CN100586656C - 用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，它包括机床、磁流变抛光装置以及与分别以上各组件相连的控制系统，所述机床包括水平基座和竖直基座，X轴直线运动机构和Y轴直线运动机构呈“十”字交叉状布置于水平基座上，X轴直线运动机构固定于Y轴直线运动机构的滑块上，Z轴直线运动机构布置于竖直基座上，用来安装磁流变抛光装置的C轴旋转工作台固定于X轴直线运动机构的滑块上，用来安装工件夹具的B轴旋转工作台固定于Z轴直线运动机构的滑块上，用来带动待加工工件转动的A轴旋转工作台装设于工件夹具的尾端，磁流变抛光装置与待加工工件水平相对。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、控制简单等优点、能够实现高陡度光学零件的加工。

Description

用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置

技术领域

本发明主要涉及到磁流变抛光的技术领域，特指一种用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置。

背景技术

高陡度光学零件的确定性抛光是光学零件加工领域中的一个关键性技术难题。高陡度光学零件主要应用于航空器的窗口，热像仪的透镜、窗口，先进武器装备光电系统的窗口和导弹整流罩等，通过高陡度零件代替原先使用的平面和半球面零件，从而使飞行器具有良好的空气动力学特性。实现高陡度光学零件确定性抛光的关键要求为：抛光装置的加工范围覆盖高陡度光学零件的整个加工表面；在曲率半径变化大的高陡度零件表面实现确定性的抛光去除模型。传统的光学抛光技术已经无法实现高陡度光学零件的确定性抛光。

磁流变抛光技术就是将电磁学、流体动力学、分析化学理论相结合提出的一种新型的光学零件加工方法，它利用磁流变抛光液在磁场中的固液相相互转化的特性，通过控制外磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制，创造一个能够与被加工光学表面相吻合的“柔性抛光模”，实现对光学玻璃等硬脆材料的研磨、抛光修形加工。相对传统抛光加工方法而言，这种技术具有抛光效率高、去除函数稳定、边缘效应小等显著的优点。国内现有的研究基本上还处于实验室阶段，哈尔滨工业大学、清华大学等对光学玻璃磁流变抛光技术进行了一些基本的研究，建立了一些基础的研究设备。如图1、2、3所示为国内现有的研究所建立的一些磁流变抛光装置的示意图，哈工大先后采用了图1和图2所示的加工方式，由于该专利的所形成的磁流变抛光斑点比较大，当高陡度零件的曲率半径变化时，其去除模型也相应的变化，难以实现磁流变确定性抛光，因此不适合高陡度零件的加工；中国专利号：03153996.3，发明名称：电磁方式磁流变抛光头，就是清华大学开发的如图3所示的公自转的抛光轮装置。由于在该装置中，抛光轮自转的同时又公转，从而形成大的高斯形去除函数，在高陡度零件的曲率半径变化剧烈，该装置难以形成稳定的去除函数，因此该系统不适应高陡度光学零件的加工。中国专利申请号：200610043079.1，发明名称：磁流变柔性精磨抛光设备和方法，该发明也不能解决高陡度光学零件加工的难题。从上述公开的专利可得：当前磁流变抛光装置基本只针对平面或小曲率半径的球面和非球面，还没有能实现高陡度光学零件的磁流变确定性抛光，要实现必须解决以下技术问题：

1、设计磁流变抛光装置中的运动装置结构，使抛光头沿着零件高陡度的曲面加工时，始终垂直于轮廓曲线，实现确定性抛光。

2、高陡度零件曲率半径变化剧烈，要实现确定性抛光，必须设计满足高陡度曲率变化的新型磁流变抛光装置。

3、规划高陡度光学零件的加工轨迹，合理布置抛光头与工件的相对位置，使加工过程中磁流变循环系统实现稳定的磁流变抛光液循环。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、适用范围广、能够实现高陡度光学零件加工的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：它包括机床、磁流变抛光系统以及分别与以上各组件相连的控制系统，所述机床包括水平基座和竖直基座，X轴直线运动机构和Y轴直线运动机构呈“十”字交叉状布置于水平基座上，X轴直线运动机构固定于Y轴直线运动机构的滑块上，Z轴直线运动机构布置于竖直基座上，用来安装磁流变抛光系统的C轴旋转工作台固定于X轴直线运动机构的滑块上，用来安装工件夹具的B轴旋转工作台固定于Z轴直线运动机构的滑块上，用来带动待加工工件转动的A轴旋转工作台装设于工件夹具的尾端，磁流变抛光系统与待加工工件水平相对；所述磁流变抛光系统包括磁流变抛光液循环系统以及固定于固定架上的抛光轮、抛光轮驱动机构和磁场发生装置，抛光轮与抛光轮驱动机构相连；所述磁流变抛光液循环系统包括喷嘴、回收器、储液罐、输出泵、加水泵、回收泵、计算机以及用来控制输出泵的调节器，喷嘴和回收器分别位于抛光轮的两侧，喷嘴通过输出管路和输出泵与储液罐相连组成抛光液输出回路，回收器通过回收泵和回收管路与储液罐相连组成抛光液回收回路，加水泵与储液罐相连组成粘度调节回路；所述抛光液输出回路的输出管路上装设有流量计和粘度计，输出泵、加水泵、流量计和粘度计均与控制系统相连。

所述抛光轮驱动机构包括抛光轮驱动电机、抛光轮减速机以及传动机构，所述抛光轮驱动电机通过抛光轮减速机和传动机构与抛光轮的转轴相连。

所述抛光轮的直径为50mm～100mm。

所述磁流变抛光系统通过U形支撑架固定于C轴旋转工作台上，磁流变抛光系统呈水平布置。

所述工件夹具为真空吸盘。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、适用范围广、能够实现高陡度光学零件加工；

2、本发明用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，采用口径为50mm～100mm的小口径新型抛光头，在高陡度零件表面曲率半径变化大的情况下，能实现去除模型不变的确定性磁流变抛光；

3、本发明用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其运动机构为六个自由度，实现了高陡度零件范围广、陡度深的加工范围；

4、本发明用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，磁流变抛光系统水平放置，解决了高陡度零件抛光时，机床运动对磁流变循环系统的影响，实现了稳定的磁流变抛光液控制；

5、本发明的磁流变抛光液循环控制系统能够提供成份、粘度、流量、温度等各项性质长时间稳定的磁流变抛光液，为光学零件长时间加工提供了前提；

6、本发明的机床运动机构为六个自由度，对口径为50mm～200mm复杂曲面光学零件加工具有很强的适应性。

附图说明

图1是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图一；

图2是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图二；

图3是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图三；

图4是本发明的整体结构示意图；

图5是本发明机床运动装置上自由度的示意图；

图6是本发明中U型支撑架的结构示意图；

图7是本发明中X轴向直线运动机构的结构示意图；

图8是本发明中磁流变抛光装置的结构示意图；

图9是本发明中磁流变循环系统的框架结构示意图；

图10是本发明中磁流变抛光系统磁场强度示意图；

图11是本发明用PG-5型特斯拉计实测磁场强度大小的示意图；

图12是具体应用实例中高陡度光学零件的加工轨迹起始位置示意图；

图13是具体应用实例中高陡度光学零件的加工轨迹中间位置示意图；

图14是具体应用实例中高陡度光学零件的加工轨迹结束位置示意图。

图例说明

1、机床

101、床身                        102、X轴向直线运动机构

103、Y轴向直线运动机构           104、Z轴向直线运动机构

105、A轴旋转工作台               106、B轴旋转工作台

107、C轴旋转工作台               108、U型支撑架

109、工件夹具                    110、数控系统

2、抛光装置                      201、抛光轮

2021、左磁头                     2022、左磁头

2031、左磁臂                     2032、右磁臂

204、喷嘴                        205、回收器

206、线圈                        207、水箱

208、抛光轮减速器                209、抛光轮驱动电机

210、固定架                      211、调节器

213、输出泵                      214、流量计

215、储液罐                      216、回收泵

217、粘度计                      218、加水泵

219、计算机                      3、待加工工件

现有技术中(即图1、图2和图3中)

401、磁场发生装置                402、工件

403、旋转轴                      404、抛光盘

405、磁流变抛光液                501、磁场发生装置

502、工件                        503、旋转轴

504、抛光轮                      505、磁流变抛光液

506、输出泵                      601、磁性抛光轮

602、磁铁                        603、隔磁板

604、磁砸                                605、自转轴

606、公转轴

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图4所示，本发明用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，它包括机床1、磁流变抛光系统2以及分别与以上各组件相连的控制系统，机床1的床身101呈“L”形，其包括水平基座和竖直基座，X轴直线运动机构102和Y轴直线运动机构103呈“十”字交叉状布置于水平基座上，X轴直线运动机构102固定于Y轴直线运动机构103的滑块上，Z轴直线运动机构104布置于竖直基座上，用来安装磁流变抛光系统2的C轴旋转工作台107固定于X轴直线运动机构102的滑块上，用来安装工件夹具109的B轴旋转工作台106固定于Z轴直线运动机构104的滑块上，用来带动待加工工件3转动的A轴旋转工作台105装设于工件夹具109的尾端，磁流变抛光系统2与待加工工件3水平相对。本实施例中，X轴向直线运动机构102、Y轴向直线运动机构103、Z轴向直线运动机构104均采用相同的结构，以X轴向直线运动机构102为例，参见图7所示，其包括驱动电机1021、电机固定座1022、联轴器1023、丝杠1024以及套设于丝杆1024上并可沿着丝杆1024运动的滑块，驱动电机1021通过联轴器1023带动丝杠1024，驱动与丝杠1024相连的滑块运动。驱动电机1021通过丝杠1024和滑块传递带动固定其上的C轴旋转工作台107作直线运动。B旋转工作台105和C旋转工作台107由转台和驱动电机组成，A旋转工作台106由力矩电机、轴、轴套组成，其原理相同。各直线运动机构和旋转工作台与控系统110相连。参见图5所示，采用上述结构后，本发明的运动机构为六个自由度，实现了高陡度零件范围广、陡度深的加工范围。在本实施例中，工件夹具109采用真空吸盘，安装于A旋转工作台105上，待加工工件3吸附于上。参见图4和图6所示，磁流变抛光系统2通过U形支撑架208固定于C轴旋转工作台107上，磁流变抛光系统2呈水平布置。

参见图4、图8和图9所示，本实施例中，磁流变抛光系统2包括磁流变抛光液循环系统以及固定于固定架210上的抛光轮201、抛光轮驱动机构和磁场发生装置，抛光轮201与抛光轮驱动机构相连。抛光轮201采用不锈钢材料制作，其外表面是球形表面，可以加工高陡度的非球面光学零件，本实施例中为了满足加工高陡度工件的要求，抛光轮201的直径为50mm-100mm。抛光轮驱动机构包括抛光轮驱动电机209、抛光轮减速机208以及传动机构，抛光轮驱动电机209通过抛光轮减速机208和传动机构与抛光轮201的转轴相连，带动抛光轮201转动。磁场发生装置用螺钉固定在U型支撑架108上，磁场发生装置由左磁头2021、右磁头2022、左磁臂2031、右磁臂2032、线圈206和挡板207组成，线圈206传绕在左磁臂2031和右磁臂2032上，磁力线通过左磁臂2031、右磁臂2032、左磁头2021、右磁头2022在抛光轮201表面形成磁流变抛光所需的磁场。参见图10所示，是用ANSYS软件仿真出的在加工区域的磁力线分布图，根据磁流变抛光的原理，磁场发生装置在抛光区域产生的磁场的磁力线分布是由一个磁极发散，向另一个磁极汇聚的“鼓包”形状，从而使得磁流变抛光液受到磁场作用后，变硬形成于类似的“鼓包”形状对工件进行加工。从图中可以看出，所设计的磁场发生装置产生的磁场在两个磁极之间形成一个“鼓包”形，可以满足磁流变抛光的要求。参见图11所示，是用PG-5型特斯拉计在加工区域的抛光轮外表面测得的磁场强度。纵坐标为磁感应强度，单位是特斯拉，横坐标是位置Z，单位是毫米。Z方向的磁场为BZ，X方向的磁场为BX，Y方向的磁场为BY，可以看到BZ随着Z的变化是一个由小变大又由大变小的鼓包形，而BY沿Z向的变化关于BZ的最高点对称，BX基本上为零。通过对BX，BY，BZ的合成，可以得到抛光区域是在Z向上关于磁极对称的鼓包形，符合磁流变抛光的要求。磁流变抛光系统的磁流变抛光液循环控制系统通过管路相连的喷嘴201、回收器205、储液罐215、输出泵213、加水泵217、回收泵216组成，喷嘴201和回收器205分别位于抛光轮201的一侧，喷嘴201通过输出管路和输出泵213与储液罐215相连组成抛光液输出回路，回收器205通过回收泵216和回收管路与储液罐215相连组成抛光液回收回路，加水泵2175与储液罐215相连组成粘度调节回路；抛光液输出回路的输出管路上装设有流量计214和粘度计217，输出泵213、加水泵217、流量计214和粘度计217均与控制系统相连。输出泵213将储液罐215中的磁流变抛光液泵出，经输出管路，通过喷嘴201将其喷射到抛光轮的外表面。抛光轮201旋转将磁流变抛光液带入加工区域进行加工，回收器205将离开加工区域的抛光液回收，由回收泵216经回收管路将其泵回储液罐215。在整个循环过程中，控制系统中的计算机219将处于循环通道中的流量计214和粘度计217测得的信号采回，经控制软件处理后，控制加水泵217对流量和粘度进行控制。同时在储液罐215中通有冷却水把磁流变抛光液的温度控制在允许的范围内，见图8和图9。

如图12、图13、图14所示为高陡度光学零件磁流变抛光装置在具体应用实例中的加工轨迹示意图，通过50mm口径的小口径磁流变抛光头对高陡度光学零件的表面进行抛光，由于形成的抛光去除区域非常小，零件表面的曲率变化不会形成对去除区域的变化，图12为加工起始位置，图13为加工中间位置，图14为加工结束位置。

Claims (6)

1、一种用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：它包括机床(1)、磁流变抛光系统(2)以及分别与以上各组件相连的控制系统，所述机床(1)包括水平基座和竖直基座，X轴直线运动机构(102)和Y轴直线运动机构(103)呈“十”字交叉状布置于水平基座上，X轴直线运动机构(102)固定于Y轴直线运动机构(103)的滑块上，Z轴直线运动机构(104)布置于竖直基座上，用来安装磁流变抛光系统(2)的C轴旋转工作台(107)固定于X轴直线运动机构(102)的滑块上，用来安装工件夹具(109)的B轴旋转工作台(106)固定于Z轴直线运动机构(104)的滑块上，用来带动待加工工件(3)转动的A轴旋转工作台(105)装设于工件夹具(109)的尾端，磁流变抛光系统(2)与待加工工件(3)水平相对；所述磁流变抛光系统(2)包括磁流变抛光液循环系统以及固定于固定架(210)上的抛光轮(201)、抛光轮驱动机构和磁场发生装置，抛光轮(201)与抛光轮驱动机构相连；所述磁流变抛光液循环系统包括喷嘴(204)、回收器(205)、储液罐(215)、输出泵(213)、加水泵(218)、回收泵(216)、计算机(219)以及用来控制输出泵(213)的调节器(211)，喷嘴(204)和回收器(205)分别位于抛光轮(201)的两侧，喷嘴(204)通过输出管路和输出泵(213)与储液罐(215)相连组成抛光液输出回路，回收器(205)通过回收泵(216)和回收管路与储液罐(215)相连组成抛光液回收回路，加水泵(218)与储液罐(215)相连组成粘度调节回路；所述抛光液输出回路的输出管路上装设有流量计(214)和粘度计(217)，输出泵(213)、加水泵(218)、流量计(214)和粘度计(217)均与控制系统相连。

2、根据权利要求1所述的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述抛光轮驱动机构包括抛光轮驱动电机(209)、抛光轮减速机(208)以及传动机构，所述抛光轮驱动电机(209)通过抛光轮减速机(208)和传动机构与抛光轮(201)的转轴相连。

3、根据权利要求1或2所述的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述抛光轮(201)的直径为50mm～100mm。

4、根据权利要求1或2所述的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁流变抛光系统(2)通过U形支撑架(208)固定于C轴旋转工作台(107)上，磁流变抛光系统(2)呈水平布置。

5、根据权利要求1或2所述的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述工件夹具(109)为真空吸盘。

6、根据权利要求4所述的用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述工件夹具(109)为真空吸盘。

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