CN102962764A

CN102962764A - 一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置

Info

Publication number: CN102962764A
Application number: CN2012105481988A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 董志超
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: CN102962764B

Abstract

本发明公开了属于超精密光学表面加工领域的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置。包括电机、固定架、基座、带轮、皮带、万向节、气动旋转接头、自转轴、自转传递杆、公转块、燕尾滑块、燕尾槽、气缸、球头、抛光盘；工作时，通过调节燕尾滑块在燕尾槽中的位置来改变自转轴的偏心量；自转电机与自转轴通过可伸缩的万向节连接，实现自转运动的刚性传递；一定气压的气体依次通过气动旋转接头、中空的自转传递杆、中空的自转轴，进入气缸，对抛光盘施加确定的压力，最终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

一种刚性偏心传动公自转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，尤其是涉及一种刚性偏心传动公自转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，新一代的航天相机、空/地基大口径光学望远镜等大型光学系统的发展非常迅速，从而对高精度大口径光学非球面元件的加工技术提出了新的要求，特别是离轴、高陡度元件，要求数控抛光机床具有精确的三维位姿控制能力，能够提供大口径、高去除效率、高稳定性的去除函数，这些需求极大的促进了新型工具结构形式及相关工艺方法的开发。

计算机控制光学表面成形技术（Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS）产生于上世纪70年代初期，最早由美国Itek公司的W.J.Rupp为了实施高精度光学元件的计算机数控研磨抛光而提出。该技术根据光学元件的轮廓测量数据，得到相对于理论曲面的误差分布数据，设定合适的研抛路径和去除函数，再经过各种数据处理得到每个路径点上的驻留时间，生成数控加工文件，通过CCOS数控加工设备控制一个小工具头对该表面进行确定性的研磨或抛光，经过多次的迭代加工，最终达到面形精度的快速收敛。该技术将面形误差数据进行了定量的去除，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。加工路径以及路径点上的驻留时间由数控系统完成，为了实现高的面形收敛效率，在整个的加工过程中，去除函数的形状以及峰值去除率应该保持不变，这种稳定的去除函数是通过精密的工具头以及合理的工艺参数实现的。这就要求施加在小工具头上的压力要保持稳定。获得稳定的压力成为数控小工具抛光的关键技术之一。目前的压力施加装置主要有弹簧施压、抛光盘的自重施压、侧面进气施压，其中，前两种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。而侧面进气的压力施加结构的气体密封较为复杂，密封圈存在严重的磨损、发热现象，长时间使用后，会产生漏气的现象，使抛光盘上获得的压力的稳定性大大的降低。

按照CCOS技术一般要求去除函数为具有中心峰值的类高斯形。偏心公自转结构是一种产生类高斯形去除函数的常见结构形式，现有的小工具抛光装置，为了实现偏心公自转运动，通常采用弹性软轴连接自转电机和自转主轴。然而软轴在扭矩较大时容易折断，长时间使用后容易脱离主轴，并且存在扭矩的积累/释放问题（主轴不能立刻启动/停止），是一种非刚性的扭矩传递，降低了这类抛光装置在大口径光学元件加工中的应用。

发明内容

本发明针对现有的数控抛光装置存在的软轴传动扭矩不足、非刚性扭矩传递，以及压力不能定量控制等问题，提出了一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，通过采用新型的刚性偏心传动结构以及顶端进气的气压施力方式，解决了数控小工具光学表面加工中自转轴扭矩不足、易折断、扭矩积累/释放，以及由于压力不定量造成的去除函数不稳定等问题，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刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置。包括自转电机、公转电机、自转电机座、公转电机座、自转带轮、公转带轮、自转传递杆带轮、公转块带轮、自转皮带、公转皮带、自转传递杆、公转块、自转传递杆轴承、公转块轴承、自转传递杆上气动旋转接头、自转传递杆下气动接头、自转轴气动接头、万向节、自转轴、自转轴套筒、自转轴轴承、燕尾滑块、燕尾槽、偏心调节杆、偏心调节杆固定座、键槽、气缸、气缸活塞、球头、抛光盘、销子、固定架、基座、转接板。

所述的自转运动由自转电机产生，经过皮带和带轮的传动，依次带动自转传递杆、万向节、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。

所述的可伸缩刚性万向节连接自转传递杆和自转轴，实现偏心自转运动的刚性传递，不存在扭矩积累/释放的问题。

所述的可伸缩万向节能够满足大偏心量（大于100mm）下的稳定的偏心公自转运动。

所述自转传递杆、自转轴采用中空的结构，且自转轴下端作为气缸使用。

所述的气体从该装置的自转传递杆上气动旋转接头进入，经过中空的自转传递杆、气管、中空的自转轴，最后进入气缸，推动活塞对抛光盘施加压力。

所述的气缸用密封圈密封，且密封圈随气缸内壁以及气缸活塞同步转动，不存在发热与磨损的现象，稳定性好，长时间使用后气体不会泄露。

所述轴、带轮、杆、套筒、轴承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。

本发明所述的一种刚性偏心传动公自转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，气体通过自转传递杆上气动旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转传递杆、自转传递杆下气动接头、气管、自转轴气动接头、中空的自转轴，最后进入气缸，推动气缸活塞，实现对抛光盘的稳定施压。自转电机利用皮带和带轮的传递，依次带动自转传递杆、可伸缩的万向节、自转轴、气缸活塞、球头转动，最终由球头带动抛光盘产生自转运动；公转电机通过皮带和带轮带动公转块转动，公转块带动燕尾滑块转动，进而自转轴套筒、自转轴做公转运动，带动抛光盘做公转运动；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转速度比，获得类高斯型的去除函数，结合各种加工路径和驻留时间，对光学元件的表面进行确定性的加工。

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软轴传动扭矩不足、易折断、扭矩积累/释放等问题，同时解决了传统小工具头装置由于压力不能定量控制造成的去除函数不稳定的问题。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、高质量的确定性表面加工。

附图说明

图1为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置在偏心量为零时的剖面视图；

图2为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置在偏心量不为零时的剖面视图；

图3为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置的侧面视图；

图4为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置的偏心调节结构图；

其中：1-自转电机，2-自转带轮，3-自转电机座，4-自转皮带，5-自转传递杆上气动旋转接头，6-自转传递杆带轮，7-自转传递杆，8-自转传递杆轴承，9-自转传递杆下气动接头，10-万向节，11-转接板，12-固定架，13-公转电机，14-公转带轮，15-公转电机座，16-公转皮带，17-公转块带轮，18-自转轴气动接头，19-自转轴套筒，20-自转轴轴承，21-基座，22-公转块轴承，23-公转块，24-偏心调节杆，25-偏心调节杆固定座，26-燕尾槽，27-燕尾滑块，28-气缸，29-气缸活塞，30-球头，31-抛光盘，32-自转轴。

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，为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置在偏心量为零的剖面结构示意图，包括：1-自转电机，2-自转带轮，3-自转电机座，4-自转皮带，5-自转传递杆上气动旋转接头，6-自转传递杆带轮，7-自转传递杆，8-自转传递杆轴承，9-自转传递杆下气动接头，10-万向节，11-转接板，12-固定架，13-公转电机，14-公转带轮，15-公转电机座，16-公转皮带，17-公转块带轮，18-自转轴气动接头，19-自转轴套筒，20-自转轴轴承，21-基座，22-公转块轴承，23-公转块，24-偏心调节杆，25-偏心调节杆固定座，26-燕尾槽，27-燕尾滑块，28-气缸，29-气缸活塞，30-球头，31-抛光盘，32-自转轴。

其中，自转电机1通过自转电机座3固定在固定架12上，自转带轮2固定在自转电机1的转子上，通过自转皮带4与固定在中空的自转传递杆7上的自转传递杆带轮6连接，自转传递杆7通过自转传递杆轴承8旋转固定在固定架12上，其顶端的螺纹孔中固定有自转传递杆上气动旋转接头5，其下端通过万向节10与自转轴32的顶端连接，自转传递杆下气动接头9通过气管与自转轴气动接头18连接；公转电机13通过公转电机座15固定在转接板11上，公转带轮14固定在公转电机13的转子上，与公转块带轮17通过公转皮带16连接，公转块带轮17通过螺钉固定在公转块23上，公转块23通过公转块轴承22旋转安装在基座21上，固定架12也通过螺钉固定在基座21上，基座21固定在转接板11上；自转轴32通过自转轴轴承20旋转安装在与燕尾滑块27通过螺钉连接的自转轴套筒19上，燕尾滑块27位于可调松紧的燕尾槽26中，带有螺纹的偏心调节杆24穿过固定在公转块23上的偏心调节杆固定座25的螺纹孔与燕尾滑块27连接，通过偏心调节杆24调节燕尾滑块27在燕尾槽26中的位置，实现偏心量的调节；气缸28位于自转轴32的末端，气缸28的内壁通过键槽和键带动气缸活塞29旋转，气缸活塞29与气缸28内壁通过密封圈密封，气缸活塞29的下端带有螺纹，与带有螺纹孔的球头30固定在一起，球头30插入抛光盘31中，并通过销子带动抛光盘31转动。

如图2所示，为本发明的一种万向节传动公自转气压施力数控抛光装置在偏心量不为零时的剖面视图，相比图1所述的偏心为零的状态，通过调节偏心调节杆24，推动燕尾滑块27在燕尾槽26中右移，从而带动自转轴套筒19，连同自转轴32一起右移，最终抛光盘31移出公转块的中心位置，实现了抛光盘的偏心量调节。

如图3所示，为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置的侧面视图，固定架12通过螺钉固定在基座21上，基座21固定在转接板11上，转接板11固定在精密数控机床上，在数控机床的控制下对光学元件的表面进行确定性的加工。

如图4所示，为本发明的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置的偏心调节结构图，调节偏心调节杆24的位置，可以改变燕尾滑块27在燕尾槽26中的位置，进而自转轴套筒19、自转轴轴承20、自转轴32偏离了公转块23的中心，实现了自转轴偏心量的调节。

Claims

1.一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，包括自转电机、公转电机、自转电机座、公转电机座、自转带轮、公转带轮、自转传递杆带轮、公转块带轮、自转皮带、公转皮带、自转传递杆、公转块、自转传递杆轴承、公转块轴承、自转传递杆上气动旋转接头、自转传递杆下气动接头、自转轴气动接头、万向节、自转轴、自转轴套筒、自转轴轴承、燕尾滑块、燕尾槽、偏心调节杆、偏心调节杆固定座、键槽、气缸、气缸活塞、球头、抛光盘、销子、固定架、基座、转接板。

上述组成部分的连接关系为：

自转电机通过自转电机座固定在固定架上，自转带轮固定在自转电机的转子上，并通过自转皮带与固定在中空的自转传递杆上的自转传递杆带轮连接，自转传递杆通过自转传递杆轴承旋转固定在固定架上，其顶端的螺纹孔中固定有自转传递杆上气动旋转接头，其下端通过万向节与自转轴的顶端连接，自转传递杆下气动接头通过气管与自转轴顶端的气动接头连接；公转电机通过公转电机座固定在转接板上，公转带轮固定在公转电机转子上，与公转块带轮通过公转皮带连接，公转块带轮通过螺钉固定在公转块上，公转块通过公转块轴承旋转安装在基座上，固定架也通过螺钉固定在基座上，基座固定在转接板上；自转轴通过自转轴轴承旋转安装在与燕尾滑块通过螺钉连接的自转轴套筒上，燕尾滑块位于可调松紧的燕尾槽中，带有螺纹的偏心调节杆穿过固定在公转块上的偏心调节杆固定座的螺纹孔与燕尾滑块连接，通过偏心调节杆调节燕尾滑块在燕尾槽中的位置，实现自转轴偏心量的调节；气缸位于自转轴的末端，气缸的内壁通过键槽和键带动气缸活塞旋转，气缸活塞与气缸内壁通过密封圈密封，气缸活塞的下端带有螺纹，与带有螺纹孔的球头固定在一起，球头插入抛光盘中，并通过销子带动抛光盘转动。

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，气体通过自转传递杆上气动旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转传递杆、自转传递杆下气动接头、气管、自转轴气动接头、中空的自转轴，最后进入气缸，推动气缸活塞，实现对抛光盘的稳定施压。自转电机利用皮带和带轮的传递，依次带动自转传递杆、可伸缩的万向节、自转轴、气缸活塞、球头转动，最终由球头带动抛光盘产生自转运动；公转电机通过皮带和带轮带动公转块转动，公转块带动燕尾滑块转动，进而自转轴套筒、自转轴做公转运动，带动抛光盘做公转运动；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、自转速度比，获得类高斯型的去除函数，结合各种加工路径和驻留时间，对光学元件的表面进行确定性的加工。

2.根据权利要求1所述的一种刚性偏心传动公自转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，经过带轮和皮带的传动，依次带动自转传递杆、万向节、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所述的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的可伸缩刚性万向节连接自转传递杆和自转轴，实现偏心自转运动的刚性传递，不存在扭矩积累/释放的问题。

4.根据权利要求1所述的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的可伸缩万向节能够满足大偏心量（大于100mm）下的稳定的偏心公、自转运动。

5.根据权利要求1所述的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述自转传递杆、自转轴采用中空的结构，且自转轴下端作为气缸使用。

6.根据权利要求1所述的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的气体从该装置的自转传递杆上气动旋转接头进入，经过中空的自转传递杆、气管、中空的自转轴，最后进入气缸，推动活塞对抛光盘施加压力。

7.根据权利要求1所述的一种刚性偏心传动公自转气压施力数控抛光装置，其特征在于：所述的气缸用密封圈密封，且密封圈随气缸内壁以及气缸活塞同步转动，不存在发热与磨损的现象，稳定性好，长时间使用后气体不会泄露。