CN101961849B

CN101961849B - 望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削方法及其设备

Info

Publication number: CN101961849B
Application number: CN 201010232711
Authority: CN
Inventors: 王国民; 张坤
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: CN101961849A

Abstract

望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削方法及其设备：

摩擦盘通过支撑轴承定位在方位底座上；

摩擦盘下面安装驱动电机驱动摩擦盘绕自身轴系旋转；

砂轮固定于砂轮主轴，砂轮主轴两头通过消隙轴承定位于砂轮架；

在磨削加工前将砂轮主轴与摩擦盘旋转轴调成平行；

砂轮主轴由电机驱动对超大直径摩擦盘进行现场磨削加工；

加工一段时间后，用金刚石笔对砂轮进行修整；

反复重复步骤和步骤

，至达到设计要求。本发明能够在现场对摩擦盘外圆表面进行磨削加工，使得摩擦盘外圆表面的粗糙度和圆柱度满足要求，保证摩擦传动精度，对未来极大天文望远镜的研制及其他领域超大直径圆盘类工件的加工有着重要的现实意义。

Description

望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种加工工艺，具体涉及一种极大天文望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法；本发明还涉及该方法所使用的设备。

背景技术

极大天文望远镜摩擦传动的从动摩擦盘直径在30米左右，且摩擦传动对摩擦盘表面粗糙度和圆柱度要求较高，通常粗糙度要求为0.8微米，整圆表面圆柱度为0.06毫米左右。从加工、运输、现场安装、调试、日后维修等方面考虑，30米直径摩擦盘采用整体结构不太现实，需要采用分体拼接结构。拼接模块可在通用数控铣床上加工，然后到现场进行组装调整，拼成一个直径30米的大圆盘。但由于各个模块的加工误差和现场拼接误差，拼接后大摩擦盘表面的粗糙度和圆柱度，无法满足望远镜摩擦传动对摩擦表面的要求。

摩擦传动与齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、电机直接驱动相比，最大的问题是摩擦副表面在外界干扰下，会发生打滑。发生打滑的根本原因是负载力矩发生了变化。如当负载力矩突然变大时，由于主动轮和从动摩擦盘之间的摩擦力矩是恒定的，所以主动轮驱动不了从动轮，两轮表面间就发生了打滑。因此，在设计摩擦传动系统时，摩擦力矩都要考虑一定的余量，即系统能够承受一定的负载波动。负载力矩波动越小，摩擦传动的运行越平稳，运行精度也越高。负载力矩波动主要包括惯性矩波动和外界干扰力矩（如风力等）。惯性矩是结构转动惯量和运行加速度的乘积，望远镜建成后，转动部分的转动惯量是不变的。因此，惯性矩的变化是由运行加速度的变化引起的。天文望远镜跟踪天上星体时，工作速度非常低，跟踪过程中加速度的变化也很小，所以，惯性矩的变化不大。另外，天文望远镜通常都是在圆顶内工作，通过圆顶上的一个窗口观测星体，而且，望远镜结构多数为杆件，板件很少，所以，由风引起的负载波动也不大。因此，摩擦传动非常适合于天文望远镜的驱动。国际上已有多架大型望远镜成功应用了摩擦传动，如美国10米口径的Keck望远镜、8米口径的Gemini望远镜、中国4米口径的LAMOST望远镜等。最为重要的是：随着天文望远镜口径的越来越大，采用摩擦传动能够获得很大的传动比，如30米口径极大望远镜，从动摩擦盘直径在30米左右，主动小摩擦轮直径取200毫米，则传动比高达150，而直接驱动的传动比只是1：1，这对控制系统的设计非常有利，大大降低控制系统的难度和成本。另外，摩擦传动结构简单，只是电机驱动小摩擦轮，而后通过小摩擦轮和大摩擦盘之间的摩擦力矩带动大摩擦盘。与其他的齿轮传动、电机直接驱动相比，造价非常低。因此，对于极大天文望远镜而言，摩擦传动是一种极有研究价值的传动方式。

30米口径极大天文望远镜如果采用摩擦传动，其摩擦盘（大摩擦轮）的直径在30米左右，整体加工不可能。因此，只能采用分体拼接结构，由长度在1米左右的模块拼接而成。模块的外圆表面（圆直径30米）可在常规的数控铣床上加工，加工完成后到现场进行拼接、调整，形成30米直径的大圆盘。摩擦传动的平稳性和传动精度很大程度上取决于摩擦副（小摩擦轮和大摩擦轮）表面的质量，包括表面粗糙度、圆度和圆柱度。通常摩擦传动对摩擦副表面的粗糙度要求在0.8微米，圆柱度要求在0.06毫米左右。由于数控铣床加工的局限性，加工后的模块外圆表面的粗糙度和圆柱度无法满足上面的要求。另外，在现场拼接过程中，存在拼接误差，使得各个模块之间不可能形成一个完美的整圆。这些因素都会影响摩擦传动的平稳性和精度。针对这一问题，本发明专利提出了一套现场磨削的加工技术，使得拼接后的大摩擦盘的表面质量满足摩擦传动的要求，为摩擦传动能够应用在极大天文望远镜上创造了条件。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法，该方法是一套现场磨削的加工技术，在现场对用模块拼接后的摩擦盘外圆表面进行磨削加工，使得摩擦盘外圆表面的粗糙度和圆柱度满足要求，保证摩擦传动精度，对未来极大天文望远镜的研制有着重要的现实意义。本发明虽然是针对极大天文望远镜提出的，但对其他领域超大直径圆盘类工件的加工也有借鉴作用。本发明还涉及该方法所使用的设备。

具体地说，本发明要解决的技术问题是：30米口径的极大天文望远镜，如果采用摩擦传动，其从动摩擦盘直径在30米左右。从加工、运输、现场安装、调试、日后维修等方面考虑，用整体结构不太现实。因此，采用分体结构，30米直径的超大直径摩擦盘在现场由若干模块拼接而成。这些模块可在常规的数控铣床上加工，加工完成后到现场进行拼接形成30米直径的大圆盘。但是拼接后的大圆盘并不能满足天文望远镜摩擦传动的要求。主要原因在于：

① 铣削加工的表面粗糙度有限，一般达不到0.8微米的要求。

② 在铣削圆环形模块工件时，铣床的传动系统需要回头走刀，由于机床传动系统的间隙，在加工表面上会留下一道横杠。拼接后的30米直径摩擦盘，每一个模块的中间都有一道横杠，在望远镜运行中，当小摩擦轮滚过此处时会发生突跳，影响传动精度。

③ 整个摩擦盘是由若干模块拼接而成的，在相邻两个模块的接缝处，虽然有调整机构进行调整，但两个模块的共面性（共圆性）还是存在误差。当小摩擦轮经过接缝时，也会发生突跳。

④ 拼接模块的厚度在100毫米左右，在铣削加工时，由于铣刀及其刀杆的刚度有限，会产生不同程度的让刀，加工后的外表面是锥面，且各个模块的圆锥还不一致。这样，拼接后会影响小摩擦轮和大摩擦盘的接合质量，从而影响摩擦传动精度。

⑤ 为了提高摩擦盘的耐磨性，摩擦盘拼接模块的材料通常为40Cr或轴承钢，并且热处理硬度值在50度左右。考虑到现场局部淬火的局限性和局部淬火的质量，一般淬火或调质工艺放在模块铣削加工前完成。这样，在铣削加工时，即使使用合金铣刀，铣刀也会有不同程度的崩口，进而在模块的加工表面留下刻痕。影响摩擦传动副的接合质量和传动精度。

为了解决上面的问题，本发明专利提出了现场磨削的加工技术，并提出了一套光学检测系统，借助于测微准直望远镜，保证磨削砂轮母线与被加工摩擦盘旋转轴线平行，这样，加工后的摩擦盘外圆表面是圆柱面，而不是圆锥面或双曲面。

完成上述发明任务的技术方案是，一种极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法，其特征在于，步骤如下：

拼接后的超大直径摩擦盘通过支撑轴承定位在方位底座上；

摩擦盘下面安装驱动电机，通过联轴节驱动摩擦盘绕自身轴系旋转；

⑷ 对砂轮主轴进行静平衡处理；

⑸ 砂轮架通过定位导向凸台与基准柱上的定位槽配合，固定于基准柱上；

⑹ 在磨削加工前，利用光学检测系统将砂轮主轴与超大直径摩擦盘旋转轴调成平行；

⑺ 砂轮主轴由砂轮驱动电机通过联轴节驱动，对超大直径摩擦盘进行现场磨削加工；

⑻ 砂轮磨削加工一段时间后，为了恢复工作面的磨削性能和正确的几何形状，用金刚石笔对砂轮进行修整；

⑼ 反复重复步骤⑺和步骤⑻，至达到设计要求。

更优化地说，上述步骤⑸中的砂轮架，是通过定位导向凸台与基准柱上的定位槽配合，固定于基准柱上；

上述步骤⑹的具体操作方法是：

测微准直望远镜同轴安装在待磨削加工的摩擦盘上，且测微准直望远镜的光轴与摩擦盘自身旋转轴垂直；

将测微准直望远镜镜筒在水平面内调到合适的位置，并锁定；

沿测微准直望远镜光轴的方向，在基准柱的正上方安装平面反射镜，该反射镜与水平成45°角安放，且在测微望远镜光轴方向的投影与光轴垂直；

以超大直径摩擦盘旋转轴为准，调整砂轮主轴，至测微准直望远镜分划板上十字丝的像与原十字丝在视场内重合。

完成本发明第2个发明任务的方案是：上述极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法所使用的设备，由砂轮机与被加工的超大直径摩擦盘构成，其中，

砂轮固定于砂轮主轴，砂轮主轴两头通过消隙轴承定位于砂轮架;

超大直径摩擦盘通过支撑轴承定位在方位底座上，摩擦盘下面安装驱动电机，通过联轴节驱动摩擦盘绕自身轴系旋转；

其特征在于，所述的砂轮架是通过定位导向凸台与基准柱上的定位槽配合，固定于基准柱上；同时，该设备系统中还设有，用于将砂轮主轴与超大直径摩擦盘旋转轴调成平行的光学检测系统。

光学检测系统的结构由测微准直望远镜14、第一平面反射镜15和第二平面反射镜16组成。测微准直望远镜14同轴安装在待磨削加工的摩擦盘1上，且测微准直望远镜的光轴与摩擦盘自身旋转轴垂直。将测微准直望远镜镜筒在水平面内调到合适的位置，并锁定。沿测微准直望远镜光轴的方向，在基准柱6正上方安装第一平面反射镜15。第一平面反射镜15与水平成45°角安放，且在测微望远镜光轴方向的投影与光轴垂直。在这样的情况下，测微准直望远镜发出的激光，经过反射镜15后，传到第二平面反射镜16，经第二平面反射镜16反射后，沿原路返回自准直望远镜。自准直望远镜和平面反射镜15的位置是经过调整并固定的，如果第二平面反射镜16不与传过来的光线垂直，则测微准直望远镜分划板上十字丝的像与原十字丝在视场内会发生偏移，即不重合。只有第二平面反射镜16与入射光线在两个方向上（相对于摩擦盘的径向和切向）都垂直，十字丝像与原十字丝才能重合。

在上述设备中，还设有砂轮的金刚石笔修整机构，该金刚石笔修整机构中，金刚石笔沿着砂轮主轴方向运动，且运动方向与砂轮主轴在空间平行。

本发明提供的现场磨削加工技术和设备，在现场对用模块拼接后的摩擦盘外圆表面进行磨削加工，使得摩擦盘外圆表面的粗糙度和圆柱度满足要求，保证摩擦传动精度，对未来极大天文望远镜的研制有着重要的现实意义；对其他领域超大直径圆盘类工件的加工也有借鉴作用。

说明书附图

图1为本发明现场磨削加工原理图；

图2为砂轮主轴和摩擦盘旋转轴偏角示意图;

图3为光学检测系统原理图。

具体实施方式

实施例1，极大天文望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法，以及该方法所使用的设备，参照图1至图3：现场磨削加工的原理如图1所示，采用横磨法。拼接后的摩擦盘1直径30米（图中断开示意），通过支撑轴承定位在方位底座13上。支撑轴承和方位底座是望远镜自身的结构，不需要为了现场磨削而额外加工。摩擦盘下面安装驱动电机11，通过联轴节驱动摩擦盘绕自身轴系旋转。实际上望远镜摩擦盘的支撑定位轴承包括两套：一套是轴向轴承，通常是静压轴承，用来支撑望远镜转动部分的重量。另一套是中间定位轴承，通常是成对角接触球轴承。原理图1中只是示意，没有画全。磨削加工过程中，摩擦盘的旋转速度为每分钟30~50转。

电动磨头固定在基准柱6上，基准柱固定在横向进给机构7上，这样，在进给驱动电机8的作用下，实现磨削过程中砂轮的横向进给。为了提高磨削加工过程中砂轮主轴的刚性，砂轮主轴的设计采用了两头支撑的方式，而不是通常的悬臂支撑。砂轮通过弹性垫圈、压圈等固定于主轴4。主轴两头通过消隙轴承3定位于砂轮架5，而后砂轮架通过定位导向凸台17与基准柱上的定位槽18配合，固定于基准柱上。砂轮主轴由砂轮驱动电机10通过联轴节驱动。砂轮选用白刚玉材质，粒度为80#，速度为每分钟1800转。这儿有两点需要特别注意：一是支撑砂轮的轴承一定要消隙；二是砂轮安装完毕后，需要做静平衡处理，静平衡处理可在静平衡架上进行。另外，磨削加工过程中需要冷却进行散热，保证摩擦盘表面的加工质量，冷却系统未在图中显示。根据拼接模块铣削加工的误差和现场拼接调整的误差，现场磨削加工量在0.2毫米左右。为了达到表面粗糙度和圆柱度的要求，磨削加工过程中，需要用金刚石笔对砂轮进行修整，保证砂轮的磨削性能和正确的几何形状。另外，需要保证砂轮旋转轴线与待加工摩擦盘旋转轴线平行，这样磨削后的摩擦盘外圆表面才是圆柱面，而不是圆锥面或双曲面。磨削加工后拼接摩擦盘外圆表面的粗糙度在0.8微米左右，圆柱度优于0.06毫米。

砂轮旋转轴与摩擦盘旋转轴平行的光学检测方法：

摩擦传动是靠主动轮和从动摩擦盘之间的摩擦力矩来传递运动的。摩擦盘外圆表面的圆度和圆柱度误差，会影响摩擦副之间的接合面积，而摩擦传动的滑移与摩擦副之间的接合面积以及接合面积的稳定性有关。因此，圆柱度不好的摩擦盘会引起摩擦副之间的滑移，进而影响传动精度。磨削加工过程中，如果砂轮主轴与摩擦盘旋转轴在空间不平行，则加工出来的外圆表面会是锥面或双曲面，影响接合面积。砂轮主轴和摩擦盘旋转轴之间的不平行如图2所示。如出现图2左图的不平行，存在倾斜角β时，磨削加工的摩擦盘外表面是锥面。出现图2右图所示的不平行状况，存在扭转角θ时，加工的摩擦盘表面是双曲面形状。这些畸形表面会引起摩擦副表面的滑移，进而影响传动精度。磨床加工中，砂轮旋转轴与工件旋转轴之间的相互位置由磨床自身的轴系保证，而极大望远镜摩擦盘现场磨削加工，砂轮主轴和摩擦盘旋转轴之间的间距15米，不可能由机械轴系来保证两者之间的平行。为了解决这一问题，本发明专利提出了一种光学检测系统，在磨削加工前，将砂轮主轴与摩擦盘旋转轴调成平行，这样磨削加工后，摩擦盘外圆表面就不会是锥面或双曲面。

光学检测系统的原理如图3所示，由测微准直望远镜14、第一平面反射镜15和第二平面反射镜16组成。测微准直望远镜14同轴安装在待磨削加工的摩擦盘1上，且测微准直望远镜的光轴与摩擦盘自身旋转轴垂直。根据天文望远镜的要求，摩擦盘自身的旋转轴线需要调成铅垂位置，所以测微准直望远镜的光轴处于水平位置。将测微准直望远镜镜筒在水平面内调到合适的位置，并锁定。沿测微准直望远镜光轴的方向，在基准柱6的正上方安装第一平面反射镜15。第一平面反射镜15与水平成45°角安放，且在测微望远镜光轴方向的投影与光轴垂直。以超大直径摩擦盘旋转轴为准，调整砂轮主轴，至测微准直望远镜分划板上十字丝的像与原十字丝在视场内重合。

利用上面的自准直原理，我们把第二平面反射镜16安装在基准柱6的上表面，并严格与基准柱左侧面的定位槽18在两个方向上垂直（相对于摩擦盘的径向和切向）。经过修整的砂轮母线与砂轮主轴是平行的，砂轮主轴4与砂轮架右侧面的定位凸台17在空间是平行的（通过机加工保证）。这里的空间平行是指在径向和切向两个方向上都平行。而砂轮架和基准柱是通过配合加工的定位凸台17和定位槽18联接的。所以，经过这样的高精度刚性串联，砂轮主轴与第二平面反射镜16在空间上是严格垂直的。如果砂轮主轴相对于摩擦盘旋转轴，存在图2所示的倾斜角β或扭转角θ，则第二平面反射镜16也会出现相同的角度偏差，就会使得测微准直望远镜视场中十字丝像与原十字丝不重合。这样，借助测微准直望远镜的检测，就可以调整掉这样的角度偏差，保证砂轮主轴与被加工摩擦盘旋转轴是平行的。进而保证磨削出来的摩擦盘外圆表面是圆柱面，而不是圆锥面或双曲面。

砂轮现场修整方法

在磨削加工过程中，如果砂轮表面是圆锥面，则加工后的摩擦盘也是圆锥面。因此，砂轮磨削加工一段时间后，为了恢复工作面的磨削性能和正确的几何形状，需要用金刚石笔对砂轮进行修整，以便提高磨削效率和保证磨削加工的质量。砂轮修整过程中，金刚石笔需要沿着砂轮主轴运动。同样的原因，如果金刚石笔的运动方向与砂轮主轴不平行，也会把砂轮表面修成圆锥面。为了解决这个问题，本发明专利中，将金刚石笔沿着上面提到的砂轮架右侧面的定位凸台17运动。定位凸台与砂轮主轴在空间是平行的，这样修整后的砂轮，其母线与砂轮主轴是平行的，即外表面是圆柱面，而不是圆锥面，保证了磨削加工的质量。

Claims

1.一种极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法，其特征在于，步骤如下：

拼接后的超大直径摩擦盘通过支撑轴承定位在方位底座上；

⑷ 对砂轮主轴进行静平衡处理；

⑼ 反复重复步骤⑺和步骤⑻，至达到设计要求。

2. 根据权利要求1所述的极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法，其特征在于，所述步骤⑹的具体操作方法是：

沿测微准直望远镜光轴的方向，在基准柱的正上方安装平面反射镜，其中，第一反射镜（15）与水平成45°角安放，且在测微望远镜光轴方向的投影与光轴垂直；第二平面反射镜（16）安装在基准柱（6）的上表面，并严格与基准柱左侧面的定位槽（18）在两个方向上垂直；即相对于摩擦盘的径向和切向垂直；

3. 一种权利要求1所述的极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法所使用的设备，由砂轮机与被加工的超大直径摩擦盘构成，其中，

4. 根据权利要求3所述的极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法所使用的设备，其特征在于，所述光学检测系统的结构由测微准直望远镜、第一平面反射镜（15）和第二平面反射镜（16）组成，其中，测微准直望远镜同轴安装在待磨削加工的摩擦盘上，且测微准直望远镜的光轴与摩擦盘自身旋转轴垂直；

所述测微准直望远镜镜筒在水平面内锁定；沿测微准直望远镜光轴的方向，在基准柱的正上方安装有第一平面反射镜（15）；该第一平面反射镜（15）与水平成45°角安放，且在测微望远镜光轴方向的投影与光轴垂直；

所述的第二平面反射镜（16）安装在基准柱（6）的上表面，并严格与基准柱左侧面的定位槽（18）在两个方向上垂直；即相对于摩擦盘的径向和切向垂直。

5. 根据权利要求3或4所述的极大望远镜摩擦传动超大直径摩擦盘的现场磨削加工方法所使用的设备，其特征在于，还设有砂轮的金刚石笔修整机构，该金刚石笔修整机构中，金刚石笔沿着砂轮主轴方向运动，且运动方向与砂轮主轴在空间平行。