CN102501143A - 复杂微结构件精密加工的ccd对刀与监控装置 - Google Patents

Abstract

复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置，它涉及一种对刀与监控装置。为了解决现有的对刀装置存在操作不方便、对刀精度低、无法实现快速对刀等问题。粗调部分由两个结构相同的X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构组成，精调部分由位移平台和精密转台组成；X轴移动调整滚珠丝杠机构通过角型支撑件、角型支撑对称件固装在平台底座上，Z轴移动调整滚珠丝杠机构位于X轴移动调整滚珠丝杠机构上且二者呈十字形设置；X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构之间通过粗调连接板连接，Z轴移动调整滚珠丝杠机构通过连接件与位移平台连接，位移平台和精密转台连接。本发明主要应用于复杂微结构件的精密加工中。

Description

复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置

技术领域

本发明涉及一种用于复杂微结构件精密加工的对刀与监控装置。

背景技术

随着现代科技的日益发展，各行业尖端产品对高精度复杂微结构零部件的需求量越来越大，因而对复杂微结构加工装置的需求也随之增多。在微结构的加工过程中，对刀监控装置设计的合理与否对微结构的加工精度和表面质量有着重要影响。再者，合理的监控装置对刀具的磨破损及加工过程的实时监控起着非常重要的作用。例如，在聚变能源领域中，光学晶体的应用非常普遍，但在光学晶体的加工和使用过程中易产生尺寸为0.05mm-0.5mm左右的裂纹、凹坑等微缺陷，这些微缺陷的存在将会大大降低光学晶体的使用寿命。因此，对这些微缺陷进行高精度的微加工显得十分必要，它属于复杂微结构精密加工范畴。在微缺陷的精密微加工过程中，由于微缺陷的尺寸很小，特别是在高度方向上只有几十微米左右，相当于是微结构的零件表面，其加工前的快速精确对刀对提高微缺陷的修复质量有着重要影响。目前采用的对刀装置主要是简单的低倍数CCD显微放大镜，通过人为手工移动该显微镜头，并采用肉眼观察，来调整CCD显微放大镜和刀具间的相对位置，从而来实现复杂结构零件加工时的准确对刀。目前的对刀装置存在以下几个明显缺点：(1)利用人为手工移动CCD显微放大镜并用肉眼观察微结构图像，很难通过一次或几次调整使CCD显微放大镜到达正确的对刀位置，并且往往需要花费很长时间用于微调，因此耗时太长且对操作者精力消耗过大；(2)采用低倍数的CCD显微放大镜会导致放大倍数不够，而且通过人工手动移动CCD显微放大镜也很难准确对刀，导致对刀精度不高；(3)由于CCD显微放大镜不能固定于加工装置上，容易产生位置窜动，在后续对刀过程中必须对其位置进行重新调整，使用时很不方便；(4)现有CCD对刀装置在对刀过程中不能实现一定角度范围内的回转运动，因而对于不同尺度的微结构零件来说，不能满足其相应的对刀需求。因此说，目前的对刀装置大多不能满足复杂微结构零件快速对刀的基本要求。

发明内容

本发明为了解决在复杂微结构零件精密加工时，利用现有的对刀装置存在操作不方便、对刀精度低、无法实现快速对刀等问题，进而提供了一种复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置平台底座和安装在平台底座上的粗调部分、精调部分和CCD显微放大镜；定义CCD显微放大镜的变焦镜头的轴线为X轴、控制复杂微结构件精密加工刀具转动的电主轴的轴线为Z轴、Y轴为经过X轴和Z轴的交点并垂直于X轴和Z轴所确定平面；所述装置还包括粗调连接板和连接件；所述粗调部分由两个结构相同的X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构组成，所述精调部分由位移平台和精密转台组成；

X轴移动调整滚珠丝杠机构包括角型支撑件、角型支撑对称件、带槽挡板、挡板、光轴卧式支撑座、轴承、轴承定位片、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、锁紧手轮、法兰直线轴承和光轴；角型支撑件、角型支撑对称件安装在平台底座的两端上，在角型支撑件和角型支撑对称件之间的两侧分别连接有带槽挡板、挡板，滚珠丝杠和光轴平行设置在由角型支撑件、角型支撑对称件、带槽挡板和挡板形成的四框体内；滚珠丝杠的两端通过轴承分别安装在角型支撑件和角型支撑对称件上，每个轴承的外端面上设有轴承定位片，位于角型支撑对称件上的滚珠丝杠的端部为用于调整的伸出端，位于角型支撑件和角型支撑对称件之间的滚珠丝杠螺母拧在滚珠丝杠上；光轴由两端通过光轴卧式支撑座分别紧固在角型支撑件和角型支撑对称件上，位于角型支撑件和角型支撑对称件之间的法兰直线轴承安装在光轴上；

X轴移动调整滚珠丝杠机构通过角型支撑件、角型支撑对称件固装在平台底座上，Z轴移动调整滚珠丝杠机构位于X轴移动调整滚珠丝杠机构上且二者呈十字形设置；X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构之间通过粗调连接板连接，Z轴移动调整滚珠丝杠机构通过连接件与位移平台连接，位移平台和精密转台连接；X轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮位于带槽挡板的槽口内，用于锁定粗调节中X方向的移动；Z轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮位于带槽挡板的槽口内，用于锁定粗调节中Z方向的移动；CCD显微放大镜的变焦镜头安装在精密转台上；所述位移平台的最小刻度为2μm；所述精密转台的精调范围为±5°，最小刻度为10′。

本发明的有益效果是：

本发明设置了粗调部分、精调部分两个部分，精调部分确保了调整精度，粗调部分采用了呈十字形设置Z轴移动调整滚珠丝杠机构和X轴移动调整滚珠丝杠机构，极大的方便了操作，实现了快速对刀。本发明的使用实现了在复杂微结构零件精密加工时，进行快速高精度对刀，解决目前对刀装置中普遍存在的操作不方便以及对刀精度低等问题，本发明对刀监控装置能在复杂微结构零件精密加工时进行快速准确的对刀，并且操作方便；同时，还可以实现对复杂微结构零件加工过程的在线监控，使得操作者能观测到复杂微结构零件的整个加工过程，以监控微结构零件的加工表面质量及刀具使用过程中的磨破损程度。利用本发明所述装置在5分钟内可完成对刀。

本发明具体优点主要表现在以下几个方面：

(1)通过调节该装置的粗调和微调旋钮，便能在很短的时间内使得CCD显微放大镜到达正确的位置，因而大大节省了操作者的时间和精力。

(2)采用高倍数的CCD显微镜头，使得微小刀具能在显示屏上放大一千倍，利用常见的对刀方法，即可显著提高对刀精度。

(3)由于整个装置是固定在复杂微结构加工装置上的，因而CCD显微放大镜的位置不容易窜动，在后续对刀过程中可以很快的进行调整。

(4)在微结构零件加工的监控过程中，CCD显微镜头能实现一定角度范围内的回转运动，因而对于不同尺度的微结构零件来说，能满足其加工过程中在线观测的需求。

(5)该装置的主体零部件均采用硬铝合金材料制成，整体质量较轻，并且有较高的强度，而且该装置与复杂微结构精密加工机床的安装与拆卸等均十分方便。

附图说明

图1是本发明的主视图，图2是图1的仰视图，图3是图2的左视图，图4是滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母的结构图，图5是角型支撑件和角型支撑对称件的立体图，图6是带槽档板的立体图，图7是固定上座的立体图，图8是固定下座的立体图；图9是CCD显微镜头与刀具间相对位置示意图。

图中：1-平台底座；2-带槽挡板；3-十字螺钉；4-角型支撑件；5-内六角螺钉；6-光轴卧式支撑座；7-十字螺钉；8-轴承定位片；9-滚珠丝杠；10-挡板；11-滚珠丝杠螺母；12-轴承；13-粗调连接板；14-连接件；15-位移平台；16-精密转台；17-内六角螺钉；18-螺母；19-固定下座；20-固定上座；21-十字螺钉；22-变焦镜头；23-角型支撑对称件；24-十字螺钉；25-胶木手柄；26-锁紧手轮；27-法兰直线轴承；28-光轴；29-电主轴；30-刀具；31-微结构件。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～9所示，本实施方式所述的复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置平台底座1和安装在平台底座1上的粗调部分、精调部分和CCD显微放大镜；定义CCD显微放大镜的变焦镜头22的轴线为X轴、控制复杂微结构件精密加工刀具转动的电主轴29的轴线为Z轴、Y轴为经过X轴和Z轴的交点并垂直于X轴和Z轴所确定平面；所述装置还包括粗调连接板13和连接件14；所述粗调部分由两个结构相同的X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构组成，所述精调部分由位移平台15和精密转台16组成；

X轴移动调整滚珠丝杠机构包括角型支撑件4、角型支撑对称件23、带槽挡板2、挡板10、光轴卧式支撑座6、轴承12、轴承定位片8、滚珠丝杠9、滚珠丝杠螺母11、锁紧手轮26、法兰直线轴承27和光轴28；角型支撑件4、角型支撑对称件23安装在平台底座1的两端上，在角型支撑件4和角型支撑对称件23之间的两侧分别连接有带槽挡板2、挡板10，滚珠丝杠9和光轴28平行设置在由角型支撑件4、角型支撑对称件23、带槽挡板2和挡板10形成的四框体内；滚珠丝杠9的两端通过轴承12分别安装在角型支撑件4和角型支撑对称件23上，每个轴承12的外端面上设有轴承定位片8，位于角型支撑对称件23上的滚珠丝杠9的端部为用于调整的伸出端9-1，位于角型支撑件4和角型支撑对称件23之间的滚珠丝杠螺母11拧在滚珠丝杠9上；光轴28由两端通过光轴卧式支撑座6分别紧固在角型支撑件4和角型支撑对称件23上，位于角型支撑件4和角型支撑对称件23之间的法兰直线轴承27安装在光轴28上；

X轴移动调整滚珠丝杠机构通过角型支撑件4、角型支撑对称件23固装在平台底座1上，Z轴移动调整滚珠丝杠机构位于X轴移动调整滚珠丝杠机构上且二者呈十字形设置；X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构之间通过粗调连接板13连接，Z轴移动调整滚珠丝杠机构通过连接件14与位移平台15连接，位移平台15和精密转台16连接；X轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮26位于带槽挡板2的槽口内，用于锁定粗调节中X方向的移动；Z轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮26位于带槽挡板2的槽口内，用于锁定粗调节中Z方向的移动；CCD显微放大镜的变焦镜头22安装在精密转台16上；所述位移平台15的最小刻度为2μm；所述精密转台16的精调范围为±5°，最小刻度为10′。

本具体实施方式中的位移平台15可以选择日本精机公司生产的RS60-L型号的位移平台。

本具体实施方式中的精密转台16可以选择日本精机公司生产的XY-LM-60型号的精密转台。

本具体实施方式中的具体实施方式二：如图1～9所示，本实施方式所述X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构中的滚珠丝杠9的丝杠螺距为4mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～9所示，本实施方式所述CCD显微放大镜的变焦镜头22通过固定下座19、固定上座20安装在精密转台16上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1～9所示，本实施方式所述X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构中用于调整的伸出端9-1分别安装有胶木手柄25。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

利用本发明所述装置进行对刀监控的具体过程描述：

1、对刀监控装置设计时需要满足的基本条件：

该装置采用高倍数的CCD显微放大镜(型号：MT6350)，其放大倍数最高可达1200倍。由于其放大倍数高，导致其工作距离较小，仅有大约30mm，设为d。如图1所示，令CCD镜头端面与刀具尖端之间的距离为L。要进行对刀操作，CCD的位置需要满足三个条件：1、CCD镜头的轴线要与微结构零件表面严格平行；2、CCD镜头端面与刀具尖端的水平距离L要与工作距离d相等；3、在线监控微结构零件加工表面时，需要使CCD显微放大镜作适当的旋转，以有效观察刀具磨破损状况及微结构零件表面的切削加工过程。

2、示意图及结构联接关系：

本装置的总体结构示意图如图2、3、4所示，该对刀监控装置的粗调部分其丝杠螺距为4mm，因而粗调旋钮每转动一圈，CCD显微放大镜将移动4mm。而精调部分则由位移平台和精密转台组成，在位移平台上通过螺旋千分尺来读数，其最小刻度为2μm，精密转台每一小格的最小刻度为10′。

平台底座1是一块平板，用来固定和支撑整个装置，它有六个沉头孔，用于安装到机床工作台等其他装置上。该对刀监控装置包括粗调部分、精调部分和CCD显微放大镜部分。其中，粗调部分是由两个结构相同的单轴粗调部分组成的，精调部分则由位移平台和精密转台两部分组成。

平台底座1与第一个单轴粗调部分联接，即它与角型支撑件4和角型支撑对称件23联接。在角型支撑件4和角型支撑对称件23两侧由带槽密封板2(带槽档板2)和密封板10(档板10)联接。在角型支撑件4和角型支撑对称件23之间联接着非常重要的滚珠丝杠9和光轴28。其中，光轴28由两端的光轴卧式支承座6卡紧，再联接到角型支撑件4和角型支撑对称件23之间。滚珠丝杠9两端与轴承12配合后，再联接到角型支撑件4和角型支撑对称件23之间，并且两端有轴承定位片8使得轴承12不会窜动。在滚珠丝杠9的伸出端有螺纹与胶木手柄25联接，用于装置的粗调节。与滚珠丝杠螺母11和法兰直线轴承27相联接的是连接件14，当调节胶木手柄25时，连接件14也随之移动。在连接件14上有锁紧手轮26与其联接。

两个单轴粗调部分之间联接有粗调联接板13。第二个单轴粗调部分通过连接件14与位移平台15联接，而位移平台15由螺钉直接和精密转台16联接。位移平台15和精密转台16一起组成了微调部分。

变焦镜头22由固定下座19和固定上座20通过螺栓固定，并与精密转台16进行联接。整个装置通过调节胶木手柄25和微调部分的旋钮，来实现变焦镜头22的沿着X轴和Z轴的直线运动以及绕Y轴的旋转运动。

3、工作原理及操作方法：

在复杂微结构零件的加工过程中，其微结构的特征尺度都很小，一般为0.05mm-0.5mm左右量级。因而，在用高倍CCD显微放大镜对微结构的观测过程中，仅仅采用粗调方式是不够的，必须采用粗调和微调相结合的方式。先用粗调旋钮来移动高倍CCD显微放大镜，使得所要观测的微结构进入到视野之内，并且能初步看清微结构的轮廓。然后，再用精调旋钮使高倍CCD显微放大镜在微小范围内移动，从而将所要观测的微结构调节到最佳的观测状态。在整个过程中，光源产生的光线照射到微结构零件的表面，经反射后到达CCD来成像。CCD产生的图像由数据线传输到上位机，通过显示器显现出来，极大地方便了工作人员的观察和操作。

(1)对刀操作：

首先，将该装置安装到复杂微结构零件精密加工机床上，并且保证微结构毛坯件装卡到位。将光源发生器接通电源，调整摇臂，使得光线照射到零件表面上所需要观测的区域，将光线强弱调整到良好状态。初步调节胶木手柄25和精密转台16的粗调部分，使得变焦镜头22能大致对准光学晶体的侧面。其次，调节变焦镜头22的倍率调节钮，使得CCD显微放大镜处于低倍率的工作条件下。观察由CCD传输到显示屏上的图像，进一步调节胶木手柄25和精密转台16的精调旋钮，保证变焦镜头22中心线与微结构上表面严格平行，在显示屏上能看到模糊的微结构上表面棱边。缓慢移动刀具，调节到可以在显示屏上看到刀尖与棱边有一定距离。再调节位移平台15，使得能够在显示屏上看到清晰的刀尖。再次，调节变焦镜头22的倍率调节钮，使得CCD显微放大镜处于高倍率的工作条件下。此时，显示屏上的刀尖会变得模糊。再调节位移平台15，再次使显示屏上能看到清晰的刀尖。然后，再缓慢移动刀具来进行对刀操作。

(2)监控操作：

首先，将该装置安装到复杂微结构零件精密加工机床上，并且保证微结构零件装卡到位。将光源发生器接通电源，调整摇臂，使得光线照射到零件表面上所需要观测的区域，将光线强弱调整到良好状态。初步调节胶木手柄25和精密转台16的粗调部分，使得变焦镜头22能大致对准微结构表面上所需要观测的区域。其次，调节变焦镜头22的倍率调节钮，使得CCD显微放大镜处于低倍率的工作条件下。观察由CCD传到显示屏上的图像，进一步调节胶木手柄25，使得在显示屏上能看到模糊的微结构表面。此时，将锁紧手轮26拧紧，以保证粗调部分不产生移动。再调节位移平台15和精密转台16的精调旋钮，使得能够在显示屏上看到清晰的微结构表面。再次，调节位移平台15，使得所需要加工的微结构处于显示屏的中央。调节变焦镜头22的倍率调节钮，使得CCD显微放大镜处于高倍率的工作条件下。此时，显示屏上的微结构像会变得模糊。再调节位移平台15，再次使显示屏上微结构表面的像变得清晰。接下来便可以进行对复杂微结构零件的加工操作。

Claims (4)

1.一种复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置，所述装置包括平台底座(1)和安装在平台底座(1)上的粗调部分、精调部分和CCD显微放大镜；定义CCD显微放大镜的变焦镜头(22)的轴线为X轴、控制复杂微结构件精密加工刀具转动的电主轴(29)的轴线为Z轴、Y轴为经过X轴和Z轴的交点并垂直于X轴和Z轴所确定平面；其特征在于：所述装置还包括粗调连接板(13)和连接件(14)；所述粗调部分由两个结构相同的X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构组成，所述精调部分由位移平台(15)和精密转台(16)组成；

X轴移动调整滚珠丝杠机构包括角型支撑件(4)、角型支撑对称件(23)、带槽挡板(2)、挡板(10)、光轴卧式支撑座(6)、轴承(12)、轴承定位片(8)、滚珠丝杠(9)、滚珠丝杠螺母(11)、锁紧手轮(26)、法兰直线轴承(27)和光轴(28)；角型支撑件(4)、角型支撑对称件(23)安装在平台底座(1)的两端上，在角型支撑件(4)和角型支撑对称件(23)之间的两侧分别连接有带槽挡板(2)、挡板(10)，滚珠丝杠(9)和光轴(28)平行设置在由角型支撑件(4)、角型支撑对称件(23)、带槽挡板(2)和挡板(10)形成的四框体内；滚珠丝杠(9)的两端通过轴承(12)分别安装在角型支撑件(4)和角型支撑对称件(23)上，每个轴承(12)的外端面上设有轴承定位片(8)，位于角型支撑对称件(23)上的滚珠丝杠(9)的端部为用于调整的伸出端(9-1)，位于角型支撑件(4)和角型支撑对称件(23)之间的滚珠丝杠螺母(11)拧在滚珠丝杠(9)上；光轴(28)由两端通过光轴卧式支撑座(6)分别紧固在角型支撑件(4)和角型支撑对称件(23)上，位于角型支撑件(4)和角型支撑对称件(23)之间的法兰直线轴承(27)安装在光轴(28)上；

X轴移动调整滚珠丝杠机构通过角型支撑件(4)、角型支撑对称件(23)固装在平台底座(1)上，Z轴移动调整滚珠丝杠机构位于X轴移动调整滚珠丝杠机构上且二者呈十字形设置；X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构之间通过粗调连接板(13)连接，Z轴移动调整滚珠丝杠机构通过连接件(14)与位移平台(15)连接，位移平台(15)和精密转台(16)连接；X轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮(26)位于带槽挡板(2)的槽口内，用于锁定粗调节中X方向的移动；Z轴移动调整滚珠丝杠机构中的锁紧手轮(26)位于带槽挡板(2)的槽口内，用于锁定粗调节中Z方向的移动；CCD显微放大镜的变焦镜头(22)安装在精密转台(16)上；所述位移平台(15)的最小刻度为2μm；所述精密转台(16)的精调范围为±5°，最小刻度为10′。

2.根据权利要求1所述的复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置，所述装置，其特征在于：所述X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构中的滚珠丝杠(9)的丝杠螺距为4mm。

3.根据权利要求1所述的复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置，所述装置，其特征在于：CCD显微放大镜的变焦镜头(22)通过固定下座(19)、固定上座(20)安装在精密转台(16)上。

4.根据权利要求1、2或3所述的复杂微结构件精密加工的CCD对刀与监控装置，所述装置，其特征在于：所述X轴移动调整滚珠丝杠机构和Z轴移动调整滚珠丝杠机构中用于调整的伸出端(9-1)分别安装有胶木手柄(25)。

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