超精密快刀伺服加工复杂光学面形的技术研究

　　1 引 言

　　复杂面形光学元件具有体积小、质量轻等优点，并且能实现阵列、集成、成像和波面转换等功能，由于这些特点，使得复杂面形光学元件在军事和民用领域的应用越来越广泛。目前，这类元件的加工方法主要包括激光束直写、电子束直写、蚀刻、LIGA 等，但这些方法一般对材料和设备要求高、加工精度的一致性较差、工艺可控性不好[1，2]。

　　超精密快刀伺服加工技术是通过驱动金刚石刀具产生高频响、小范围的快速精密进刀运动，并配合高精度的主轴回转和径向进给运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。这种加工方法具有高频响、高刚度、高定位精度等特点，可以重复加工出具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得很高的尺寸精度、形状精度和很低的表面粗糙度，能够实现复杂光学面形的高效高精度加工。

　　目前，国外已有数家机构在进行超精密快刀伺服加工技术的研究，并且取得了较多的成果;而国内的技术很不成熟，无法实现复杂光学表面的高精度加工。本文研究了以压电陶瓷作为驱动元件的快刀伺服系统的工艺特点和传递函数模型，并进行了典型复杂面形零件的加工试验，对加工结果进行了测试和分析。

　　2 超精密快刀伺服系统设计

　　如图 1 所示，典型的快刀伺服系统由精密车床、控制系统以及快速进刀装置三大模块构成，其中控制系统和快速进刀装置是快刀伺服加工特有的功能模块，两者性能的好坏直接影响到工件的加工质量[3]。接下来根据压电陶瓷的特点，进行快刀伺服加工的控制结构设计和驱动性能分析，在此基础上完成快速进刀装置的设计与研制。

　　2.1 快刀伺服加工的控制结构设计

　　快刀伺服加工要求在准确采集机床角度、位置信号的基础上，通过运动控制来实现金刚石刀具跟踪工件面形的起伏变化。为了实现 Z 向进刀量的快速精确输出，必须设计一套满足加工实时性要求的控制系统。

　　由于压电陶瓷具有响应速度快、运动质量小和动刚度大等特点，我们将其作为快刀伺服系统的驱动元件。但压电陶瓷本身存在迟滞及蠕变等非线性因素，这就要求控制系统除了必须具备足够的频响外还需要足够的驱动精度[4]。此外，压电陶瓷还需要高压或高电流的驱动电源，这增加了高精度驱动控制的难度。

　　针对压电陶瓷驱动快刀伺服系统的上述特点，结合机械结构需要，我们设计了柔性铰链作为压电陶瓷的保护及位移输出机构，系统总体的控制框架如图 2 所示。高压电源在控制信号的作用下输出驱动电压，使压电陶瓷带动柔性刀架做快速运动，实现刀具对工件面形的精确跟踪。