CN102211301A - 大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法 - Google Patents

大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法 Download PDF

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Abstract

大型平面的超精密自动化加工装置，包括工作台，卧式磨头机构，横向驱动机构和纵向驱动机构；卧式磨头机构包括磨头和与磨头连接的磨头电机；横向驱动机构包括沿工件横向设置的丝杠机构，和与丝杠机构的螺母固接的托板；托板上设有气缸，气缸推杆的顶推动与连接件固接，连接件与磨头电机固接，；纵向驱动机构包括沿工件纵向设置的导轨，与导轨滑动连接的滑座，和推动滑座沿导轨滑动的动力机构；横向驱动机构固定于滑座上。加工大型平面的方法包括制作卧式定压磨头；获取待加工工件的所需加工面的平面面型误差；磨头去除函数的建模和磨头驻留时间函数的计算；加工工件表面。本发明具有加工效率高，加工精度高，且对加工机床精度要求不高的优点。

Description

大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法。
技术背景
大型平面在精密测量、精密机械等领域得到广泛应用。如：精密测量平台、机床导轨平面、机床工作台、大型精密光学平面、大型精密平面磨具等。这些精密的大型平面零件对表面精度和表面质量要求极高。如激光核聚变装置所用的大口径光学元件KDP晶体(450mm×450mm)要求表面PV值达到λ/4(λ＝0.63μm)。用于加工塑料薄膜的精密模具核心部件-大型挤出平模头要求每100平方毫米平面度要求为0.02μm，表面粗糙度在0.01μm以内。
大型平面的加工精度受制于加工装备本身的精度，而大型平面加工装备的尺寸往往较大，因此要做出高精度的加工设备代价极高。国外发达国家在高精度的大型加工装备和技术上对我国严格封锁，导致国内大型平面精密加工技术严重滞后，不具备高精度的大型平面批量生产能力。目前，国内大型平面的超精密加工是在精密平面铣磨基础上，再采用人工研磨或刮研的方法，来实现最终的平面度要求。而这些人工的加工方法存在的普遍问题是：(1)对工人的技术要求高；(2)工艺的稳定性差；(3)产品的一致性差；(4)生产效率低。这制约了大型平面高精度加工的稳定性，加工成本居高。
数控加工技术具有闭环控制、执行速度快、记忆准确等优势，可使加工的重复精度及效率大幅度提高。现有的磨粒数控加工(如CCOS加工技术)是根据检测的平面面形误差数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对光学零件进行研磨或抛光，通过控制小磨头在工件表面的驻留时间来控制材料的去除量，实现向理想平面收敛。但是这种磨粒加工中，小磨头在某一瞬时都是一加工区域面积，而非逐点加工。CCOS加工中向理想面形收敛的必要条件是其磨头去除函数趋向δ函数。这儿磨头去除函数定义为单位周期内磨头加工区域内的材料去除率分布。因此不能采用绕磨头轴线旋转的磨头结构(其瞬时加工区域中心速度为零)。现有的磨粒数控加工方法其磨头结构和运动形式主要为行星式或平动式，其磨头结构复杂，去除中心的相对速度不高，即去除中心的去除率不大，因此这些磨头结构的加工方法向理想平面的收敛速度不高或不能收敛，使加工成本和加工精度上难以实现。
发明内容
为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种加工效率高，加工精度高的大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法。
大型平面的超精密自动化加工装置，包括放置工件的工作台，倾斜设置的、用于研磨工件的卧式磨头机构，带动所述的卧式磨头机构沿工件的横向往复移动的横向驱动机构和带动所述的磨头机构沿工件的纵向往复移动的纵向驱动机构；
所述的卧式磨头机构包括磨头和与所述的磨头连接的磨头电机；
所述的横向驱动机构包括沿工件横向设置的丝杠机构，和与丝杠机构的螺母固接的托板；所述的托板上设有气缸，气缸推杆的顶推动与气缸连接件固接，所述的气缸连接件与所述的磨头电机固接；
所述的纵向驱动机构包括沿工件纵向设置的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑座，和推动所述的滑座沿所述的导轨滑动的动力机构；
所述的横向驱动机构固定于所述的滑座上。
进一步，所述的磨头呈球形。
进一步，所述的磨头电机的外壳通过转轴与所述的气缸连结铰接，所述的气缸连结件上设有锁定电机与待加工工件夹角的定位销及锁紧螺母。
使用所述的大型平面的超精密自动化加工装置加工大型平面的方法，包括以下步骤：
1)、制作卧式定压磨头；
2)、获取待加工工件的所需加工面的平面面型误差：
对被测平面划定多条不同方向的直线，在各条直线方向上，测量每一节点相对于测量起始点的高度差值，并连同每一节点的二维坐标值进行计算，求出平台表面的最小二乘平面作为理想平面。将各直线每一节点相对于最小二乘平面的差值作为被测平面的面形误差模型；
3)、磨头去除函数的建模和磨头驻留函数的计算：
对给定被加工工件，测量磨头在不同载荷、转速以及工作平面的夹角参数下、加工前后的材料去除量分布，建立磨头在瞬时加工区域半径内的磨头去除函数，根据磨头去除函数和被测平面的面形误差模型，磨头驻留时间函数为平面度误差与磨头去除函数的反卷积，即
W(x，y)＝R(x，y)**T(x，y)
式中**表示两维卷积；W(x，y)表示(x，y)点材料的去除量，即为平面度误差；R(x，y)表示小磨头在(x，y)点的磨头去除函数；T(x，y)表示小磨头在(x，y)点上的磨头驻留时间函数；
4)、固定待加工工件，气缸推动卧式磨头机构向工件压紧，并根据磨头驻留时间函数，控制横向驱动机构和纵向驱动机构带动磨头按给设定路径和给定加工量进行加工。
本发明的技术构思是：由于卧式磨头机构在加工区域对工件的相对速度是以圆周线速度，磨头机构在横向驱动机构和纵向驱动机构的带动下作平移运动，且磨头在磨头电机的带动下自转，磨头的速度很高。且磨头是球形结构，加工时接触区域半径小，且在接触圆心接触应力最大，往边沿迅速衰减。根据Preston方程，材料的去除率正比磨头相对工件的压力和速度，由下式给出：
ΔZ(x，y)＝CP(x，y)V(x，y)
因此CCFMT磨头去除函数如图5所示，即趋向于δ函数。通过多直线度测量及数据处理，得到大型平面的面形误差，从而计算出磨头驻留函数。由计算机控制卧式磨头按给定路径加工，使大型平面快速收敛于理想平面。磨头的加工路径可依据经验选择。
本发明所述的大型平面加工方法的有益效果主要表现在：
(1)采用球形卧式小磨头，可使磨头去除函数趋向于δ函数；
(2)卧式小磨头相对于工件的线速度高，加工效率高；
(3)采用多直线度测量及数据处理技术，检测出大型平面的面形误差，并以此进行加工，对机床本身精度要求不高；
通过对卧式小磨头加工路径、驻留时间的数字控制，实现对大型平面超精密加工的自动化。
附图说明
图1是本发明一种大型平面的超精密自动化方法的流程图。
图2是本发明中大型平面面型误差检测示意图。
图3是本发明的大型平面精密加工设备结构示意图。
图4是本发明卧式定压小磨头加工区域压力分布。
图5是本发明卧式定压小磨头磨头去除函数。
图6是本发明大型平面不同方向的直线度误差检测。
图7是本发明小磨头的加工路径。
具体实施方式
实施例一
参照图3
大型平面的超精密自动化加工装置，包括放置工件的工作台，倾斜设置的、用于研磨工件的卧式磨头机构，带动所述的卧式磨头机构沿工件的横向往复移动的横向驱动机构和带动所述的磨头机构沿工件的纵向往复移动的纵向驱动机构；
所述的卧式磨头机构包括磨头和与所述的磨头连接的磨头电机；
所述的横向驱动机构包括沿工件横向设置的丝杠机构，和与丝杠机构的螺母固接的托板；所述的托板上设有气缸，气缸推杆的顶推动与气缸连接件固接，所述的气缸连接件与所述的磨头电机固接；
所述的纵向驱动机构包括沿工件纵向设置的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑座，和推动所述的滑座沿所述的导轨滑动的动力机构；
所述的横向驱动机构固定于所述的滑座上。
所述的磨头呈球形。
所述的磨头电机的外壳通过转轴与所述的气缸连结铰接，所述的气缸连结件上设有锁定电机与待加工工件夹角的定位销及锁紧螺母。本发明的技术构思是：由于卧式磨头机构在加工区域对工件的相对速度是以圆周线速度，磨头机构在横向驱动机构和纵向驱动机构的带动下作平移运动，且磨头在磨头电机的带动下自转，磨头的速度很高。且磨头是球形结构，加工时接触区域半径小，且在接触圆心接触应力最大，往边沿迅速衰减。根据Preston方程，材料的去除率正比磨头相对工件的压力和速度，由下式给出：
ΔZ(x，y)＝CP(x，y)V(x，y)
因此CCFMT磨头去除函数如图5所示，即趋向于δ函数。通过多直线度测量及数据处理，得到大型平面的面形误差，从而计算出磨头驻留函数。由计算机控制卧式小磨头按给定路径加工，使大型平面快速收敛于理想平面。磨头的加工路径可依据经验选择。
本实施例具有加工效率高，加工精度高，结构简单的优点。
实施例二
参照图1
使用所述的大型平面的超精密自动化加工装置加工大型平面的方法，包括以下步骤：
1)、制作卧式定压磨头；
2)、获取待加工工件的所需加工面的平面面型误差：
对被测平面划定多条不同方向的直线，在各条直线方向上，测量每一节点相对于测量起始点的高度差值，并连同每一节点的二维坐标值进行计算，求出平台表面的最小二乘平面作为理想平面。将各直线每一节点相对于最小二乘平面的差值作为被测平面的面形误差模型；
3)、磨头去除函数的建模和磨头驻留函数的计算：
对给定被加工工件，测量磨头在不同载荷、转速以及工作平面的夹角参数下、加工前后的材料去除量分布，建立磨头在瞬时加工区域半径内的磨头去除函数，根据磨头去除函数和被测平面的面形误差模型，磨头驻留时间函数为平面度误差与磨头去除函数的反卷积，即
W(x，y)＝R(x，y)**T(x，y)
式中**表示两维卷积；W(x，y)表示(x，y)点材料的去除量，即为平面度误差；R(x，y)表示小磨头在(x，y)点的磨头去除函数；T(x，y)表示小磨头在(x，y)点上的磨头驻留时间函数；
4)、固定待加工工件，气缸推动卧式磨头机构向工件压紧，并根据磨头驻留时间函数，控制横向驱动机构和纵向驱动机构带动磨头按图7给设定路径和给定加工量进行加工。
本发明的技术构思是：由于卧式磨头机构在加工区域对工件的相对速度是以圆周线速度，磨头机构在横向驱动机构和纵向驱动机构的带动下作平移运动，且磨头在磨头电机的带动下自转，磨头的速度很高。且磨头是球形结构，加工时接触区域半径小，且在接触圆心接触应力最大，往边沿迅速衰减，。根据Preston方程，材料的去除率正比磨头相对工件的压力和速度，由下式给出：
ΔZ(x，y)＝CP(x，y)V(x，y)
因此CCFMT磨头去除函数如图5所示，即趋向于δ函数。通过多直线度测量及数据处理，得到大型平面的面形误差，从而计算出磨头驻留函数。由计算机控制卧式小磨头按给定路径加工，使大型平面快速收敛于理想平面。
本实施例的有益效果主要表现在：
(1)采用球形卧式小磨头，可使磨头去除函数趋向于δ函数；
(2)卧式小磨头相对于工件的线速度高，加工效率高；
(3)采用多直线度测量及数据处理技术，检测出大型平面的面形误差，并以此进行加工，对机床本身精度要求不高；
通过对卧式小磨头加工路径、驻留时间的数字控制，实现对大型平面超精密加工的自动化。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Figure BDA0000062032690000091

Claims (4)

1.大型平面的超精密自动化加工装置，其特征在于：包括放置工件的工作台，倾斜设置的、用于研磨工件的卧式磨头机构，带动所述的卧式磨头机构沿工件的横向往复移动的横向驱动机构和带动所述的磨头机构沿工件的纵向往复移动的纵向驱动机构；
所述的卧式磨头机构包括磨头和与所述的磨头连接的磨头电机；
所述的横向驱动机构包括沿工件横向设置的丝杠机构，和与丝杠机构的螺母固接的托板；所述的托板上设有气缸，气缸推杆的顶推动与气缸连接件固接，所述的气缸连接件与所述的磨头电机固接；
所述的纵向驱动机构包括沿工件纵向设置的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑座，和推动所述的滑座沿所述的导轨滑动的动力机构；
所述的横向驱动机构固定于所述的滑座上。
2.如权利要求1所述的大型平面的超精密自动化加工装置，其特征在于：所述的磨头呈球形。
3.如权利要求2所述的大型平面的超精密自动化加工装置，其特征在于：所述的磨头电机的外壳通过转轴与所述的气缸连结铰接，所述的气缸连结件上设有锁定电机与待加工工件夹角的定位销及锁紧螺母。
4.使用如权利要求1-3之一所述的大型平面的超精密自动化加工装置加工大型平面的方法，包括以下步骤：
1)、制作卧式定压磨头；
2)、获取待加工工件的所需加工面的平面面型误差：
对被测平面划定多条不同方向的直线，在各条直线方向上，测量每一节点相对于测量起始点的高度差值，并连同每一节点的二维坐标值进行计算，求出平台表面的最小二乘平面作为理想平面；将各直线每一节点相对于最小二乘平面的差值作为被测平面的面形误差模型；3)、磨头去除函数的建模和磨头驻留函数的计算：
对给定被加工工件，测量磨头在不同载荷、转速以及工作平面的夹角参数下、加工前后的材料去除量分布，建立磨头在瞬时加工区域半径内的磨头去除函数，根据磨头去除函数和被测平面的面形误差模型，磨头驻留时间函数为平面度误差与磨头去除函数的反卷积，即
W(x，y)＝R(x，y)**T(x，y)
式中**表示两维卷积；W(x，y)表示(x，y)点材料的去除量，即为平面度误差；R(x，y)表示小磨头在(x，y)点的磨头去除函数；T(x，y)表示小磨头在(x，y)点上的磨头驻留时间函数；
4)、固定待加工工件，气缸推动卧式磨头机构向工件压紧，并根据磨头驻留时间函数，控制横向驱动机构和纵向驱动机构带动磨头按设定路径和给定加工量进行加工。
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