣浮導(dǎo)軌軸的位移。

21、本發(fā)明的有益效果如下：

22、（1）與現(xiàn)有長行程快速刀具伺服機(jī)構(gòu)和力檢測手段相比，本發(fā)明所述系統(tǒng)可以將力檢測機(jī)構(gòu)集成在長行程快速刀具伺服系統(tǒng)上，能夠在超精密加工中實時監(jiān)測切削力的大小，以便后續(xù)對加工中的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償；也可以拆分成長行程快速刀具伺服系統(tǒng)和力檢測系統(tǒng)，從而作為兩個系統(tǒng)單獨(dú)使用；

23、（2）與現(xiàn)有的針對超精密車削加工的軸向切削力測量機(jī)構(gòu)相比，本發(fā)明所述系統(tǒng)中的軸向切削力檢測機(jī)構(gòu)，同時具有高力檢測分辨率、大量程和高剛度的特性，其測力分辨率為5mn，測力量程為0~15n，靜態(tài)剛度為50n/μm；

24、（3）與現(xiàn)有的壓電式力傳感器相比，本發(fā)明所述系統(tǒng)中的軸向切削力監(jiān)測機(jī)構(gòu)，能夠更加精準(zhǔn)地測量靜態(tài)切削力。