微纳加工的二轴快刀伺服器拓朴结构优化设计*

周欢伟，邱玉良，陈新度

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随着对光学微结构的要求提高，其自由曲面的加工精度显得越来越重要。快刀伺服器作为宏微复合平台中超精密加工微动平台，主要用于光学微结构模具的微阵列自由曲面结构有其特定的效果。但是，压电陶瓷的频率越高，在相同电压驱动下，产生变形量越小，使快刀伺服器加工效率较为低下。为了解决这类矛盾，国内外研究者提出设计放大位移机构的策略，如Scott-Russell机构、杠杆式放大机构、压曲放大机构等。Niezrecki，C.等人[1]在1996年根据三角能放大位移的特点，设计了一种压曲放大式的柔性铰链，其能放大压电陶瓷产生的微位移，并且近年来，此机构已经被大量运用[2]。沈剑英等[3]在2013年利用杠杆原理，设计出了一种杠杆式柔性铰链机构，将其运用到实验后，获得了机构误差为1.3%的精密放大位移机构。上述快刀伺服器大都是一维快刀伺服器，只能做1个自由度的匀速进给运动，二维快刀伺服器是通过2轴实现二维自由度运动，其具有以下优势：（1）由于具有二轴同时运动的能力，在机床X向与Z方向上，利用二轴自由度的灵活性，获得FTS在高频运动时使刀尖点能根据微结构的自由曲面形状有效补偿加工，获得超精密的自由曲面微结构；（2）二轴快刀伺服器能改变传统一轴快刀伺服器的驱动方式，由于增加了主运动，其静力学模型和动力学模型发生明显的改变，利用二轴控制灵活的特点，能实现快刀伺服器在加工过程时的闭环控制，进一步提高超精密加工的质量。……