一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置

摘要

本发明涉及一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置。伺服电机驱动滚珠丝杠转动，带动丝杠螺母运动，丝杠螺母通过柔性铰链弹性机构带动工作台沿着导轨低速平稳运动。所述柔性铰链弹性联接机构包括位于内部的方形结构刚性联接内平台和位于外部的框型结构刚性联接外平台，刚性联接内平台和刚性联接外平台之间通过柔性铰链单元连接；柔性铰链单元采用直梁形柔性铰链的平行组合形式进行机构布置，对称分布。丝杠螺母座与刚性联接内平台连接，刚性联接外平台与工作台连接。采用柔性铰链弹性机构能够有效降低因滚珠丝杠弯曲对工作台运动直线度的影响，实现超低速平稳直线运动，满足金刚石飞切机床加工光学零件的要求。

说明书

技术领域

本发明属于滚珠丝杠直线进给装置技术领域，特别涉及一种超精密低速滚 珠丝杠直线进给装置。

背景技术

超精密加工技术作为现代高科技发展的重要支撑，是衡量一个国家科技水 平的重要标志，在IC制造、航天航空与核武器制造等领域发挥着极为重要的 作用。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速 发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、 曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。

金刚石飞切机床是加工光学零件的重要装备，其在加工面形精度及表面粗 糙度要求很高的零件时(如KDP晶体)，需要直线进给装置不仅定位精度高， 而且在大行程微动运行过程中速度稳定。然而切削实验表明，由于速度的波动 导致了面形精度较低，导致该问题的主要原因是直线进给装置的结构设计未能 满足设计要求。在超精密加工机床中，直线进给装置对机床的最终加工精度起 着决定性的影响，高精度高可靠性的直线进给装置一直是超精密机床的一个研 究重点。因此，必须对超精密低速直线进给装置进行合理设计，保证良好的低 速运行平稳性，最终保证机床的加工精度。

目前，超精密机床使用的直线进给装置主要有直线电机驱动和滚珠丝杠传 动。直线电机具有结构简单、动态性能高的优点，在国内工业中已广泛应用， 但在低速进给传动中的应用还不太普遍，在此环境下，主要采用永磁式直线电 机，但其存在着磁场强、退磁、装配和拆卸不方便、直接驱动易引入振动而使 装置的稳定性和动态性能变差等不足，降低了直线进给装置的低速平稳性。在 采用滚珠丝杠的直线进给装置中，由于配有精密在线检测装置作为进给量的检 测和反馈，很大程度上可消除了丝杠的积累误差；在采用C0级滚珠丝杠的闭 环控制装置中，可以实现10nm的定位精度。利用滚珠丝杠的微小弹性变形 原理，能够实现纳米分辨率的进给，可以满足大多数超精密加工的需要。

综合考虑直线电机驱动和滚珠丝杠驱动形式的直线进给装置的特点，拟选 用滚珠丝杠形式的直线进给装置作为微动特性研究的载体，设计滚珠丝杠驱动 的直线进给装置。合理的超精密低速直线进给装置不仅可以解决单点金刚石飞 切机床在动态精度保证方面所存在的问题，相应的理论研究方法和技术手段可 以为更高性能的超精密机床的研发提供基础，为形成超精密机床核心单元的动 态性能分析、优化、设计的装置性方法提供可能。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装 置。

一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置，包括导轨基座1，导轨基座1上 设有导轨，工作台18架设在导轨上；导轨基座1的中部固定有滚珠丝杠6， 所述滚珠丝杠6的固定端通过联轴器9与伺服电机10连接，浮动端通过支撑 单元进行支撑；滚珠丝杠6上安装有丝杠螺母13，所述丝杠螺母13与工作台 18连接；其中，

导轨基座1为U型，其一侧的上部由下至上依次设有第一侧面导轨2和 第一上侧导轨4，另一侧的上部由下至上依次设有第二侧面导轨3和第二上侧 导轨5，且导轨基座1的左右两侧相互平行、等高，第一侧面导轨2和第二侧 面导轨3相互平行、等高，第一上侧导轨4和第二上侧导轨5相互平行、等高； 导轨基座1、第一侧面导轨2和第一上侧导轨4在一侧形成U型导轨槽，导轨 基座1、第二侧面导轨3和第二上侧导轨5在另一侧形成U型导轨槽，工作台 18的两侧嵌入两个U型导轨槽内，从而将工作台18架设在各导轨上；

滚珠丝杠6与各导轨平行，其上安装有丝杠螺母13，所述丝杠螺母13上 固定套装有丝杠螺母座14，丝杠螺母座14通过柔性铰链弹性联接机构16与 工作台18连接；

所述柔性铰链弹性联接机构16包括位于内部的方形结构刚性联接内平台 19和位于外部的框型结构刚性联接外平台20，所述刚性联接内平台19和刚性 联接外平台20之间通过柔性铰链单元连接；丝杠螺母座14与刚性联接内平台 19连接，刚性联接外平台20与工作台18连接，从而实现丝杠螺母13与工作 台18之间的连接。

所述刚性联接内平台19的右侧和刚性联接外平台20的右侧之间通过第一 柔性铰链单元和第二柔性铰链单元连接；所述刚性联接内平台19的下侧和刚 性联接外平台20的下侧之间通过第三柔性铰链单元和第四柔性铰链单元连 接；所述刚性联接内平台19的左侧和刚性联接外平台20的左侧之间通过第五 柔性铰链单元和第六柔性铰链单元连接；所述刚性联接内平台19的上侧和刚 性联接外平台20的上侧之间通过第七柔性铰链单元和第八柔性铰链单元连 接；这些柔性铰链单元关于刚性联接内平台19的横轴成上下对称分布，并关 于刚性联接内平台19的纵轴成左右对称分布。

所述第一柔性铰链单元、第二柔性铰链单元、第三柔性铰链单元、第四柔 性铰链单元、第五柔性铰链单元、第六柔性铰链单元、第七柔性铰链单元和第 八柔性铰链单元分别由2～3个平行分布的直梁型柔性铰链组成。

所述第一柔性铰链单元、第二柔性铰链单元、第五柔性铰链单元和第六柔 性铰链单元的柔性铰链尺寸相同且平行分布；所述第三柔性铰链单元、第四柔 性铰链单元、第七柔性铰链单元和第八柔性铰链单元的柔性铰链尺寸相同且平 行分布；且第一柔性铰链单元、第二柔性铰链单元、第五柔性铰链单元和第六 柔性铰链单元的柔性铰链的尺寸略大于第三柔性铰链单元、第四柔性铰链单 元、第七柔性铰链单元和第八柔性铰链单元的柔性铰链的尺寸。

所述柔性铰链弹性联接机构16采用航空铝材一体加工成型。

各导轨均为气浮导轨，能够减小工作台18移动过程中的摩擦和波动。

导轨基座1、侧面导轨、上侧导轨和工作台18均采用大理石材料。

所述滚珠丝杠6的固定端通过丝杠固定端支撑座8进行支撑，并伸出丝杠 固定端支撑座8与伺服电机10连接；浮动端通过丝杠浮动端支撑座7进行支 撑；其中，丝杠浮动端支撑座7通过支座支撑板11固定在导轨基座1的一端， 伺服电机10通过电机支撑座12固定在导轨基座1的另一端，丝杠固定端支撑 座8固定在导轨基座1上，位于伺服电机10内侧。

所述丝杠螺母座14通过螺母联接板15与刚性联接内平台19连接，刚性 联接外平台20通过工作台联接板17与工作台18连接。

上述一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置的工作方法为，伺服电机10 驱动滚珠丝杠6转动，带动丝杠螺母13运动，丝杠螺母13通过柔性铰链弹性 机构16带动工作台18沿着各导轨低速平稳运动；

伺服电机10驱动工作台18平动过程中，丝杠螺母13带动柔性铰链弹性 机构16内部的的刚性联接内平台19移动，刚性联接内平台19通过各柔性铰 链单元带动刚性联接外平台20移动，从而由柔性铰链弹性机构16带动工作台 18低速平稳运动；采用柔性铰链弹性机构16能够有效降低因滚珠丝杠6弯曲 对工作台18运动直线度的影响。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置，可以实现超低 速平稳直线运动，能够满足金刚石飞切机床加工光学零件的要求，适合加工面 型精度和表面粗糙度要求很高的KDP晶体；

2.本发明所述的超精密气浮直线进给装置，采用气浮导轨进行支撑，工 作台与侧面导轨、上侧导轨之间通过合理布置气孔的位置，设计气孔的大小， 能够减小工作台移动过程中的摩擦和波动，为工作台的低速平稳运动提供了稳 定支撑；

3.本发明所述的超精密气浮直线进给装置，采用柔性铰链弹性联接机构 连接滚珠丝杠螺母副与工作台。柔性铰链弹性联接机构的内部框架部分与丝杠 螺母副连接，外部框架部分和工作台连接，可以有效降低滚珠丝杠弯曲对工作 台运动直线度的影响。

4.本发明所述的柔性铰链弹性联接机构，以直梁型柔性铰链单元为基础， 采用直梁形柔性铰链的平行组合形式进行机构布置，对称分布。该弹性机构简 单紧凑，可以采用线切割或铣削的方法一次性加工完成，能够省去装配中可能 存在的问题，无摩擦，无间隙，免于润滑。

附图说明

图1为一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置示意图；

图2为柔性铰链弹性联接机构示意图。

标号说明：1-导轨基座，2-第一侧面导轨，3-第二侧面导轨，4-第一上侧 导轨，5-第二上侧导轨，6-滚珠丝杠，7-丝杠浮动端支撑座，8-丝杠固定端支 撑座，9-联轴器，10-伺服电机，11-支座支撑板，12-电机支撑座，13-丝杠螺 母，14-丝杠螺母座，15-螺母联接板，16-柔性铰链弹性联接机构，17-工作台 联接板，18-工作台，19-刚性联接内平台，20-刚性联接外平台，21-第一柔性 铰链，22-第二柔性铰链，23-第三柔性铰链，24-第四柔性铰链，25-第五柔性 铰链，26-第六柔性铰链，27-第七柔性铰链，28-第八柔性铰链，29-第九柔性 铰链，30-第十柔性铰链，31-第十一柔性铰链，32-第十二柔性铰链，33-第十 三柔性铰链，34-第十四柔性铰链，35-第十五柔性铰链，36-第十六柔性铰链。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下 述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，超精密低速滚珠丝杠直线进给装置的结构是：导轨基座1 为U型，其一侧的上部由下至上依次设有第一侧面导轨2和第一上侧导轨4， 另一侧的上部由下至上依次设有第二侧面导轨3和第二上侧导轨5，且导轨基 座1的左右两侧相互平行、等高，第一侧面导轨2和第二侧面导轨3相互平行、 等高，第一上侧导轨4和第二上侧导轨5相互平行、等高。导轨基座1、第一 侧面导轨2和第一上侧导轨4在一侧形成U型导轨槽，导轨基座1、第二侧面 导轨3和第二上侧导轨5在另一侧形成U型导轨槽，工作台18的两侧嵌入两 个U型导轨槽内，从而将工作台18架设在各导轨上。各导轨均为气浮导轨， 通过合理布置各气浮导轨上气孔的位置，设计气孔的大小，控制气流的压力， 能够减小工作台18移动过程中的摩擦和波动，实现工作台18的超低速平稳运 动。其中，导轨基座1、侧面导轨、上侧导轨和工作台18均采用大理石材料。

在导轨基座1的中部固定有滚珠丝杠6，其与各气浮导轨平行。所述滚珠 丝杠6的固定端通过丝杠固定端支撑座8进行支撑，并伸出丝杠固定端支撑座 8通过联轴器9与伺服电机10连接；浮动端通过丝杠浮动端支撑座7进行支 撑；其中，丝杠浮动端支撑座7通过支座支撑板11固定在导轨基座1的一端， 伺服电机10通过电机支撑座12固定在导轨基座1的另一端，丝杠固定端支撑 座8固定在导轨基座1上，位于伺服电机10内侧。滚珠丝杠6上安装有丝杠 螺母13，所述丝杠螺母13上固定套装有丝杠螺母座14，丝杠螺母座14通过 柔性铰链弹性联接机构16与工作台18固定连接。

所述柔性铰链弹性联接机构16采用航空铝材一体加工成型，如图2所示， 其包括位于内部的方形结构(本实施例中为40mm*40mm)刚性联接内平台 19和位于外部的框型结构刚性联接外平台20；所述刚性联接内平台19的右侧 和刚性联接外平台20的右侧之间通过第一柔性铰链单元和第二柔性铰链单元 连接；所述刚性联接内平台19的下侧和刚性联接外平台20的下侧之间通过第 三柔性铰链单元和第四柔性铰链单元连接；所述刚性联接内平台19的左侧和 刚性联接外平台20的左侧之间通过第五柔性铰链单元和第六柔性铰链单元连 接；所述刚性联接内平台19的上侧和刚性联接外平台20的上侧之间通过第七 柔性铰链单元和第八柔性铰链单元连接；这些柔性铰链单元关于刚性联接内平 台19的横轴成上下对称分布，并关于刚性联接内平台19的纵轴成成左右对称 分布。丝杠螺母座14通过螺母联接板15与刚性联接内平台19连接，刚性联 接外平台20通过工作台联接板17与工作台18固定连接，从而间接实现丝杠 螺母13与工作台18之间的连接。

如图2所示，所述第一柔性铰链单元由第一柔性铰链21和第二柔性铰链 22组成；第二柔性铰链单元由第三柔性铰链23和第四柔性铰链24组成；第 三柔性铰链单元由第五柔性铰链25和第六柔性铰链26组成；第四柔性铰链单 元由第七柔性铰链27和第八柔性铰链28组成；第五柔性铰链单元由第九柔性 铰链29和第十柔性铰链30组成；第六柔性铰链单元由第十一柔性铰链31和 第十二柔性铰链32组成；第七柔性铰链单元由第十三柔性铰链33和第十四柔 性铰链34组成；第八柔性铰链单元由第十五柔性铰链35和第十六柔性铰链 36组成。所述第一柔性铰链21、第二柔性铰链22、第三柔性铰链23、第四柔 性铰链24、第九柔性铰链29、第十柔性铰链30、第十一柔性铰链31和第十 二柔性铰链32的尺寸相同且平行分布，优化的尺寸参数为：长度L₁＝28mm， 厚度t₁＝3.1mm，以及它们中属于同一柔性铰链单元的两个柔性铰链的间距 d₁＝11.56mm；所述第五柔性铰链25、第六柔性铰链26、第七柔性铰链27、 第八柔性铰链28、第十三柔性铰链33、第十四柔性铰链34、第十五柔性铰链 35和第十六柔性铰链36的尺寸相同且平行分布，优化的尺寸参数为：长度 L₂＝25.2mm，厚度t₂＝2.53mm，以及它们中属于同一柔性铰链单元的两个柔 性铰链的间距d₂＝11.2mm。为了便于加工，尽可能使小数位为0或5，柔性铰 链的尺寸参数最终确定为：L₁＝28mm，L₂＝25mm，t₁＝3mm，t₂＝2.5mm，d₁＝11.5 mm，d₂＝11mm。柔性铰链弹性机构16满足两轴解耦率小于1％。

本发明所述一种超精密低速滚珠丝杠直线进给装置能够为切削光学零件 提供超低速平稳直线进给运动，直线进给速度为0.3mm/min，具体的工作过 程如下：

伺服电机10驱动滚珠丝杠6转动，带动丝杠螺母13运动，丝杠螺母13 通过柔性铰链弹性机构16带动工作台18沿着各气浮导轨低速平稳运动。通过 合理布置各导轨上气孔的位置，设计气孔的大小，控制气流的压力，能够减小 工作台18移动过程中的摩擦和波动，实现工作台18的超低速平稳运动。

伺服电机10驱动工作台18平动过程中，丝杠螺母13带动柔性铰链弹性 机构16内部的刚性联接内平台19移动，刚性联接内平台19通过各柔性铰链 带动刚性联接外平台20移动，从而由柔性铰链弹性机构16带动工作台18低 速平稳运动。采用柔性铰链弹性机构16能够有效降低因滚珠丝杠6弯曲对工 作台18运动直线度的影响，实现超低速平稳直线运动，满足金刚石飞切机床 加工光学零件的要求。