CN102922420A - 一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于超精密光学表面加工领域的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置。包括电机、减速机、气动旋转接头、固定架、齿轮、皮带、自转驱动杆、自转传递杆、自转轴、公转驱动套筒、公转箱体、自转轴固定块、偏心调节座、气缸、球头、抛光盘；工作时，通过调节自转轴固定块在偏心调节座上的位置，实现大偏心量的连续调节；气体依次通过气动旋转接头、自转驱动杆、自转轴传到气缸，最终对抛光盘施加压力，通过定量的改变气压来调节作用在抛光盘上的压力，实现对光学元件的确定性加工。本发明适用于大口径光学元件的超精密表面加工。

Description

一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置

技术领域

本发明涉及一种小工具头抛光装置，尤其是涉及一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。

背景技术

近年来，新型光电成像系统日益呈现出大视场、高分辨率的技术发展趋势，从分辨率模型角度讲，要求光学系统中关键光学元件包括反/透射镜呈现出大口径、非球面、离轴、高精度的技术特点，从而对现有的光学加工装置提出了更高的要求，进而促动新型工具结构形式和工艺方法的开发。

为了实施高精度光学反/透射镜的计算机数控研磨抛光，上世纪70年代初期，美国Itek公司的W.J.Rupp提出了计算机控制光学表面成形技术（Computer Controlled OpticalSurfacing,CCOS）。从工作原理上讲，该技术根据定量的面形检测数据，按照预先设定的加工路径和去除函数，通过相应的驻留时间的算法，生成加工文件；之后，根据该加工文件，由计算机控制一个小工具头，按照驻留时间改变小工具头的横向移动速度，实现对光学零件进行确定性的研磨或抛光，最终达到面形精度的快速收敛。该技术充分发挥了计算机执行速度快、记忆准确、精度高等优势，使加工的重复精度及效率大幅度提高。

数控小工具抛光技术的理论基础是普林斯顿方程，其表述为：单位时间内的去除量与压力和速度成正比。按照该原理，数控抛光的过程是去除函数与驻留时间按照路径卷积的去除过程。为了实现高的面形收敛效率，在整个的加工过程中，去除函数应该保持不变。该特点要求施加在小工具头上的压力以及工具头的速度要保持稳定。稳定速度通过数控系统控制的伺服电机很容易获得。获得稳定的压力成为数控小工具抛光的关键技术之一。目前的压力施加方法主要有弹簧施压、抛光盘的自重施压，加工过程中压力变化较大，并且不易对压力进行定量的控制，不利于获得稳定的、高重复性的去除函数。

同时，大口径的光学元件加工中，抛光盘太小容易产生中高频误差，降低光学元件的性能。因此，去除函数的尺寸一般为待加工光学元件加工尺寸的1/4~1/12,2m米口径的光学元件一般需要300mm口径以上的抛光盘（考虑到偏心比为0.8左右）；随着光学元件加工口径的增大，所需的抛光盘口径也相应的增加，这导致盘子与工件之间的接触面积加大，摩擦力急剧增大，扭矩增加，尤其是在压力比较大的情况下。目前，数控小工具抛光装置的结构不容易实现如此大的扭矩，往往造成机床的超负荷工作，甚至造成伺服电机因为超负荷而停止工作，这就大大减少了机床的使用寿命和稳定性。

性能优异的去除函数往往能大幅度地提高面形收敛效率，获得优异的去除函数往往需要有较大的偏心量，偏心量的大小一般取抛光盘半径的0.7~0.8倍，对于300mm口径的抛光盘，其偏心量往往要达到120mm。采用传统公自转结构的抛光装置，要实现如此大的偏心量，需要口径350mm左右的轴承，这在市场上是很少见的，并且成本十分高昂。

发明内容

本发明针对传统的公自转数控抛光装置存在的压力不稳定、不定量，以及扭矩不足、偏心量较小等问题，提出了一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，通过采用新型的传动结构以及气压施力方式，解决了数控小工具光学表面加工中由于压力不稳定以及不定量造成的去除函数不稳定的问题，同时解决了大口径光学元件加工中所需要的大偏心量，大扭矩的问题，是一种结构精巧、集成化程度高、稳定性好的精密光学表面加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明是属于超精密光学表面加工领域的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置。包括自转电机、公转电机、自转减速机、公转减速机、自转齿轮、公转齿轮、自转驱动杆上齿轮、公转驱动套筒上齿轮、自转驱动杆上轴承、公转驱动套筒上轴承、公转驱动套筒下轴承、自转驱动杆上气动旋转接头、公转驱动套筒、自转驱动杆、固定架、自转驱动杆下轴承、公转箱体、自转驱动杆下齿轮、自转驱动杆下气动旋转接头、自转传递杆上齿轮、自转传递杆下齿轮、自转传递杆上轴承、自转传递杆下轴承、自转传递杆、自转轴气动旋转接头、自转轴上齿轮、自转轴上轴承、自转轴、自转轴套筒、自转轴下轴承、键槽、气缸、球头、抛光盘、偏心调节座、自转轴固定块、外壳、转接板、销子。

所述的公自转结构是一种新型运动传递方式，采用自转驱动杆、自转传递杆、自转轴的传递方式实现自转运动；采用公转驱动套筒和公转箱体结构，产生公转运动。

所述的公转箱体能够实现较大偏心量的连续调节。

所述的公自转结构能产生大于伺服电机5倍以上的扭矩。

所述的施力方式是通过气体施压，获得了稳定的并且定量的压力。

所述轴、齿轮、杆、套筒、轴承、支架、外壳都由高强度的材料制成。

所述抛光装置通过转接板固定在精密机床上，使得装置整体做多自由度的精密运动。

本发明所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的工作过程如下：

加工过程中，通过精密数控机床将该抛光装置移动到工件上待加工点的位置，开启气泵，气体通过自转驱动杆上旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转驱动杆、自转驱动杆下旋转接头、气管、自转轴上旋转接头、中空的自转轴，最后进入气缸，实现对抛光盘的稳定施压。自转电机利用皮带带动自转驱动杆转动，自转驱动杆通过齿轮和皮带带动自转传递杆转动，自转传递杆又通过齿轮和皮带带动自转轴转动，使抛光盘产生自转运动；公转电机通过皮带带动公转驱动套筒转动，进而带动公转箱体转动，自转轴跟随公转箱体转动，使抛光盘产生公转运动；抛光盘在工件上做公、自转的行星式运动，获得了类高斯型的去除函数。

有益效果：

本发明的优点在于解决了数控小工具光学表面加工中由于压力不稳定和不定量性造成的去除函数不稳定的问题，同时解决了大口径光学元件加工中所需要的大偏心量，大扭矩的问题。结合高精度的数控机床，能够实现对大口径光学元件的快速、高质量的确定性加工。

附图说明

图1为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的剖面视图；

图2为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置侧视图；

图3为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的偏心调节座结构图；

图4为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的自转轴固定块结构图；

图5为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的气缸球头结构图；

图6为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的抛光盘剖面图；

其中：1-自转电机，2-公转电机，3-自转减速机，4-公转减速机，5-自转齿轮，6-公转齿轮，7-自转驱动杆上齿轮，8-公转驱动套筒上齿轮，9-自转驱动杆上轴承，10-公转驱动套筒上轴承，11-公转驱动套筒下轴承，12-自转驱动杆上气动旋转接头，13-公转驱动套筒，14-自转驱动杆，15-固定架，16-自转驱动杆下轴承，17-公转箱体，18-自转驱动杆下齿轮，19-自转驱动杆下气动旋转接头，20-自转传递杆上齿轮，21-自转传递杆下齿轮，22-自转传递杆上轴承，23-自转传递杆下轴承，24-自转传递杆，25-自转轴气动旋转接头，26-自转轴上齿轮，27-自转轴上轴承，28-自转轴，29-自转轴套筒，30-自转轴下轴承，31-键槽，32气缸，33-球头，34-抛光盘，35-偏心调节座，36-自转轴固定块，37-外壳，38-转接板，39-偏心调节槽，40-自转轴固定块固定螺孔，41-自转传递杆固定螺孔，42-自转传递杆下轴承孔，43-偏心调节座固定螺纹孔，44-偏心微调孔，45-销子，46抛光盘销子孔，47球头座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的剖面结构示意图，包括：1-自转电机，2-公转电机，3-自转减速机，4-公转减速机，5-自转齿轮，6-公转齿轮，7-自转驱动杆上齿轮，8-公转驱动套筒上齿轮，9-自转驱动杆上轴承，10-公转驱动套筒上轴承，11-公转驱动套筒下轴承，12-自转驱动杆上气动旋转接头，13-公转驱动套筒，14-自转驱动杆，15-固定架，16-自转驱动杆下轴承，17-公转箱体，18-自转驱动杆下齿轮，19-自转驱动杆下气动旋转接头，20-自转传递杆上齿轮，21-自转传递杆下齿轮，22-自转传递杆上轴承，23-自转传递杆下轴承，24-自转传递杆，25-自转轴气动旋转接头，26-自转轴上齿轮，27-自转轴上轴承，28-自转轴，29-自转轴套筒，30-自转轴下轴承，31-键槽，32-气缸，33-球头，34-抛光盘，35-偏心调节座，36-自转轴固定块。

其中，自转电机1连接有自转减速机3，固定在固定架15上；公转电机2连接有公转减速机4，固定在固定架15上；自转减速机3的输出端连接有自转齿轮5，自转齿轮5通过皮带与自转驱动杆上齿轮7相连，公转减速机4的输出端上连接有公转齿轮6，公转齿轮6通过皮带与公转驱动套筒上齿轮8相连；自转驱动杆上气动旋转接头12位于自转驱动杆14的顶端，气体从自转驱动杆上气动旋转接头12进入该装置；自转驱动杆14通过自转驱动杆上轴承9和自转驱动杆下轴承16固定在公转驱动套筒13上，公转驱动套筒13通过公转驱动套筒上轴承10和公转驱动套筒上轴承11固定在固定架15上；公转驱动套筒13通过螺栓与公转箱体17连接，自转驱动杆下气动旋转接头19与自转轴气动旋转接头25通过气管相连，自转驱动杆下齿轮18通过皮带与自转传递杆上齿轮20相连，自转传递杆上齿轮20与自转传递杆下齿轮21固定在自转传递杆24上，自转传递杆24分别通过自转传递杆上轴承22和自转传递杆下轴承23固定在公转箱体17上，自转传递杆下齿轮21与自转轴上齿轮26通过皮带相连，自转轴28通过自转轴上轴承27和自转轴下轴承30固定在自转轴套筒29上，自转轴套筒29固定在自转轴固定块36上，自转轴固定块36固定在偏心调节座35上。偏心调节座35通过螺栓固定在公转箱体17上，键槽31位于自转轴28末端，并与气缸32通过不锈钢键相连，球头33位于气缸下端，二者连为一体，球头沉入抛光盘34的球头座47中。

如图2所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的侧视图，外壳37固定在固定架15上，转接板38一端与固定架15相连，另一端固定在数控机床上。

如图3所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的偏心调节座部分结构图，自转轴固定块固定螺孔40用于固定自转轴固定块36，自转传递杆固定螺孔41固定自转传递杆24。自转传递杆下轴承孔42用于固定自转传递杆下轴承23。偏心调节座固定螺纹孔43用于将该部分固定于公转箱体17上。

如图4所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的自转轴固定块结构图，螺栓穿过偏心微调孔44将自转轴固定块固定在自转轴固定块固定螺孔40上。

如图5所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的气缸、球头部分结构图，销子45穿过球头33，穿进抛光盘销子孔46中，带动抛光盘34旋转。

如图6所示，为本发明的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的抛光盘剖面图，销子45两端穿进抛光盘销子孔46中，通过球头33带动抛光盘34旋转，使抛光盘产生自转运动。

Claims (8)

1.一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，包括自转电机、公转电机、自转减速机、公转减速机、自转齿轮、公转齿轮、自转驱动杆上齿轮、公转驱动套筒上齿轮、自转驱动杆上轴承、公转驱动套筒上轴承、公转驱动套筒下轴承、自转驱动杆上气动旋转接头、公转驱动套筒、自转驱动杆、固定架、自转驱动杆下轴承、公转箱体、自转驱动杆下齿轮、自转驱动杆下气动旋转接头、自转传递杆上齿轮、自转传递杆下齿轮、自转传递杆上轴承、自转传递杆下轴承、自转传递杆、自转轴气动旋转接头、自转轴上齿轮、自转轴上轴承、自转轴、自转轴套筒、自转轴下轴承、键槽、气缸、球头、抛光盘、偏心调节座、自转轴固定块、外壳、转接板、销子。

上述组成部分的连接关系为：

公转电机、自转电机分别连接减速比为5:1的公转减速机和自转减速机，公转减速机和自转减速机分别固定在固定架上；自转减速机末端连接自转齿轮，自转齿轮通过皮带与自转驱动杆上齿轮连接，自转驱动杆上齿轮固定在在自转驱动杆上；公转减速机末端连接公转齿轮，公转齿轮通过皮带与公转驱动套筒上齿轮连接，公转驱动套筒上齿轮固定在公转驱动套筒上；自转驱动杆两端分别通过自转驱动杆上、下轴承固定在公转驱动套筒上，公转驱动套筒两端分别通过公转驱动套筒上、下轴承固定在固定架上；自转驱动杆上旋转接头固定在自转驱动杆顶端，外界气泵传出的气体，通过该旋转接头传入中空的自转驱动杆；公转驱动套筒过螺栓与公转箱体连接；自转驱动杆下齿轮通过皮带与自转传递杆上齿轮相连，自转传递杆上、下齿轮都固定在自转传递杆上，自转传递杆两端通过自转传递杆上、下轴承固定在公转箱体上；自转传递杆下齿轮与自转轴上齿轮通过皮带连接；自转驱动杆下气动旋转接头固定在自转驱动杆下端，并通过气管与自转轴上气动旋转接头连接，自转轴上气动旋转接头固定在自转轴的顶端；自转轴套筒通过自转轴固定块固定在偏心调节座上，偏心调节座固定在公转箱体上，跟随公转箱体一起转动，从而带动自转轴做公转运动；自转轴通过自转轴上、下轴承固定在自转轴套筒上，自转轴的下端通过键槽带动气缸、球头转动；气缸内部通过密封圈进行了密封，保证气体不会泄露；球头通过销子与抛光盘相连，球头的转动带动抛光盘产生自转运动。

本发明所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置的工作过程如下：

加工过程中，通过精密数控机床将该抛光装置移动到工件上待加工点的位置，开启气泵，气体通过自转驱动杆上旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转驱动杆、自转驱动杆下旋转接头、气管、自转轴上旋转接头、中空的自转轴，最后进入气缸，实现对抛光盘的稳定施压。自转电机利用皮带和齿轮的传递，依次带动自转驱动杆、自转传递杆、自转轴、气缸、球头转动，最终由球头带动抛光盘产生自转运动；公转电机通过皮带带动公转驱动套筒转动，进而带动公转箱体转动，自转轴跟随公转箱体转动，使抛光盘产生公转运动；抛光盘在工件上做公、自转的行星式运动，通过调节偏心量和公自传速度比，获得类高斯型的去除函数。

2.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的自转运动由自转电机产生，经过皮带和齿轮的传动，依次带动自转驱动杆、自转传递杆、自转轴、气缸、球头转动，最终由球头带动抛光盘产生自转运动。

3.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的公转箱体采用环形偏心调节结构，能够实现偏心量在较大范围内的连续调节，适用于大口径光学表面的加工。

4.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的公自转结构，通过减速机和各级齿轮实现减速，产生大于伺服电机5倍以上的扭矩，适用于大口径光学表面的加工。

5.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的公转箱体代替了以往的大口径轴承，使结构更加紧凑、合理。

6.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：自转轴不仅带动抛光盘产生自转运动，并且作为气缸的活塞推杆使用。

7.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的气压施加方式为：气体依次通过气动旋转接头、自转驱动杆、自转轴，最后传到气缸，实现对抛光盘施加压力。

8.根据权利要求1所述的一种可调大偏心量公转箱体式气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的轴、齿轮、杆、套筒、轴承、支架、外壳都由高强度的材料制成。

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