CN101386146B - 一种大口径光学元件的数控抛光机械手 - Google Patents

Abstract

一种大口径光学元件的数控抛光机械手，属于光学冷加工技术领域涉及的装置。解决的技术问题是提供一种大口径光学元件的数控抛光机械手，技术方案包括基座系统、升降数控摆盘系统、第一铰链、机械和手动伸缩摆杆系统、万向机构、第二铰链、抛光头系统、摆杆支架系统、操作按钮站及电气控制系统。基座系统为机械手的基座；升降数控摆盘系统和摆杆支架系统的底部分别固定在基座顶部的偏左和偏右部位；机械和手动伸缩摆杆系统的左部通过第一铰链与升降数控摆盘系统的顶部固连，中部通过万向机构与摆杆支架系统顶部固连，右端通过第二铰链与抛光头系统固连；操作按钮站装在基座的侧面，电气控制系统安装在基座的内部，通过线缆与操作按钮站连接。

Description

一种大口径光学元件的数控抛光机械手 

技术领域

本发明属于光学冷加工技术领域中涉及的一种对大口径光学元件进行数控抛光加工的装置。 

背景技术

随着我国国防建设和航天、航空事业的迅速发展，对大口径光学元件特别是大口径非球面光学元件，提出了更高更多的应用要求，在光学技术界对大口径的概念，一般是指口径在600mm以上的光学元件，非球面光学元件的口径和相对孔径越来越大，非球面度的梯度增大，使其加工难度大大增加。目前采用的加工方式主要是传统的修带抛光法，分为粗磨、精磨、抛光三个阶段。对于非球面来说，粗磨和精磨加工是实现最接近球面的阶段；抛光阶段是实现镜面的非球面化，并最终达到所需面形的阶段。因此抛光阶段的工作量非常大，使得加工周期很长，效率较低，对于抛光过程中产生的局部误差的消除，主要是靠通过高级技师的手工修磨完成，对人的依赖性比较大。目前还没有搜索到与本发明类似的大口径光学元件数控抛光机械手的相关信息。 

发明内容

为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于研发多模式组合光学冷加工装置，用现代的机电设备实现多模式组合加工技术，对大口径光学元件进行加工。 

本发明要解决的技术问题是：提供一种大口径光学元件的数控抛光机械手。 

解决技术问题的技术方案如图1所示，包括移动基座系统1、升降数控摆盘系统2、第一铰链3、机械和手动伸缩摆杆系统4、万向机构5、第二铰链6、抛光头系统7、摆杆支架系统8、操作按钮站9及电气控制系统10。其中，所述的移动基座系统1包括螺旋千斤顶11、行轮12和基座箱体13；所述的升降数控摆盘系统2包括摆盘支座14、摆盘升降螺杆15、摆盘升降螺母16、第一旋转手柄17、蜗轮减速器18、摆盘电机19、摆盘20以及偏心轴21；所述的机械和手动伸缩摆杆系统4包括摆杆驱动电机22、轴承23、摆动套24、固定套管25、滚珠丝杠机构26、机械伸缩套管27、滑动支撑套28、手动伸缩套杆29及锁紧套30；所述的抛光头系统7包括抛光头驱动电机31、主轴套32、主轴33、高精度角接触球轴承34、燕尾槽座35、偏心轴调整螺杆36、偏心主轴37、弹簧38、滚珠花键39、配重盘40、球铰41及抛光盘42；所述的摆杆支架系统8包括支架调整螺母43、第二旋转手柄44、支架调整螺杆45以及支架座46。 

移动基座系统1为机械手的基座；升降数控摆盘系统2和摆杆支架系统8的底部分别固定在移动基座系统1顶部的偏左和偏右部位；机械和手动伸缩摆杆系统4的左部的摆动套24通过第一铰链3与升降数控摆盘系统2的偏心轴21固连，中部的滑动支撑套28通过万向机构5与摆杆支架系统8中的支架调整螺杆45的上端固连，右端的 手动伸缩套杆29通过第二铰链6与抛光头系统7中的主轴套32固连；操作按钮站9装在基座箱体13的侧面，向上伸出的高度超过基座箱体13的顶部，并能够转动一定角度，便于操作。电气控制系统10安装在基座箱体13的内部，通过线缆与操作按钮站9连接。 

所述的移动基座系统1为机械手的基座，支撑着整个机械手。四个行轮12安装在基座箱体13的底部四角的部位，与基座箱体13固连，四个螺旋千斤顶11成矩形安装在基座箱体13底部的四个行轮12的内侧，与基座箱体13固连；工作时用螺旋千斤顶11支撑，当需要移动时则将螺旋千斤顶11旋起来，通过行轮12移动。 

所述的升降数控摆盘系统2中摆盘支座14是一个中空的腔体结构，固定在基座箱体13顶部的偏左部位；摆盘升降螺母16的下表面与摆盘支座14的上表面滑动配合；摆盘升降螺母16与摆盘升降螺杆15构成丝杠-丝母结构，摆盘升降螺杆15铅垂在摆盘支座14的腔体内，通过固定在摆盘升降螺母16上的第一旋转手柄17的旋转，使摆盘升降螺母16带动摆盘升降螺杆15升降；摆盘升降螺杆15的上端与蜗轮减速器18的底部中心刚性固连；摆盘电机19的输出轴与蜗轮减速器18的输入轴刚性固连，蜗轮减速器18的输出轴通过摆盘20的中心与摆盘20刚性固连，摆盘20上通过轴孔装有偏心轴21。 

所述的机械和手动伸缩摆杆系统4中摆动套24在固定套管25的左端，套装在固定套管25上，两者固连；滑动支撑套28在固定套管25的右端套装在固定套管25上，两者滑动配合；滚珠丝杠机构26装在固定套管25内的左半部，丝杠的左端通过轴承23固定在固定套 管25内的左端，摆杆驱动电机22的输出轴与滚珠丝杠机构26的丝杠左端固连，丝杠与固定套管25轴线重合；机械伸缩套管27从固定套管25的右端装在固定套管25内，二者滑动配合；滚珠丝杠机构26中的丝母装在位于固定套管25右半部的机械伸缩套管27的左端，丝母与丝杠螺纹配合，丝母与机械伸缩套管27刚性固连；在机械伸缩套管27的右端装有锁紧套30，两者刚性固连；手动伸缩套杆29从机械伸缩套管27的右端的锁紧套30伸进机械伸缩套管27内，手动伸缩套杆29与机械伸缩套管27之间滑动间隙配合，由锁紧套30锁紧，在手动伸缩套杆29上标有刻度，便于手动调整；位于机械和手动伸缩摆杆系统4的尾部的摆动套24通过第一铰链3与升降数控摆盘系统2中的偏心轴21固定连接，机械和手动伸缩摆杆系统4中部通过万向机构5与摆杆支架系统8的支架调整螺杆45的上端固连。 

所述的抛光头系统7中的抛光头驱动电机31的输出轴与主轴33的上顶端刚性固连，主轴33的两端装有高精度角接触球轴承34，安装在主轴套32内，主轴33底端伸出主轴套32与燕尾槽座35刚性固连，燕尾槽座35随主轴转动，燕尾槽座35上的燕尾槽内装有偏心主轴37，二者滑动配合，偏心主轴37在燕尾槽部分装有偏心轴调整螺杆36，用于调整偏心量，偏心主轴37是中空件，在其内部装有弹簧38，通过弹簧38装有滚珠花键39，从而可以伸缩以适应加工过程中工件矢高的变化，滚珠花键39底端装有配重盘40，配重盘40上带有中孔，在滚珠花键39伸出配重盘40的端部装有球铰41，滚珠花键39与球铰41螺纹连接；球铰41与抛光盘42铰接，抛光过程中抛光盘42不自转。抛光头系统7通过第二铰链6与机械和手动伸缩摆杆系统4中的手动伸缩套杆29的右端固定连接。 

所述的摆杆支架系统8中的支架座46是一个中空的腔体结构，固定在基座箱体13顶部的偏右部位；支架调整螺母43装在支架座46顶端，支架调整螺母43的下表面与支架座46的上表面滑动配合，支架调整螺母43与支架调整螺杆45采用梯形螺纹连接，支架调整螺杆45的下端垂在支架座46的腔体内，通过安装在支架调整螺母43上的第二旋转手柄44转动支架调整螺母43，可使支架调整螺杆45升降；支架调整螺杆45的上端通过万向机构5与机械和手动伸缩摆杆系统4中的滑动支撑套28固连；从而对机械和手动伸缩摆杆系统4实施了支撑作用。 

工作原理说明：本发明采用极坐标控制方式，将升降数控摆盘系统2的摆动角度定为X轴，将机械和手动伸缩摆杆系统4的伸缩移动定为Y轴。 

工作时，首先根据所加工工件的高度，调整机械和手动伸缩摆杆系统4的高度和长度，通过调整升降数控摆盘系统2中的摆盘升降螺母16和摆盘升降螺杆15以及摆杆支架系统中8的支架调整螺母43和支架调整螺杆45，来调整机械和手动伸缩摆杆系统4的高度；根据所加工区域的距离，松开调整机械和手动伸缩摆杆系统4中锁紧套30，手动调整手动伸缩套杆29的伸缩量，最后锁紧锁紧套30；通过第二铰链6调整抛光头系统7的角度，使抛光盘42与所加工区域表面垂直；通过偏心轴调整螺杆36调整偏心主轴37的偏心量，达到使 用要求；同时增减配重盘40中配重盘的数量，达到要求的压力。 

上述工作完成以后，根据所加工的区域和轨迹，通过操作按钮站9编制相应的加工程序，完成加工。 

本发明的积极效果：本发明克服了传统的修带抛光方式普遍存在着抛光盘运动模式、运动轨迹单一等缺点，可以实现任意轨迹任意区域的抛光加工，而通过调整偏心主轴37的偏心量，可以改变抛光盘42的运动模式；同时抛光头系统7可以调整角度，使其始终与加工区域表面垂直，抛光盘42采用电机主动驱动，大大提高了加工效率和加工质量，将推动多模式组合加工技术向前发展。 

附图说明

图1为本发明的数控抛光机械手整机的结构示意图。 

具体实施方式

本发明按图1所示的结构实施，具体如下： 

螺旋千斤顶11自行车制，底盘直径Ф100mm，顶杆直径Ф25mm，材料均为45#钢，用螺纹与基座箱体13连接，行轮12购置，采用东莞市锦城聚氨酯脚轮制品公司PU重型刹车轮，基座箱体13采用20mm厚Q235钢板焊制。 

摆盘支座14为中空腔体，采用铸铁件；升降数控摆盘系统2中的摆盘升降螺母16和摆盘升降螺杆15二者配合螺距7mm，材料均为45#钢；蜗轮减速器18采用上海能蔚减速机有限公司RV涡轮蜗杆减速器，减速比1：50；摆盘电机19采用三洋交流伺服电机；摆盘20以及偏心轴21材料采用45#钢，偏心轴21装在摆盘20上，偏心 距为160mm，摆盘20上设置可调节行程开关，作为极限位置控制。 

机械和手动伸缩摆杆系统4中的摆杆驱动电机22采用三洋交流伺服电机；轴承23采用哈尔滨轴承集团的角接触球轴承7204AC和深沟球轴承6206E；摆动套24、滑动支撑套28和锁紧套30三者均车制，每件具体尺寸根据需要设计，材料采用45#钢；固定套管25、机械伸缩套管27及手动伸缩套杆29的规格尺寸根据需要设计，采用不锈钢材料，表面镀铬；滚珠丝杠机构26采用螺距为5，行程为350mm；手动伸缩套杆29安装在机械伸缩套管27内部，由锁紧套30锁紧，手动伸缩行程为250mm。 

抛光头驱动电机31采用三洋交流伺服电机；主轴套32、主轴33的材料采用45#钢，并调制处理，高精度角接触球轴承34采用一对哈尔滨轴承集团的角接触球轴承7206AC；偏心主轴37的偏心距由偏心轴调整螺杆36调节，偏心量为0-20mm，燕尾槽座35和偏心主轴37均采用45#钢材料热处理，偏心轴调整螺杆36螺距1.5，材料45#钢；偏心主轴37中空，滚珠花键39通过弹簧装于偏心主轴37孔中，采用弹簧结构可以使滚珠花键39伸缩，伸缩量为0-30mm，从而在加工时可以随工件矢高变化而变化；滚珠花键39下端部装有配重盘40，并通过球铰41与抛光盘42连接，配重盘40重量0.3-5kg，通过增减配重盘的数量改变抛光盘42的正压力，抛光盘42工作时不自转。 

摆杆支架系统8中的支架调整螺杆45和支架调整螺母43为梯形螺旋副，螺距为7，材料支架调整螺杆45材料为45#钢并热处理，支架调整螺母43材料为MT3；支架座46位铸铁件车制。

第一铰链3为升降数控摆盘系统2和机械和手动伸缩摆杆系统4的连接件，可以调整俯仰；万向机构5为机械和手动伸缩摆杆系统4和摆杆支架系统8的连接件，采用铰链和轴承结构，可以调整俯仰和偏摆；第二铰链6为抛光头系统7和机械和手动伸缩摆杆系统4的连接件，可以调整俯仰以使抛光头系统7工作时垂直于工件表面。 

操作按钮站9及电气控制系统10采用北京凯恩蒂公司KND-10Mi数控系统，交流伺服驱动。共三个轴，升降数控摆盘系统2的摆动轴X轴，将机械和手动伸缩摆杆系统4的伸缩轴Y轴和抛光头系统7旋转轴S轴。其中X轴和Y轴为数控轴，可以实现两轴联动，完成各种插补、几何运算。S轴为模拟轴，可以实现无级调速，也可通过指令编程实现程序控制。 

机床各个部分合理布局，在满足各参数要求并保证机床稳定运行的前提下使整机体积最小。

Claims (6)

1.一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于包括移动基座系统(1)、升降数控摆盘系统(2)、第一铰链(3)、机械和手动伸缩摆杆系统(4)、万向机构(5)、第二铰链(6)、抛光头系统(7)、摆杆支架系统(8)、操作按钮站(9)及电气控制系统(10)；其中，所述的移动基座系统(1)包括螺旋千斤顶(11)、行轮(12)和基座箱体(13)；所述的升降数控摆盘系统(2)包括摆盘支座(14)、摆盘升降螺杆(15)、摆盘升降螺母(16)、第一旋转手柄(17)、蜗轮减速器(18)、摆盘电机(19)、摆盘(20)以及偏心轴(21)；所述的机械和手动伸缩摆杆系统(4)包括摆杆驱动电机(22)、轴承(23)、摆动套(24)、固定套管(25)、滚珠丝杠机构(26)、机械伸缩套管(27)、滑动支撑套(28)、手动伸缩套杆(29)及锁紧套(30)；所述的抛光头系统(7)包括抛光头驱动电机(31)、主轴套(32)、主轴(33)、高精度角接触球轴承(34)、燕尾槽座(35)、偏心轴调整螺杆(36)、偏心主轴(37)、弹簧(38)、滚珠花键(39)、配重盘(40)、球铰(41)及抛光盘(42)；所述的摆杆支架系统(8)包括支架调整螺母(43)、第二旋转手柄(44)、支架调整螺杆(45)以及支架座(46)；

移动基座系统(1)为机械手的基座；升降数控摆盘系统(2)和摆杆支架系统(8)的底部分别固定在移动基座系统(1)顶部的偏左和偏右部位；机械和手动伸缩摆杆系统(4)的左部的摆动套(24)通过第一铰链(3)与升降数控摆盘系统(2)的偏心轴(21)固连，中部的滑动支撑套(28)通过万向机构(5)与摆杆支架系统(8) 的支架调整螺杆(45)的上端固连，右端的手动伸缩套杆(29)通过第二铰链(6)与抛光头系统(7)中的主轴套(32)固连；操作按钮站(9)装在基座箱体(13)的侧面，向上伸出的高度超过基座箱体(13)的顶部，并能够转动一定角度；电气控制系统(10)安装在基座箱体(13)的内部，通过线缆与操作按钮站(9)连接。

2.按权利要求1所述的一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于所述的移动基座系统(1)为机械手的基座；四个行轮(12)安装在基座箱体(13)的底部四角的部位，与基座箱体(13)固连，四个螺旋千斤顶(11)成矩形安装在基座箱体(13)底部的四个行轮(12)的内侧，与基座箱体(13)固连。

3.按权利要求1所述的一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于所述的升降数控摆盘系统(2)中摆盘支座(14)是一个中空的腔体结构，固定在基座箱体(13)顶部的偏左部位；摆盘升降螺母(16)的下表面与摆盘支座(14)的上表面滑动配合；摆盘升降螺母(16)与摆盘升降螺杆(15)构成丝杠-丝母结构，摆盘升降螺杆(15)铅垂在摆盘支座(14)的腔体内，通过固定在摆盘升降螺母(16)上的第一旋转手柄(17)的旋转，使摆盘升降螺母(16)带动摆盘升降螺杆(15)升降；摆盘升降螺杆(15)的上端与蜗轮减速器(18)的底部中心刚性固连；摆盘电机(19)的输出轴与蜗轮减速器(18)的输入轴刚性固连，蜗轮减速器(18)的输出轴通过摆盘(20)的中心与摆盘(20)刚性固连，摆盘(20)上通过轴孔装有偏心轴(21)。 

4.按权利要求1所述的一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于所述的机械和手动伸缩摆杆系统(4)中摆动套(24)在固定套管(25)的左端，套装在固定套管(25)上，两者固连；滑动支撑套(28)在固定套管(25)的右端套装在固定套管(25)上，两者滑动配合；滚珠丝杠机构(26)装在固定套管(25)内的左半部，丝杠的左端通过轴承(23)固定在固定套管(25)内的左端，摆杆驱动电机(22)的输出轴与滚珠丝杠机构(26)的丝杠左端固连，丝杠与固定套管(25)轴线重合；机械伸缩套管(27)从固定套管(25)的右端装在固定套管(25)内，二者滑动配合；滚珠丝杠机构(26)中的丝母装在位于固定套管(25)右半部的机械伸缩套管(27)的左端，丝母与丝杠螺纹配合，丝母与机械伸缩套管(27)刚性固连；在机械伸缩套管(27)的右端装有锁紧套(30)，两者刚性固连；手动伸缩套杆(29)从机械伸缩套管(27)的右端的锁紧套(30)伸进机械伸缩套管(27)内，手动伸缩套杆(29)与机械伸缩套管(27)之间滑动间隙配合，由锁紧套(30)锁紧，在手动伸缩套杆(29)上标有刻度；位于机械和手动伸缩摆杆系统(4)的尾部的摆动套(24)通过第一铰链(3)与升降数控摆盘系统(2)中的偏心轴(21)固定连接，机械和手动伸缩摆杆系统(4)中部通过万向机构(5)与摆杆支架系统(8)的支架调整螺杆(45)的上端固连。

5.按权利要求1所述的一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于所述的抛光头系统(7)中的抛光头驱动电机(31)的输出轴与主轴(33)的上顶端刚性固连，主轴(33)的两端装有高精度角接触球轴承(34)，安装在主轴套(32)内，主轴(33)底端伸出主轴套(32)与燕尾槽座(35)刚性固连，燕尾槽座(35)随主轴转动，燕尾槽座(35)上的燕尾槽内装有偏心主轴(37)，二者滑动配合，偏心主轴(37)在燕尾槽部分装有偏心轴调整螺杆(36)，用于调整偏心量，偏心主轴(37)是中空件，在其内部装有弹簧(38)，通过弹簧(38)装有滚珠花键(39)，滚珠花键(39)底端装有配重盘(40)，配重盘(40)上带有中孔，在滚珠花键(39)伸出配重盘(40)的端部装有球铰(41)，滚珠花键(39)与球铰(41)螺纹连接；球铰(41)与抛光盘(42)铰接，抛光过程中抛光盘(42)不自转；抛光头系统(7)通过第二铰链(6)与机械和手动伸缩摆杆系统(4)中的手动伸缩套杆(29)的右端固定连接。

6.按权利要求1所述的一种大口径光学元件的数控抛光机械手，其特征在于所述的摆杆支架系统(8)中的支架座(46)是一个中空的腔体结构，固定在基座箱体(13)顶部的偏右部位；支架调整螺母(43)装在支架座(46)顶端，支架调整螺母(43)的下表面与支架座(46)的上表面滑动配合，支架调整螺母(43)与支架调整螺杆(45)采用梯形螺纹连接，支架调整螺杆(45)的下端垂在支架座(46)的腔体内，通过安装在支架调整螺母(43)上的第二旋转手柄(44)转动支架调整螺母(43)，可使支架调整螺杆(45)升降；支架调整螺杆(45)的上端通过万向机构(5)与机械和手动伸缩摆杆系统(4)中的滑动支撑套(28)固连。 

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