1. 开发背景

近年来，随着科技水平的不断进步和发展，如图1所示自由曲面棱镜、微透镜阵列和菲涅尔透镜等各种具有复杂微结构和自由曲面的光学元件，在光学工程、生物医学、航空航天、新能源和传感技术等诸多领域中的实际应用极为广泛，但这些领域所要求的加工精度和质量则越来越苛刻，结构几何特征也越来越复杂。同时，大多数光学元件或其注塑模具普遍采用各种机械加工性能比较差的难加工材料进行制备。尽管光学玻璃和碳化硅陶瓷等难加工材料具有较传统材料更加优异的性能，但是在其切削加工过程中会产生诸如刀具磨损和断裂破坏等加工缺陷，造成加工精度和表面质量的急剧恶化，进而制约了它们在光学元件精密制造中的应用拓展。基于此，如飞切加工、振动辅助加工、慢速刀具伺服、快速刀具伺服等基于金刚石刀具的超精密/精密机械加工技术被开发出来。其中，基于金刚石刀具的快速刀具伺服切削技术在切削加工上述难加工材料的过程中具有诸多传统机械加工方法难以比拟的优点，如成本低、效率高和精度高等，从而使得该技术在光学元件及其模具的精密制造中具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

图1 微纳结构表面应用

因此，本作品开发一种基于压电驱动的可转位伺服刀具多维调制切削装置，用于解决以上难题，推动我国快速刀具伺服装置的应用和发展，进一步提高我国针对难加工材料的加工能力。

2. 结构说明

基于压电驱动的可转位伺服刀具多维调制切削装置如图2(a)所示。金刚石刀具固定在柔性机构末端执行器的刀架上。柔性机构与基座、盖板通过螺钉连接。将传感器探头和压电驱动器集成到结构中，实现微纳运动驱动和实时位置测量。基座通过螺丝与精密转台连接。精密转台的旋转轴与底座旋转轴重合。因此，在不改变刀尖位置的情况下，可以通过调整精密转台的旋转角度来改变前刀面角度。然后可以得到斜角加工或正交加工。精密转台可通过固定底座固定在车床主轴或滑动导轨上。

图2 (a)基于压电驱动的可转位伺服刀具多维调制切削装置构型;

(b)柔性机构的整体构型

通过所期望的功能，综合考虑行程、带宽、刚度及解耦性，确定装置中核心部件—柔性机构的整体构型如图2(b)所示。

3. 功能与使用说明

3.1    功能

1）可作为配套装备装配于超精密车床、加工中心及工业机器人等加工设备上，适用于不同结构零部件的超精密加工；

2）制备典型分级微纳结构表面，并可对表面润湿性进行调控，制备功能表面；

3）制备基于自由曲面的微纳结构织构曲面；

4）实现刀尖处所调制轨迹空间内可调，同时可实现正交和斜角切削的变换。

3.2 使用说明

将本发明作品通过固定底座或精密转台装配于超精密车床、多轴精密伺服运动平台等加工设备。通过对压电驱动器的输入信号进行调制，可调控出刀尖处的空间三维运动轨迹。通过控制器对刀具的微纳尺度运动轨迹调制配合机床的大尺度运动，可实现跨尺度分级结构的制备及复杂自由曲面的加工。

本发明作品操作简单，仅需通过控制器对输入信号的波形、相位角等进行简单调制，便可在刀尖位置合成出复杂的空间运动轨迹，其实时运动轨迹可由装配于内部的位移传感器测得并通过采集卡收集。配合手动或自动调节精密转台，可以在空间中无限制地调整刀尖处的轨迹，方便地进行斜角加工或正交加工，提高加工柔性。