CN102975097B - 一种磨抛复合加工机床 - Google Patents

Abstract

一种磨抛复合加工机床，涉及精密磨床和抛光机床。设磨削装置、抛光装置、可移动式在线修整装置和工作台装置；磨削装置和抛光装置分别设于工作台装置一侧；磨削装置设磨削装置床身底座、Z₁轴伺服电机、Z₁轴滚珠丝杠副、Z₁轴导轨、Y₁轴伺服电机、Y₁轴滚珠丝杠副、Y₁轴导轨、磨削装置立柱、主轴支架和砂轮；抛光装置设抛光装置床身底座、Z₂轴伺服电机、Z₂轴滚珠丝杠副、Z₂轴导轨、Y₂轴伺服电机、Y₂轴滚珠丝杠副、Y₂轴导轨、抛光装置立柱、抛光装置悬臂和气囊抛光头；可移动式在线修整装置设修整器、X₂轴导轨、X₂轴气缸和旋转台；工作台装置设工作台、工作台床身、X轴导轨、X轴滚珠丝杠副和X轴伺服电机。

Description

一种磨抛复合加工机床

技术领域

本发明涉及精密磨床和抛光机床，尤其是涉及适用于光学元件加工的一种磨抛复合加工机床。

背景技术

制造业是国民经济的支柱产业，而磨削加工是制造技术中的重要领域，是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。

采用传统的超精密磨床加工光学元件，虽然加工精度高，加工效率高，面形误差小，但是加工出来的光学元件尚不能满足实际应用的要求，还需要再进行抛光加工，才能使被加工的光学元件达到实际应用的精度要求（见参考文献：张宁宁等.平行磨削非轴对称非球面光学元件表面形貌，强激光与粒子束，2012，24（6）：1391-1395和论文：王振忠等.大口径光学元件高精度平面磨床加工系统研究，中国机械工程，2012，23（1）：79-84）。由于再进行抛光加工需要将光学元件进行多次移动与装夹，这样不仅产生重复定位误差，而且很容易造成对光学元件产生破坏，另外严重影响加工效率。

发明内容

本发明的目的是提供具有超精密磨削、抛光和在线修整功能，可显著提高加工效率的一种磨抛复合加工机床。

本发明设有磨削装置、抛光装置、可移动式在线修整装置和工作台装置；磨削装置和抛光装置分别设于工作台装置的一侧；

磨削装置设有磨削装置床身底座、Z₁轴伺服电机、Z₁轴滚珠丝杠副、Z₁轴导轨、Y₁轴伺服电机、Y₁轴滚珠丝杠副、Y₁轴导轨、磨削装置立柱、主轴支架和砂轮；磨削装置床身底座与磨削装置立柱通过Z₁轴导轨相连，Z₁轴滚珠丝杠位于Z₁轴导轨之间，并固定在磨削装置床身底座上，Z₁轴伺服电机通过螺钉固定在磨削装置床身底座的外部，Z₁轴伺服电机通过Z₁轴滚珠丝杠副带动磨削装置立柱进行Z₁向的移动，主轴支架通过Y₁轴导轨与磨削装置立柱连接，Y₁轴伺服电机设于磨削装置立柱的顶部，Y₁轴伺服电机通过Y₁轴滚珠丝杠副带动主轴支架进行Y₁向的移动，砂轮固于主轴支架的主轴上；

抛光装置设有抛光装置床身底座、Z₂轴伺服电机、Z₂轴滚珠丝杠副、Z₂轴导轨、Y₂轴伺服电机、Y₂轴滚珠丝杠副、Y₂轴导轨、抛光装置立柱、抛光装置悬臂和气囊抛光头；抛光装置床身底座与抛光装置立柱通过Z₂轴导轨相连，Z₂轴滚珠丝杠副位于Z₂轴导轨导轨之间，并固定在抛光装置床身底座上，Z₂轴伺服电机固于抛光装置床身底座的外部，Z₂轴伺服电机通过Z₂轴滚珠丝杠副与抛光装置立柱联动连接，抛光装置悬臂通过Y₂轴导轨与抛光装置立柱连接，Y₂轴伺服电机设于抛光装置立柱的顶部，Y₂轴伺服电机通过Y₂轴滚珠丝杠副与抛光装置悬臂联动连接，气囊抛光头固于抛光装置悬臂的前端；

可移动式在线修整装置设有修整器、X₂轴导轨、X₂轴气缸和旋转台；旋转台通过X₂轴导轨与工作台装置的工作台相连，X₂轴汽缸设于X₂轴导轨的中间，并与旋转台的底部连接，旋转台的上部与修整器连接；

工作台装置设有工作台、工作台床身、X轴导轨、X轴滚珠丝杠副和X轴伺服电机；工作台床身通过X轴导轨与工作台相连，X轴滚珠丝杠副位于X轴导轨的中间，并固定在工作台床身上，X轴伺服电机固定在工作台床身的外部；X轴伺服电机通过X轴滚珠丝杠副与工作台联动连接。

所述磨削装置和抛光装置分别设于工作台装置的一侧，是以工作台装置的工作台的纵向中心线为基准，磨削装置床身底座的纵向中心线和所述抛光装置床身底座的纵向中心线均与工作台纵向中心线之间形成夹角，夹角可为45°～75°。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

本发明的磨削装置和抛光装置固定在工作台床身的两侧，可移动式在线修整装置的X₂轴导轨与工作台固定，结构简洁而且调整方便。由于各个装置的所在位置相对独立，所以当调整任意一个装置并不会影响其他装置的结构和精度，避免了光学元件在磨削和抛光工艺下的多次移动和重复定位，减少了加工误差的引入；早期的在线修整装置只是固定在工作台上，为了满足砂轮修整的需要，工作台的行程需要设计的很长避免干涉，而移动式在线修整装置，可以在加工的时候退出工作区，在修整时进入工作区，这样就减小了工作台的行程，保证了工件的加工精度，并且移动式在线修整装置可以进行旋转，完成砂轮的修整与抛光装置的修形。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图（俯视）。

图2为本发明实施例的磨削装置结构示意图（侧视）。

图3为本发明实施例的抛光装置结构示意图（侧视）。

图4为本发明实例的工作台装置和可移动式在线修整装置的结构示意图（侧视）。

图5为可移动式在线修整装置的使用状态示意图。

在图1～5中，各标记表示：

1-Z₁轴伺服电机；2-磨削装置床身底座；3-Z₁轴导轨；4-磨削装置立柱；5-Y₁轴伺服电机；6-Y₁轴滚珠丝杠副；7-Y₁轴导轨；8-主轴支架；9-砂轮；10-气囊抛光头；11-抛光装置悬臂；12-Y₂轴导轨；13-Y₂轴滚珠丝杠副；14-Y₂轴伺服电机；15-抛光装置立柱；16-Z₂轴导轨；17-抛光装置床身底座；18-Z₂轴伺服电机；19-Z₁轴滚珠丝杠副；20-工作台；21-修整装置；22-工作台床身；23-Z₂轴滚珠丝杠副；24-X轴伺服电机；25-X轴导轨；26-X₂轴导轨；27-X₂轴气缸；28-旋转台。

在图1～5中，所标注的坐标系表示：X轴方向为工作台装置进行的水平移动方向；X₂轴为在线修整装置进行相对于工作台装置的水平移动方向；Y₁与Z₁轴为磨削装置的移动轴，其中，Y₁轴为砂轮进行垂向移动的方向，Z₁轴为砂轮进出工作台装置的水平移动方向，其与Y₁轴垂直并与X轴成一定角度，通过X、Y₁、Z₁三轴可以完成磨削加工中空间三维坐标的移动；Y₂与Z₂轴为抛光装置的移动轴，其中，Y₂轴为气囊抛光头进行垂向移动的方向，Z₂轴为气囊抛光头进出工作台装置的水平移动方向，其与Y₂轴垂直并与X轴成一定角度，通过X、Y₂、Z₂三轴可以完成抛光加工中空间三维坐标的移动。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

参见图1～5，本发明实施例设有磨削装置、抛光装置、可移动式在线修整装置和工作台装置；磨削装置与工作台装置夹角成60°，抛光装置与工作台装置夹角成60°。

磨削装置设有磨削装置床身底座2、Z₁轴伺服电机1、Z₁轴滚珠丝杠副19、Z₁轴导轨3（有2根且对称设置）、Y₁轴伺服电机5、Y₁轴滚珠丝杠副6、Y₁轴导轨7（有2根且对称设置）、磨削装置立柱4、主轴支架8和砂轮9。磨削装置床身底座2与磨削装置立柱4通过Z₁轴导轨3相连，Z₁轴滚珠丝杠19位于2根Z₁轴导轨3之间，并固定在磨削装置床身底座2上，Z₁轴伺服电机1通过螺钉固定在磨削装置床身底座2的外部，Z₁轴伺服电机1通过Z₁轴滚珠丝杠副19带动磨削装置立柱4进行Z₁向的移动，主轴支架8通过Y₁轴导轨7与磨削装置立柱4连接，Y₁轴伺服电机5设于磨削装置立柱4的顶部，并通过螺钉固定，Y₁轴伺服电机7通过Y₁轴滚珠丝杠副6带动主轴支架8进行Y₁向的移动，砂轮9通过螺母固定在主轴支架8的主轴上。在进行磨削加工中，Z₁轴伺服电机1通过Z₁轴滚珠丝杠副19和Z₁轴导轨3带动磨削装置立柱4进行Z₁向移动，固定在磨削装置立柱4上的Y₁轴伺服电机5通过Y₁轴滚珠丝杠副6和Y₁轴导轨7带动主轴支架8进行Y₁向移动，磨削装置可以完成磨削加工中Y₁方向和Z₁方向的移动，同时主轴带动砂轮9旋转完成磨削的主运动。

抛光装置设有抛光装置床身底座17、Z₂轴伺服电机18、Z₂轴滚珠丝杠副23、Z₂轴导轨16（有2根且对称设置）、Y₂轴伺服电机12、Y₂轴滚珠丝杠副13、Y₂轴导轨12（有2根且对称设置）、抛光装置立柱15、抛光装置悬臂11和气囊抛光头10。抛光装置床身底座17与抛光装置立柱15通过Z₂轴导轨16相连，Z₂轴滚珠丝杠副23位于2根Z₂轴导轨16导轨之间，并固定在抛光装置床身底座17上，Z₂轴伺服电机18通过螺钉固于抛光装置床身底座17的外部，Z₂轴伺服电机18通过Z₂轴滚珠丝杠副23带动抛光装置立柱15进行Z₂向的移动，抛光装置悬臂11通过Y₂轴导轨12与抛光装置立柱15连接，Y₂轴伺服电机12设于抛光装置立柱15的顶部，并通过螺钉固定，Y₂轴伺服电机12通过Y₂轴滚珠丝杠副13带动抛光装置悬臂11进行Y₂向的移动，气囊抛光头10通过螺钉固定在抛光装置悬臂11的前端。在抛光加工中，Z₂轴伺服电机18通过Z₂轴滚珠丝杠副23和Z₂轴导轨16带动抛光装置立柱15进行Z₂向移动，固定在抛光装置立柱15上的Y₂轴伺服电机12通过Y₂轴滚珠丝杠副13和Y₂轴导轨12带动抛光装置悬臂11和气囊抛光头10进行Y₂向移动，抛光装置可以完成抛光加工中Y₂方向和Z₂方向的移动，同时气囊抛光头10的旋转完成抛光主运动。

可移动式在线修整装置设有修整器21、X₂轴导轨26（有2根且对称设置）、X₂轴气缸27和旋转台28。旋转台28通过X₂轴导轨26与工作台装置的工作台20相连，X₂轴汽缸27设于2根X₂轴导轨的中间，并与旋转台28的底部连接，旋转台28的上部与修整器21通过螺钉进行连接；X₂轴汽缸27可带动整个修整装置进行X₂轴的移动，旋转台28可带动修整器21进行一定角度的摆动。在进行磨削修整加工时，X₂轴气缸27通过X₂轴导轨26带动旋转台28和修整器21移动到需要加工位置，旋转台28顺时针旋转使修整器21转动角度达到砂轮修整区域（如图5所示），修整器21进行砂轮修整加工；当进行气囊修形时，方法同磨削修整方法相似，在修整器21通过X₂轴气缸27和X₂轴导轨26移动到加工区域时，修整器21通过旋转台28逆时针旋转到达气囊修形区域，修整器21进行气囊修形加工。

工作台装置设有工作台20、工作台床身22、X轴导轨25（有2根且对称设置）、X轴滚珠丝杠副（图中无法标出）、X轴伺服电机24；工作台床身22通过X轴导轨与工作台20相连，X轴滚珠丝杠副位于2根X轴导轨25的中间，并固定在工作台床身22上，X轴伺服电机24通过螺钉固定在工作台床身22的外部；X轴伺服电机24通过X轴滚珠丝杠副带动工作台20完成X方向的移动。

采用本发明实施例对光学元件进行磨抛加工时，由于抛光装置与磨削装置布置相对布置，与工作台形成60°夹角，抛光装置的移动方法与磨削装置的移动方法类似。如图5所示，当气囊抛光头压向工件表面时，形成接触压力和接触区，通过抛光液的作用，来抛光工件的表面。材料的去除是在抛光接触区进行的。抛光时，气囊抛光头旋转轴与抛光接触点的法线成一定角度，气囊抛光头自转的同时，其旋转轴绕着接触点的法线旋转，形成进动，获得高斯型的去除函数，得到高质量的表面。

磨抛加工的具体实施步骤如下：

1.砂轮选用金刚石砂轮，工件固定在工作台上，并确定需要的加工方式与加工轨迹；

2.进行磨削加工，X、Y₁、Z₁三轴都装有光栅尺，实时监控和补偿位置误差，砂轮主轴上装有动平衡仪，平衡主轴的旋转；

3.磨削装置沿Z₁轴方向移动，退出工作台加工工件的区域，抛光装置沿Z₂轴进入加工区域。光学元件的磨削加工涉及X、Y₁、Z₁的三轴联动和砂轮主轴的转动；

4.通过高精度的在线检测装置，监测磨削后的工件表面是否满足磨削加工中规定的误差，如果满足进行抛光加工，如果不满足重新进行磨削加工；

5.确定抛光加工的加工参数与加工过程，不移动工件继续进行抛光加工。X、Y₂、Z₂三轴装有光栅尺，实时监控和补偿在进行抛光加工时的位置误差，实现抛光过程的精密加工；光学元件的抛光加工涉及X、Y₂、Z₂的三轴往复运动和气囊抛光装置的进动运动；

6.可移动式在线修整装置可以沿着X₂方向进行相对于工作台的移动，需要进行砂轮修整时，修整器通过X₂轴气缸移动到固定位置，旋转台旋转到与磨削装置相垂直的角度进行砂轮修整；需要进行气囊修形时，修整器转到与气囊装置相垂直的角度进行气囊的修形。

由此可见，与传统的加工机床比较，传统的加工机床要满足机床3个移动轴与工件坐标系的重合，即各轴之间相互垂直。但由于光学元件难加工的性质与元件尺寸的需要，磨床与抛光机床的尺寸都是比较庞大的。如果为了在一台机床上同时满足磨削与抛光加工而简单的复合，所造成的结果就是机床整体尺寸过于庞大。如果在满足加工精度的同时，可以适当减小机床的占有空间，对机床的大规模使用和运输都会提供便利，所以本发明提出了一种磨抛复合机床，其中磨削装置与抛光装置相对布置在工作台的两侧，与工作台成一定角度。这样就首先避免了，各个装置在进出移动的时候干涉情况的发生。其次，在占地空间上，传统的机床布置占地面积相当于与一个长方形，而新的机床机构使机床的占地面积变为了一个三角形。以工件450mm×450mm为例，当磨削装置与工作台成45°角时，其Z₁轴所需要增加的行程最大，为186mm；而当磨削装置与工作台成75°角时，所需增加的行程为101mm。而机床装置相互垂直时，为了避免各个装置相互间的干涉机床所需增加的行程在400mm以上，所以抛光装置、磨削装置与工作台成一定角度有利于工件的加工，抛光装置、磨削装置与工作台所成的角度范围45°到75°。

Claims (2)

1.一种磨抛复合加工机床，其特征在于设有磨削装置、抛光装置、可移动式在线修整装置和工作台装置；磨削装置和抛光装置分别设于工作台装置的一侧；

磨削装置设有磨削装置床身底座、Z₁轴伺服电机、Z₁轴滚珠丝杠副、Z₁轴导轨、Y₁轴伺服电机、Y₁轴滚珠丝杠副、Y₁轴导轨、磨削装置立柱、主轴支架和砂轮；磨削装置床身底座与磨削装置立柱通过Z₁轴导轨相连，Z₁轴滚珠丝杠位于Z₁轴导轨之间，并固定在磨削装置床身底座上，Z₁轴伺服电机通过螺钉固定在磨削装置床身底座的外部，Z₁轴伺服电机通过Z₁轴滚珠丝杠副带动磨削装置立柱进行Z₁向的移动，主轴支架通过Y₁轴导轨与磨削装置立柱连接，Y₁轴伺服电机设于磨削装置立柱的顶部，Y₁轴伺服电机通过Y₁轴滚珠丝杠副带动主轴支架进行Y₁向的移动，砂轮固于主轴支架的主轴上；

抛光装置设有抛光装置床身底座、Z₂轴伺服电机、Z₂轴滚珠丝杠副、Z₂轴导轨、Y₂轴伺服电机、Y₂轴滚珠丝杠副、Y₂轴导轨、抛光装置立柱、抛光装置悬臂和气囊抛光头；抛光装置床身底座与抛光装置立柱通过Z₂轴导轨相连，Z₂轴滚珠丝杠副位于Z₂轴导轨导轨之间，并固定在抛光装置床身底座上，Z₂轴伺服电机固于抛光装置床身底座的外部，Z₂轴伺服电机通过Z₂轴滚珠丝杠副与抛光装置立柱联动连接，抛光装置悬臂通过Y₂轴导轨与抛光装置立柱连接，Y₂轴伺服电机设于抛光装置立柱的顶部，Y₂轴伺服电机通过Y₂轴滚珠丝杠副与抛光装置悬臂联动连接，气囊抛光头固于抛光装置悬臂的前端；

可移动式在线修整装置设有修整器、X₂轴导轨、X₂轴气缸和旋转台；旋转台通过X₂轴导轨与工作台装置的工作台相连，X₂轴汽缸设于X₂轴导轨的中间，并与旋转台的底部连接，旋转台的上部与修整器连接；

工作台装置设有工作台、工作台床身、X轴导轨、X轴滚珠丝杠副和X轴伺服电机；工作台床身通过X轴导轨与工作台相连，X轴滚珠丝杠副位于X轴导轨的中间，并固定在工作台床身上，X轴伺服电机固定在工作台床身的外部；X轴伺服电机通过X轴滚珠丝杠副与工作台联动连接。

2.如权利要求1所述的一种磨抛复合加工机床，其特征在于所述磨削装置和抛光装置分别设于工作台装置的一侧，是以工作台装置的工作台的纵向中心线为基准，磨削装置床身底座的纵向中心线和所述抛光装置床身底座的纵向中心线均与工作台纵向中心线之间形成夹角，夹角为45°～75°。