CN103072047A - 一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床 - Google Patents

Abstract

一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，属于研抛加工技术领域。本发明为了解决利用现有的抛光加工设备在加工工件时无法接触到待加工小口径非球曲面的各个位置，因而不能满足加工零件的形状和尺度精度要求的问题。工作台安装在XY精密移动平台的X轴直线单元上，工作台的边缘与盖板之间设有风琴防护罩，工件主轴通过工件主轴支架安装在工作台上；Z轴直线单元安装在龙门架上，转台通过直角连接架安装在Z轴直线单元上，转台内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台与抛光头主轴支架连接，抛光头主轴支架具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架上的抛光头主轴与水平面的夹角为40度至45度。适用于高精度小口径非球面零件的超精密抛光加工。

Description

一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床

技术领域

本发明涉及一种抛光加工机床，属于研抛加工技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，需要各种高精度高表面质量的零件，这些高精度零件其面型要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表层损伤。这类零件在经过直接成形或采用单点金刚石切削、超精密磨削之后，还需对其表面进行超精密研抛加工，以进一步提高其加工精度和零件使用性能。

对于一些形状较为简单、尺度较大零件的加工，目前常采用磁流变抛光的方法对其实现超精密抛光加工，其磁流变抛光原理主要是通过抛光轮带动含有磨料的磁流变液在电磁铁产生的梯度磁场环境下形成柔性缎带，来对工件进行确定性抛光去除加工。磁流变抛光不会有工具磨损，磁流体的流动对工件形状的适应性好，加工热量会及时被带走，并且能达到纳米级的加工表面质量。但是对于一些小口径非球面零件，通常其结构形状较为复杂，如一种Ψ形元件，其待加工表面包括中心支撑杆和内、外球壳表面，并且曲面过渡部分曲率半径较小，其最小曲率半径要求小到2mm左右。现阶段，常规的磁流变抛光采用“抛光轮、电磁铁”抛光形式来制备抛光头工具，由于其制作的抛光头形状受抛光轮直径的限制不能小至一定程度，无法接触到异形零件如Ψ形待加工小口径非球曲面的各个位置，因而不能满足加工零件对其形状和尺度精度的要求。对于这类零件的加工，需要采用小尺寸的特殊研抛工具头，并设计相应结构形式的抛光加工机床，使其满足抛光加工所需的位置和运动关系条件。

发明内容

本发明为了解决利用现有的抛光加工设备在加工工件时无法接触到待加工小口径非球曲面的各个位置，因而不能满足加工零件的形状和尺度精度要求的问题，进而提供了一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床包括超精密加工用工件轴数控运动平台装置和垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置；超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座、盖板、风琴防护罩、工作台、工件主轴支架、工件主轴、CCD对刀装置和回液槽；XY精密移动平台含有X轴直线单元和Y轴直线单元，X轴直线单元置于Y轴直线单元上；机床底座上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔，XY精密移动平台置于机床底座的容腔内，工作台安装在XY精密移动平台的X轴直线单元的上端面上，容腔的四周设有盖板，工作台的边缘与盖板之间设有风琴防护罩，容腔的上部敞口通过工作台、工作台四周的盖板以及工作台与盖板之间的风琴防护罩盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔内；工件主轴通过工件主轴支架安装在工作台上，且工件主轴的轴线与X轴直线单元的运动轴线平行，回液槽设置在工作台上用于回收磁流变液；CCD对刀装置安装在盖板上；垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架、Z轴直线单元、直角连接架、转台、二维精密微调位移台、抛光头主轴、抛光头主轴支架和抛光工具；抛光工具由永磁式抛光头和抛光头连接杆组成；Z轴直线单元安装在龙门架上，转台通过直角连接架安装在Z轴直线单元上，转台内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台与抛光头主轴支架连接，抛光头主轴支架具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架上的抛光头主轴与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆的一端安装在抛光头主轴的夹头上，抛光头连接杆的另一端与永磁式抛光头连接；Z轴直线单元与XY精密移动平台构成三维坐标系；龙门架安装在机床底座上；利用二维精密微调位移台和CCD对刀装置调整永磁式抛光头的空间位置，使永磁式抛光头的球心位于转台的回转轴线上，CCD对刀装置用于观测永磁式抛光头相对于工件的加工位置并通过Z轴直线单元、XY精密移动平台时实调整二者的相对位置，完成工件加工前的对刀。

本发明的有益效果是：

本发明针对现有磁流变抛光技术存在的不足，提供一种小口径非球面磁流变抛光加工机床，该机床的垂直轴为转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其抛光工具采用小直径永磁体球形抛光头，水平轴为精密二维运动平台装置。利用高精度的多轴运动控制器可以实现其四轴联动，完成抛光加工所需的位置和运动关系条件，有效避免抛光工具头和工件各加工表面间的干涉。并结合高分辨率的CCD摄像头对刀装置，可有效完成加工前的高精度对刀操作。特别适用于高精度小口径非球面零件的超精密抛光加工、高效制造与稳定生产。

本发明所述机床经试制试用被证明效果显著，完全达到设计要求，机床X-Y轴设计行程为100mm×100mm，在加工范围50mm×50mm内，直线度≤3μm，闭环后的定位精度≤±0.3μm；Z轴设计行程50mm，在加工范围±10mm内，直线度≤3μm，定位精度≤±0.4μm；抛光头主轴和工件主轴的跳动≤1μm。使用该机床加工的零件表面粗糙度≤10nm，面形精度优于0.4μm。

本发明的具体优点表现在以下几个方面：

1、抛光工具采用小直径永磁体球形抛光头，便于接触到待加工曲面的各个位置，特别适用于小口径非球面零件的加工；

2、研抛装置采用转台倒挂式斜轴加工方式，抛光工具可随转台的旋转改变空间位置，有效避免抛光工具和工件各加工表面间的干涉，且通过调整抛光头球心与转台回转中心线的重合，可以保证抛光头的空间位置不变，便于满足加工轨迹的要求；

3、采用高分辨率的CCD摄像头进行精确对刀，结合对心调整装置，便于完成加工前的高精度对刀调整，提高了对刀精度，缩短对刀时间；

4、采用高精度的直线单元和旋转单元作为该机床的主要运动部件，配以多轴控制器对四个联动轴进行闭环的运动控制，使机床具有很高的运动精度。

附图说明

图1是本发明的立体图；图2是本发明的主视图；图3是图2的左视图，图3-1是图3的A向局部视图；图4是图2的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床包括超精密加工用工件轴数控运动平台装置和垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置；超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座1、盖板2、风琴防护罩3、工作台4、工件主轴支架7、工件主轴8、CCD对刀装置17和回液槽18；XY精密移动平台含有X轴直线单元6和Y轴直线单元5，X轴直线单元6置于Y轴直线单元5上；机床底座1上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔1-1，XY精密移动平台置于机床底座1的容腔1-1内，工作台4安装在XY精密移动平台的X轴直线单元6的上端面上，容腔1-1的四周设有盖板2，工作台4的边缘与盖板2之间设有风琴防护罩3，容腔1-1的上部敞口通过工作台4、工作台4四周的盖板2以及工作台4与盖板2之间的风琴防护罩3盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔1-1内；工件主轴8通过工件主轴支架7安装在工作台4上，且工件主轴8的轴线与X轴直线单元6的运动轴线平行，回液槽18设置在工作台4上用于回收磁流变液；CCD对刀装置17安装在盖板2上；垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架9、Z轴直线单元10、直角连接架11、转台12、二维精密微调位移台13、抛光头主轴14、抛光头主轴支架15和抛光工具16；抛光工具16由永磁式抛光头16-1和抛光头连接杆16-2组成；Z轴直线单元10安装在龙门架9上，转台12通过直角连接架11安装在Z轴直线单元10上，转台12内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台13与抛光头主轴支架15连接，抛光头主轴支架15具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架15上的抛光头主轴14与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆16-2的一端安装在抛光头主轴14的夹头上，抛光头连接杆16-2的另一端与永磁式抛光头16-1连接；Z轴直线单元10与XY精密移动平台构成三维坐标系；龙门架9安装在机床底座1上；利用二维精密微调位移台13和CCD对刀装置17调整永磁式抛光头16-1的空间位置，使永磁式抛光头16-1的球心位于转台12的回转轴线上，CCD对刀装置17用于观测永磁式抛光头16-1相对于工件的加工位置并通过Z轴直线单元10、XY精密移动平台时实调整二者的相对位置，完成工件加工前的对刀。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述永磁式抛光头16-1为小直径永磁体球形抛光头，目前所使用的直径为φ3.5mm～φ4mm，形状精度优于0.02mm，表面磁场强度0.5～0.75T。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1～4所示，本实施方式所述永磁式抛光头16-1的直径范围可扩展至φ2mm～φ6mm。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1～4所示，本实施方式所述转台12内的转动轴的轴端通过过渡安装板19与二维精密微调位移台13连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图1～4所示，本实施方式所述5、根据权利要求1、2或3所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述XY精密移动平台采用美国Parker公司的直线电机平台404T01LXR，所述Z轴直线单元10采用美国Parker公司的滚珠丝杠平台404T01XR。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：如图1～4所示，本实施方式所述抛光头主轴14采用日本NSK公司的精密电主轴EMR-3008K，所述工件主轴8采用日本NSK公司的精密电主轴NR50-5100ATC。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。所述机床经试制试用被证明效果显著，完全达到设计要求，机床X-Y轴设计行程为100mm×100mm，在加工范围50mm×50mm内，直线度≤3μm，闭环后的定位精度≤±0.3μm；Z轴设计行程50mm，在加工范围±10mm内，直线度≤3μm，定位精度≤±0.4μm；抛光头主轴和工件主轴的跳动≤1μm。使用该机床加工的零件表面粗糙度≤10nm，面形精度优于0.4μm。

具体实施方式七：如图1～4所示，本实施方式所述机床底座1由花岗岩材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

针对本发明再进行如下阐述：

机床底座1由花岗岩材料制成，其下层是一个大平台，上层周边由四个挡块包围。由于花岗岩具有很好的吸收振动的性能，因而可以提高机床的动态性能。在机床底座1上安装一块同样由花岗岩材料制成的竖直件9，机床底座1和竖直件9之间是用内六角螺钉联接的。在机床底座1上通过螺钉联接着Y轴直线单元5，在Y轴直线单元5的运动部件上安装有X轴直线单元6。两个直线单元通过其内部直线电机的电磁推力驱动，可分别沿床体的X轴和Y轴方向自由往复平移。为了保证机床整体的精度，在安装过程中，必须保证Y轴直线单元5的运动轴线与竖直件9的主安装面严格垂直。X轴直线单元6与Y轴直线单元5通过定位销固定联接在一起，X轴直线单元6与Y轴直线单元5的运动轴线必须保证严格的垂直，以确保机床的整体性能良好。在X轴直线单元6的运动部件上联接着工作台4，在工作台4上设置有工件主轴支架7和回液槽18。工件主轴8安装在工件主轴支架7上，带动工件实现高精度的回转运动。在机床底座1上表面内侧安装有盖板2，在盖板2和工作台4之间设置有X向和Y向风琴防护罩3，盖板2和风琴防护罩3可以起到防尘和防护飞溅的磁流变液的作用。在盖板2上安装有高分辨率的CCD对刀装置17，可以监测抛光头和工件所在区域，进行加工前的高精度对刀操作。

在竖直件9的主安装面上，通过螺钉联接着Z轴直线单元10，在安装过程中，必须保证Z轴直线单元10的运动轴线与机床底座1安装面严格垂直。Z轴直线单元10通过内部的旋转电机带动精密滚珠丝杠驱动，可以在Z轴方向自由往复平移。在Z轴直线单元10的运动部件上联接着直角连接架11，转台12通过螺钉联接倒挂在直角连接架11的下方。转台下方设置有二维精密微调位移台13，在二维精密微调位移台13下方联接着抛光头主轴支架15。抛光头主轴14安装在抛光头主轴支架15中，带动抛光头16进行高速回转运动，其回转轴线在空间上与水平面成40°～45°夹角，构成斜轴加工方式，有利于避免加工过程中抛光工具和工件各加工表面间的干涉，同时抛光工具采用小直径永磁体球形抛光头，其直径范围在φ3.5mm～φ4mm(可扩展至φ2mm～φ6mm)，适用于小口径零件的加工。

本发明工作原理与操作方法：

该机床为四轴联动磁流变抛光加工机床，包括三个直线移动轴和一个旋转轴，另外还有独立于四轴之外的工件主轴和抛光头主轴。每个直线移动轴和旋转轴以及电主轴都有独立的驱动器，其中四个联动轴的驱动器和其反馈信号线都与多轴控制器进行联接。该多轴控制器可以对每个联动轴进行单独控制或联动控制，多轴控制器和各联动轴、驱动器以及光栅构成了一个闭环的四轴联动控制系统。通过上位机将加工代码或控制信号传送给多轴控制器，来实现抛光加工运动。

首先，将机床各直线单元、旋转单元及电主轴的驱动线和信号线分别与相应的驱动器进行联接，再将直线单元和旋转单元的反馈线以及驱动器的信号线与多轴控制器进行联接，最后再将多轴控制器与上位机进行联接，以构成一个完整的硬件系统。其次，将工件装夹到工件主轴8上，在装夹过程中，必须保证装夹的有效定位和可靠夹紧。然后，对整个控制系统进行上电，并对该机床的各个联动轴进行回零操作。在加工过程中，为避免抛光工具头和工件各加工表面间的干涉，抛光工具可以随转台旋转以改变空间位置，同时为保证抛光头相对工件的加工点位置不变，需要调整抛光头球心与转台回转中心线重合，这里利用二维精密微调位移台13来带动抛光头主轴进行对心调整。由于抛光头球心和转台回转中心的空间位置难以确定，人工手动对刀往往需要花费很长时间用于微调，且对刀精度不高，因此本机床采用高分辨率的CCD对刀装置监测对刀区域，通过合理的操作步骤，来完成抛光头16相对转台12的对心调整，以及对工件位置的对刀操作，可以有效减少短对刀时间并提高对刀精度。最后，在抛光工具头上方供给磁流变液体，将工件加工代码导入到上位机，开始进行工件的抛光加工。工件随工件主轴8做低速回转运动，在X、Y轴直线运动单元等组成的精密二维运动平台装置的带动下完成加工轨迹的运动；加工过程中，抛光头在Z轴直线单元和转台的带动下可做沿Z轴的直线运动和绕Z轴的空间回转运动，用以完成抛光加工所需的位置和运动关系条件，有效避免抛光工具头和工件各加工表面间的干涉。

Claims (7)

1.一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述机床包括超精密加工用工件轴数控运动平台装置和垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置；

超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座(1)、盖板(2)、风琴防护罩(3)、工作台(4)、工件主轴支架(7)、工件主轴(8)、CCD对刀装置(17)和回液槽(18)；XY精密移动平台含有X轴直线单元(6)和Y轴直线单元(5)，X轴直线单元(6)置于Y轴直线单元(5)上；

机床底座(1)上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔(1-1)，XY精密移动平台置于机床底座(1)的容腔(1-1)内，工作台(4)安装在XY精密移动平台的X轴直线单元(6)的上端面上，容腔(1-1)的四周设有盖板(2)，工作台(4)的边缘与盖板(2)之间设有风琴防护罩(3)，容腔(1-1)的上部敞口通过工作台(4)、工作台(4)四周的盖板(2)以及工作台(4)与盖板(2)之间的风琴防护罩(3)盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔(1-1)内；工件主轴(8)通过工件主轴支架(7)安装在工作台(4)上，且工件主轴(8)的轴线与X轴直线单元(6)的运动轴线平行，回液槽(18)设置在工作台(4)上用于回收磁流变液；CCD对刀装置(17)安装在盖板(2)上；

垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架(9)、Z轴直线单元(10)、直角连接架(11)、转台(12)、二维精密微调位移台(13)、抛光头主轴(14)、抛光头主轴支架(15)和抛光工具(16)；抛光工具(16)由永磁式抛光头(16-1)和抛光头连接杆(16-2)组成；

Z轴直线单元(10)安装在龙门架(9)上，转台(12)通过直角连接架(11)安装在Z轴直线单元(10)上，转台(12)内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台(13)与抛光头主轴支架(15)连接，抛光头主轴支架(15)具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架(15)上的抛光头主轴(14)与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆(16-2)的一端安装在抛光头主轴(14)的夹头上，抛光头连接杆(16-2)的另一端与永磁式抛光头(16-1)连接；

Z轴直线单元(10)与XY精密移动平台构成三维坐标系；龙门架(9)安装在机床底座(1)上；利用二维精密微调位移台(13)和CCD对刀装置(17)调整永磁式抛光头(16-1)的空间位置，使永磁式抛光头(16-1)的球心位于转台(12)的回转轴线上，CCD对刀装置(17)用于观测永磁式抛光头(16-1)相对于工件的加工位置并通过Z轴直线单元(10)、XY精密移动平台时实调整二者的相对位置，完成工件加工前的对刀。

2.根据权利要求1所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：永磁式抛光头(16-1)为小直径永磁体球形抛光头，其直径为φ3.5mm～φ4mm，形状精度优于0.02mm，表面磁场强度0.5～0.75T。

3.根据权利要求1所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述永磁式抛光头(16-1)的直径范围可扩展至φ2mm～φ6mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：转台(12)内的转动轴的轴端通过过渡安装板(19)与二维精密微调位移台(13)连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述XY精密移动平台采用美国Parker公司的直线电机平台404T01LXR，所述Z轴直线单元(10)采用美国Parker公司的滚珠丝杠平台404T01XR。

6.根据权利要求5所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述抛光头主轴(14)采用日本NSK公司的精密电主轴EMR-3008K，所述工件主轴(8)采用日本NSK公司的精密电主轴NR50-5100ATC。

7.根据权利要求6所述的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床，其特征在于：所述机床底座(1)由花岗岩材料制成。

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