CN103302556A - 一种凹形曲面抛光工具 - Google Patents

Abstract

一种凹形曲面抛光工具，涉及一种抛光工具。设有多自由度电机固定座、多自由度电机、连接轴、区域磁场调节装置、曲面模具、控制器和磁流变液循环装置；多自由度电机座与外部机床的进给机构连接，多自由度电机固于多自由度电机座上，多自由度电机轴与连接轴一端连接，连接轴另一端与区域磁场调节装置连接，曲面模具上端与多自由度电机固定座连接，区域磁场调节装置位于曲面模具内，控制器设于连接轴上，控制器与区域磁场调节装置电连接，磁流变液循环装置包括泵、导管和磁流变液，导管设于曲面模具外表面，导管与泵连接，磁流变液处于曲面模具外表面与被加工工件表面之间，磁流变液通过泵和导管形成循环流动。

Description

一种凹形曲面抛光工具

技术领域

本发明涉及一种抛光工具，尤其是涉及基于多自由度电机和磁流变技术的一种凹形曲面抛光工具。

背景技术

随着机械手等高精度复杂控制系统的发展，对于驱动机构精密度和稳定性能的要求日益提高。传统上由多个单自由度电机和复杂机械传动机构组成的控制系统误差的累计往往导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统整体的稳定性。多自由度球形电机能极大简化系统机构，提高系统动稳态性能，成为当今电机学研究前沿。引入永磁体的多自由度电机，可以大大提高电机磁能积，有效提高电机的运行效率，减小电机的体积，提高电机的可控性。永磁类型的多自由度电机克服了感应型多自由度电机定子铁心和绕组复杂以及异步电机固有的伺服特性相对较差的先天性缺点。所以永磁多自由度电机有令人激动的发展前景。在运动学中，球形是最有可能、最有利于作多自由度运动的几何体。因此，各国学者们纷纷把永磁体引入到球形电机的结构当中。永磁球形多自由度电机是目前电机学发展的一个崭新方向。(参见文献：Yusuf Oner，Engin Cetin，Harun Kemal Ozturk，et al．Design of a New Three-degreeof Freedom Spherical Motor for Photovoltaic-tracking Systems［J］.Renewable Energy，2009，34:2751-2756）

磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对工件进行确定性局部修行、抛光的技术。磁流变液被循环带入工件与抛光工具之间形成的微小间距的抛光区中，在该区域里，磁流变液在高梯度磁场的作用下，发生流变效应而变硬、黏度增大，其中的磁性颗粒沿着磁场强度的方向排列成链，就形成具有一定形状的凸起缎带，而其中的抛光粉颗粒不具有磁性，因此会被挤压而浮向磁场强度弱的上方，这样上表面浮着一层抛光颗粒的凸起缎带就构成了一个“柔性抛光模”，当“柔性抛光模”与工件表面存在相对运动时，会对工件表面产生很大的剪切力，对工件表面材料实现去除。“柔性抛光模”的形状和硬度可以由磁场实时控制，可以确保在一定磁场强度下抛光区的稳定性。然而，磁流变抛光技术虽然具有很高的抛光精度，但是存在抛光效率较低的问题（参见中国专利CN102284890A）。

发明内容

本发明的目的是提供结构简单，能有效提高磁流变抛光效率，基于多自由度电机和磁流变技术的一种凹形曲面抛光工具。

本发明设有多自由度电机固定座、多自由度电机、连接轴、区域磁场调节装置、曲面模具、控制器和磁流变液循环装置；

多自由度电机座与外部机床的进给机构连接，多自由度电机固于多自由度电机座上，多自由度电机轴与连接轴一端连接，连接轴另一端与区域磁场调节装置连接，曲面模具上端与多自由度电机固定座连接，所述区域磁场调节装置位于曲面模具内，曲面模具外表面面形与被抛光工件曲面的面形相同，控制器设于连接轴上，控制器与区域磁场调节装置电连接，磁流变液循环装置包括泵、导管和磁流变液，导管设于曲面模具外表面，导管与泵连接，磁流变液处于曲面模具外表面与被加工工件表面之间，磁流变液通过泵和导管形成循环流动。

所述区域磁场调节装置可采用现有技术产品（如采用中国专利200810030898.1，发明名称为“用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置”中所述的磁场发生装置）。包括支座、隔磁套、磁芯对、线圈、丝杆组和微型电机。区域磁场调节装置内的线圈及微型电机通过导线与控制器电连接。

所述控制器为嵌入式控制器，最好采用单片机。控制器用于控制区域磁场调节装置内的线圈电流通断、线圈电流大小以及磁芯对间距离，从而改变区域磁场的强度。

与现有技术比较，本发明的工作原理及有益效果如下：

本发明采用多自由度电机控制多自由度电机轴带动区域磁场调节装置在曲面模具内部空间运动，以及区域磁场调节装置的自转。曲面模具和工件凹形表面之间通入磁流变液，通过嵌入式控制器来控制区域磁场调节装置内的线圈电流通断、线圈电流大小以及磁芯对间距离，从而改变区域磁场的强度。磁场使得曲面模具外表面和工件上与区域磁场调节装置对应的位置形成一个“柔性抛光模”，该“柔性抛光模”随着磁场强度的变化而改变形状，并随着区域磁场调节装置的自转而转动，即可对工件表面进行抛光加工。本发明利用了磁流变技术完成凹形曲面上任一点的法向抛光，并且通过磁流变法向旋转抛光代替剪切力抛光提高了抛光效率。本发明能够对各种凹形曲面进行确定性光学加工，能获得高质量的光学表面，易于实现计算机控制，加工效率高，并且加工过程稳定。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中的区域磁场调节装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1和2，本实施例设有多自由度电机固定座1、多自由度电机、连接轴9、区域磁场调节装置7、曲面模具2、嵌入式控制器4和磁流变液循环装置；多自由度电机座1与外部机床的进给机构连接，多自由度电机固于多自由度电机座1上，多自由度电机设有多自由度电机轴12，多自由度电机外壳13，定子线圈14，柱形铁心15，球状转子16，多自由度电机轴12与连接轴9一端连接，连接轴9另一端与区域磁场调节装置7连接，曲面模具2上端与多自由度电机固定座1连接，所述区域磁场调节装置7位于曲面模具2内下部，曲面模具2外表面面形与被抛光工件6曲面的面形相同，嵌入式控制器4设于连接轴9上，连接轴9设有导线通孔3，嵌入式控制器4通过导线穿过导线通孔3与区域磁场调节装置7电连接。磁流变液循环装置包括泵5、导管11和磁流变液8，导管11靠于曲面模具2外表面，导管11与泵5连接，本实施例工作时，曲面模具2与工件6表面之间存在间隙，作为磁流变液8的流动通道，磁流变液8处于曲面模具2外表面与被加工工件6上表面之间，磁流变液8通过泵5和导管11形成循环流动。

所述区域磁场调节装置可包括支座17、隔磁套18、磁芯对19、线圈20、丝杆组21和微型电机22。区域磁场调节装置7内的线圈20及微型电机22通过导线与嵌入式控制器2电连接。嵌入式控制器用于控制区域磁场调节装置7内的线圈20的电流通断、线圈20的电流大小以及磁芯对19间距，从而改变区域磁场的强度。所述区域磁场调节装置采用现有技术产品。

本实施例的工作原理如下：

本发明可对任意凹形曲面光学元件进行局部抛光加工，也可对轴对称凹形曲面光学元件进行全表面抛光加工。在对任意凹形曲面光学元件进行局部抛光加工时，抛光前，工件6通过夹具10固定，选用与工件6面形一致的曲面模具2，将其固定在多自由度电机连接座1上，机床的进给机构带动凹形曲面抛光工具运动到工件6上方，使得曲面模具2与工件6表面之间存在等间距的间隙。磁流变液8通过泵5和导管11，注入间隙并循环流动。抛光时，多自由度电机控制多自由度电机轴12带动区域磁场调节装置7在曲面模具2内运动至与抛光点所对应的位置，根据区域磁场调节装置7与抛光点的距离，通过嵌入式控制器4控制区域磁场调节装置7内的线圈20电流通断、线圈20电流大小以及磁芯对19间距来控制其附近的磁场大小及分布，从而在曲面模具2外表面和工件6上与区域磁场调节装置7对应的位置形成一个形状可控的“柔性抛光模”，该“柔性抛光模”随着区域磁场调节装置7的自转而转动，即可对工件6表面进行局部抛光加工。

在对轴对称凹形曲面光学元件进行全表面抛光加工时，将工件6固定在旋转工作台上，保证工件6的轴线与工作台轴线重合。多自由度电机控制区域磁场调节装置7沿着轴对称凹形非球面的一条母线做往复摆动运动；同时，旋转工作台带动工件6做旋转运动，即可对轴对称凹形曲面光学元件进行全表面抛光加工。由于区域磁场调节装置7在多自由度电机驱动下的运动轨迹是圆弧，故在抛光轴对称凹形非球面时，对于同一条母线上每个抛光点，其与区域磁场调节装置的距离各不相同；此时，可以通过调节区域磁场调节装置7产生的磁场大小从而控制“柔性抛光模”的去除效果，“柔性抛光模”随着区域磁场调节装置7的自转而转动，完成抛光。

由于本发明采用了多自由度电机控制取代传统上由多个单自由度电机和复杂机械传动机构组成的控制系统，因此大大简化了抛光工具的结构。利用磁流变技术对工件表面进行抛光，能够获得质量很高的光学表面，且易于实现计算机控制；同时通过磁流变法向旋转抛光代替剪切力抛光提高了抛光效率，并且易于实现加工过程长期稳定性。

Claims (1)

1.一种凹形曲面抛光工具，其特征在于，设有多自由度电机固定座、多自由度电机、连接轴、区域磁场调节装置、曲面模具、控制器和磁流变液循环装置；

多自由度电机座与外部机床的进给机构连接，多自由度电机固于多自由度电机座上，多自由度电机轴与连接轴一端连接，连接轴另一端与区域磁场调节装置连接，曲面模具上端与多自由度电机固定座连接，所述区域磁场调节装置位于曲面模具内，曲面模具外表面面形与被抛光工件曲面的面形相同，控制器设于连接轴上，控制器与区域磁场调节装置电连接，磁流变液循环装置包括泵、导管和磁流变液，导管设于曲面模具外表面，导管与泵连接，磁流变液处于曲面模具外表面与被加工工件表面之间，磁流变液通过泵和导管形成循环流动。

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