CN102581707A - 具有集成式电极工具的五轴电流变抛光设备 - Google Patents

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张雷
王昕�
冀世军
曲兴田
吴文征
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Abstract

本发明公开了一种具有集成式电极工具的五轴电流变抛光设备，是由设备支座，Z轴运动单元，X轴运动单元，Y轴运动单元、回转工作台和集成式电极工具组成，Z轴运动单元设置在设备支座上，回转工作台设置在Z轴运动单元的Z轴工作台上，集成式电极工具设置在回转工作台上，回转工作台设置在X轴运动单元的X轴工作台上；本发明主要由X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元、两个回转工作台和集成式电极工具实现对导体或非导体材料的自由曲面零件电流变抛光加工；为保证加工精度，每个运动单元都采用了高精度直流伺服电机和高精度光栅尺；本发明还公开了集成式电极工具结构，由于采用集成式电极工具，既可以实现对导体类工件的抛光，也可以实现对非导体类工件的抛光。

Description

具有集成式电极工具的五轴电流变抛光设备
技术领域
本发明涉及一种抛光装置，特别涉及一种具有集成式电极工具的五轴电流变抛光设备。
背景技术
电流变抛光技术是将混有磨料的电流变液体添加到工具与工件之间，利用电流变液体在电场作用下的电流变效应对工件进行抛光的技术。当给电流变液体施加电场后，随着电场强度的增加，工具与工件之间混有磨料的电流变液体粘度增加，剪切阻力增大，混有磨料的电流变液在工具的带动下与工件表面摩擦，从而实现对工件表面抛光的目的。
目前电流变抛光的实现方式是在现有的三轴机床或者自行开发的三坐标移动平台上添加电极工具系统。工具系统针对所抛光工件是导体还是非导体采用不同的方式。对于导体类工件(比如金属材料)，通常采用针状碳化钨棒作为工具电极，连接电源的正极，导体类工件本身连接电源的负极。对于非导体类工件(比如光学玻璃)，通常采用针状碳化钨棒连接电源的正极，采用环形辅助电极连接电源的负极，在正极和负极之间围成的区域就是抛光区域。
三自由度运动无法满足复杂型面工件的抛光运动要求。
而且导体和非导体工件采用不同的电极布置方式，极大地限制了电流变抛光技术的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种五轴电流变抛光设备，该五轴电流变抛光设备能满足复杂型面工件的抛光运动要求，解决了三自由度运动无法满足复杂型面工件抛光的运动问题。
本发明的另一目的是提供一种电流变抛光设备所使用的集成式电极工具，该集成式电极工具的电场施加方式简便，既可以实现对导体类工件的抛光，也可以实现对非导体类工件的抛光。
本发明是由设备支座，Z轴运动单元，X轴运动单元，Y轴运动单元、回转工作台和集成式电极工具组成，Z轴运动单元设置在设备支座上，回转工作台设置在Z轴运动单元的Z轴工作台上，集成式电极工具设置在回转工作台上，回转工作台设置在X轴运动单元的X轴工作台上。
所述Z轴运动单元主要由交流伺服电机，直线导轨，滚珠丝杠，光栅尺和Z轴工作台组成，回转工作台安装在Z轴工作台上，交流伺服电机与精密滚珠丝杠通过联轴器相连，滚珠丝杠与Z轴工作台连接，Z轴工作台与直线导轨组成移动副，光栅尺设置在支座的正面。
Z轴运动单元的工作原理是：交流伺服电机带动滚珠丝杠，由滚珠丝杠将转动转为移动从而带动工作台在直线导轨上进行移动，实现Z轴的直线运动；光栅尺用来对工作台的位置进行检测和反馈，实现Z轴的精准定位。
所述X轴运动单元是由交流伺服电机、直线导轨、X轴工作台、滚珠丝杠、光栅尺和座组成，回转工作台安装在X轴工作台上，交流伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器相连，滚珠丝杠与X轴工作台连接，X轴工作台与直线导轨组成移动副，直线导轨设置在座上，光栅尺设置在座上。
X轴运动单元的工作原理是：交流伺服电机带动滚珠丝杠，由丝杠将转动转为移动从而带动X轴工作台在直线导轨上进行移动，实现X轴的直线运动；光栅尺用来对X轴工作台的位置进行反馈，实现X轴的精准定位。
所述Y轴运动单元是由交流伺服电机、Y轴工作台、滚珠丝杠、直线导轨、光栅尺和座组成，交流伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器相连，滚珠丝杠与Y轴工作台连接，Y轴工作台与直线导轨组成移动副；直线导轨和光栅尺设置在座上，Y轴工作台与X轴运动单元的座相连。
Y轴运动单元的工作原理是：交流伺服电机带动滚珠丝杠，由滚珠丝杠将转动转为移动从而带动Y轴工作台在直线导轨上进行移动，实现Y轴的直线运动；光栅尺用来对Y轴工作台的位置进行反馈，实现Y轴的精准定位。
所述的集成式电极工具采用两种结构。
第一种结构是：集成式电极工具是由工具夹具、电机、导电铜环和集成电极组成，电机输出轴直接与集成电极相连，两个导电铜环分别嵌入工具夹具的两环形槽中，在集成电极的方形槽中各嵌有一金属电极，通过碳刷分别与两导电铜环相连，当集成电极进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环内侧保持接触。当对两导电铜环通以高压直流电时，集成电极的两金属电极之间形成电场，介于两金属电极之间的电流变液会产生电流变效应。
第二种结构是：集成式电极工具是由工具夹具、电机、导电铜环和集成电极组成，电机输出轴直接与集成电极相连，两个导电铜环分别嵌入工具夹具的两环形槽中，集成电极的环形金属电极与下端导电铜环直接接触，集成电极的针状金属电极通过碳刷与上端导电铜环内侧相连。集成电极进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环内侧保持接触。当对两导电铜环通以高压直流电时，集成电极的针状金属电极与环形金属电极之间形成电场，介于两金属电极之间的电流变液会产生电流变效应。环形金属电极内部注有高压绝缘胶，防止针状金属电极根部与环形金属电极内侧发生放电现象。
集成式电极工具的工作原理是：当高压电源通过导线将电压加在导电铜环上，再通过碳刷，最终加在集成电极两金属电极之间，这样实现了在两金属电极之间施加电场的目的。电机带动集成电极旋转，固定在集成电极上的碳刷随之一同旋转，由于碳刷始终与导电铜环内侧保持接触，这样就保证了集成电极的两个金属电极之间始终有恒定的电场，加工过程中电流变液体始终处在高粘度状态。
本发明主要由X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元、两个回转工作台和集成式电极工具实现对导体或非导体材料的自由曲面零件电流变抛光加工；为保证加工精度，每个运动单元都采用了高精度直流伺服电机和高精度光栅尺。
本发明与已有的电流变抛光装置比较后，其有益效果是：
1、本发明可以实现五轴联动，能够对自由曲面工件进行加工。
2、本发明的集成式电极工具结构紧凑，电场施加方式简便。
3、由于采用集成式电极工具，既可以实现对导体类工件的抛光，也可以实现对非导体类工件的抛光。
附图说明
图1为本发明实施例的立体示意图。
图2为本发明之Z轴运动单元的立体示意图。
图3为本发明之X轴运动单元的立体示意图。
图4为本发明之Y轴运动单元的立体示意图。
图5为本发明之集成式电极工具的第一实施例立体示意图。
图6为本发明之集成式电极工具的第二实施例立体示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明的实施例，该实施例是由设备支座101，Z轴运动单元102，X轴运动单元103，Y轴运动单元104、回转工作台105、回转工作台106和集成式电极工具107组成，Z轴运动单元102设置在设备支座101上，回转工作台106设置在Z轴运动单元102的Z轴工作台205上，集成式电极工具107设置在回转工作台106上，回转工作台105设置在X轴运动单元103的X轴工作台303上。
请参阅图1和图2所示，Z轴运动单元102主要由交流伺服电机201，直线导轨202，滚珠丝杠203，光栅尺204和Z轴工作台205组成，回转工作台106安装在Z轴工作台205上，交流伺服电机201与精密滚珠丝杠203通过联轴器相连，滚珠丝杠203与Z轴工作台205连接，Z轴工作台205与直线导轨202组成移动副，光栅尺204设置在支座101的正面。
Z轴运动单元102的工作原理是：交流伺服电机201带动滚珠丝杠203，由滚珠丝杠203将转动转为移动从而带动工作台205在直线导轨202上进行移动，实现Z轴的直线运动；光栅尺204用来对工作台205的位置进行检测和反馈，实现Z轴的精准定位。
请参阅图1和图3所示，X轴运动单元103是由交流伺服电机301、直线导轨302、X轴工作台303、滚珠丝杠304、光栅尺305和座306组成，回转工作台105安装在X轴工作台303上，交流伺服电机301与滚珠丝杠304通过联轴器相连，滚珠丝杠304与X轴工作台303连接，X轴工作台303与直线导轨302组成移动副，直线导轨302设置在座306上，光栅尺305设置在座306上。
X轴运动单元103的工作原理是：交流伺服电机301带动滚珠丝杠304，由丝杠将转动转为移动从而带动X轴工作台303在直线导轨302上进行移动，实现X轴的直线运动；光栅尺305用来对X轴工作台303的位置进行反馈，实现X轴的精准定位。
请参阅图1和图4所示，Y轴运动单元104是由交流伺服电机401、Y轴工作台402、滚珠丝杠403、直线导轨404、光栅尺405和座406组成，交流伺服电机401与滚珠丝杠403通过联轴器相连，滚珠丝杠403与Y轴工作台402连接，Y轴工作台402与直线导轨404组成移动副；直线导轨404和光栅尺405设置在座406上，Y轴工作台402与X轴运动单元103的座306相连。
Y轴运动单元104的工作原理是：交流伺服电机401带动滚珠丝杠403，由滚珠丝杠403将转动转为移动从而带动Y轴工作台402在直线导轨404上进行移动，实现Y轴的直线运动；光栅尺405用来对Y轴工作台402的位置进行反馈，实现Y轴的精准定位。
本发明中，集成式电极工具107采用两种结构。
第一种结构是：请参阅图5所示，集成式电极工具107是由工具夹具711、电机712、导电铜环713和集成电极714组成，电机712输出轴直接与集成电极714相连，两个导电铜环713分别嵌入工具夹具711的两环形槽中，在集成电极714的方形槽中各嵌有一金属电极，通过碳刷分别与两导电铜环713相连，当集成电极714进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环713内侧保持接触。当对两导电铜环713通以高压直流电时，集成电极714的两金属电极之间形成电场，介于两金属电极之间的电流变液会产生电流变效应。
第二种结构是：请参阅图6所示，集成式电极工具107是由工具夹具721、电机722、导电铜环723和集成电极724组成，电机722输出轴直接与集成电极724相连，两个导电铜环723分别嵌入工具夹具721的两环形槽中，集成电极724的环形金属电极与下端导电铜环直接接触，集成电极724的针状金属电极通过碳刷与上端导电铜环内侧相连。集成电极724进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环723内侧保持接触。当对两导电铜环723通以高压直流电时，集成电极724的针状金属电极与环形金属电极之间形成电场，介于两金属电极之间的电流变液会产生电流变效应。环形金属电极内部注有高压绝缘胶，防止针状金属电极根部与环形金属电极内侧发生放电现象。
集成式电极工具107的工作原理是：当高压电源通过导线将电压加在导电铜环713或导电铜环723上，再通过碳刷，最终加在集成电极714或集成电极724两金属电极之间，这样实现了在两金属电极之间施加电场的目的。电机712或电机722带动集成电极714或集成电极724旋转，固定在集成电极714或集成电极724上的碳刷随之一同旋转，由于碳刷始终与导电铜环713或导电铜环723内侧保持接触，这样就保证了集成电极714或集成电极724的两个金属电极之间始终有恒定的电场，加工过程中电流变液体始终处在高粘度状态。
本发明主要由X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元、两个回转工作台和集成式电极工具实现对导体或非导体材料的自由曲面零件电流变抛光加工；为保证加工精度，每个运动单元都采用了高精度直流伺服电机和高精度光栅尺。
本发明与已有的电流变抛光装置比较后，其有益效果是：
1、本发明可以实现五轴联动，能够对自由曲面工件进行加工；
2、本发明的集成式电极工具结构紧凑，电场施加方式简便；
3、由于采用集成式电极工具，既可以实现对导体类工件的抛光，也可以实现对非导体类工件的抛光。

Claims (3)

1.一种具有集成式电极工具的五轴电流变抛光设备，其特征在于：是由设备支座(101)，Z轴运动单元(102)，X轴运动单元(103)，Y轴运动单元(104)、回转工作台(105)、回转工作台(106)和集成式电极工具(107)组成，Z轴运动单元(102)设置在设备支座(101)上，回转工作台(106)设置在Z轴运动单元(102)的Z轴工作台(205)上，集成式电极工具(107)设置在回转工作台(106)上，回转工作台(105)设置在X轴运动单元(103)的X轴工作台(303)上；
所述的Z轴运动单元(102)主要由交流伺服电机(201)，直线导轨(202)，滚珠丝杠(203)，光栅尺(204)和Z轴工作台(205)组成，回转工作台(106)安装在Z轴工作台(205)上，交流伺服电机(201)与精密滚珠丝杠(203)通过联轴器相连，滚珠丝杠(203)与Z轴工作台(205)连接，Z轴工作台(205)与直线导轨(202)组成移动副，光栅尺(204)设置在支座(101)的正面；
所述的X轴运动单元(103)是由交流伺服电机(301)、直线导轨(302)、X轴工作台(303)、滚珠丝杠(304)、光栅尺(305)和座(306)组成，回转工作台(105)安装在X轴工作台(303)上，交流伺服电机(301)与滚珠丝杠(304)通过联轴器相连，滚珠丝杠(304)与X轴工作台(303)连接，X轴工作台(303)与直线导轨(302)组成移动副，直线导轨(302)设置在座(306)上，光栅尺(305)设置在座(306)上；
所述的Y轴运动单元(104)是由交流伺服电机(401)、Y轴工作台(402)、滚珠丝杠(403)、直线导轨(404)、光栅尺(405)和座(406)组成，交流伺服电机(401)与滚珠丝杠(403)通过联轴器相连，滚珠丝杠(403)与Y轴工作台(402)连接，Y轴工作台(402)与直线导轨(404)组成移动副；直线导轨(404)和光栅尺(405)设置在座(406)上，Y轴工作台(402)与X轴运动单元(103)的座(306)相连。
2.如权利要求1所述的一种集成式电极工具，其特征在于：是由工具夹具(711)、电机(712)、导电铜环(713)和集成电极(714)组成，电机(712)输出轴直接与集成电极(714)相连，两个导电铜环(713)分别嵌入工具夹具(711)的两环形槽中，在集成电极(714)的方形槽中各嵌有一金属电极，通过碳刷分别与两导电铜环(713)相连，当集成电极(714)进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环(713)内侧保持接触。
3.如权利要求1所述的一种集成式电极工具，其特征在于：是由工具夹具(721)、电机(722)、导电铜环(723)和集成电极(724)组成，电机(722)输出轴直接与集成电极(724)相连，两个导电铜环(723)分别嵌入工具夹具(721)的两环形槽中，集成电极(724)的环形金属电极与下端导电铜环直接接触，集成电极(724)的针状金属电极通过碳刷与上端导电铜环内侧相连。集成电极(724)进行旋转运动时，碳刷始终与导电铜环(723)内侧保持接触。
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