CN103341807A - 双摆极坐标快速非球面数控加工机床 - Google Patents
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Abstract
双摆极坐标快速非球面数控加工机床属于光学冷加工技术领域，目的在于解决现有技术存在的设备复杂、成本高、加工周期长、效率低及影响非球面光学元件的质量的问题。本发明包括皮带传动机构、主轴、工件承载台、A摆加工工具和B摆加工工具；A摆加工工具和B摆加工工具结构相同，皮带传动机构通过主轴为工件承载台提供动力，A摆加工工具和B摆加工工具以不同的运动模式和路径在工件的不同工位上并行工作。本发明应用两个具有极坐标系的加工工具以不同的运动模式和路径在工件的不同的工位并行工作，提高了加工效率和精度；结构简单，经济实用，采用双工位多模式组合加工技术可以有效的控制光学元件的全频段误差质量，提高非球面光学元件的质量。
Description
技术领域
本发明属于光学冷加工技术领域，涉及一种非球面光学元件快速数控加工的装置，具体涉及一种双摆极坐标快速非球面数控加工机床。
背景技术
非球面光学元件具有光学系统设计灵活、成像质量好、光能损失少、仪器小型化、轻量化、系统更加简洁及在校正像差上具有独特的优点，非球面光学元件的口径越大，其系统的空间观测分辨率越高、集光能力和信噪比越好，达到长焦距和大视场的效果，因此被广泛的应用到大型望远镜、空间相机、军事侦察等各个领域。
目前，对于中等口径非球面的加工主要有传统加工技术和现代加工技术，传统加工技术主要是通过传统修带抛光机和高级技师的手工修磨相结合的方法完成非球面光学元件的加工，这种方法对人的依赖性比较大，存在一定的人为不确定性，加工效率低，重复性差；现代加工技术主要是通过高精度计算机数控机床完成对各种非球面光学元件的加工，但是也存在着设备复杂、成本高、效率低等问题；针对光学系统快速集成的要求，利用以往加工技术加工非球面光学元件时，由于采用单模式加工，很难有效抑制大的非球面度梯度带来的中频误差，影响非球面光学元件的质量，从而严重影响相机的成像质量；另外，采用单模式加工加工周期长，效率较低，无法满足研制计划要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双摆极坐标快速非球面数控加工机床，解决现有技术存在的设备复杂、成本高、加工周期长、效率低及影响非球面光学元件的质量的问题，实现非球面光学元件的快速加工研制。
为实现上述目的，本发明的双摆极坐标快速非球面数控加工机床包括皮带传动机构、主轴、工件承载台、A摆加工工具和B摆加工工具；所述主轴两端安装在装有轴承的轴承座内，所述皮带传动机构的输出端与主轴一端固连，所述主轴的另一端与所述工件承载台固连，被加工非球面光学元件贴固在所述工件承载台上，所述A摆加工工具和B摆加工工具结构相同，所述A摆加工工具中的A摆曲柄盘上开有T型槽，通过T形槽螺栓和球形铰链与A摆加工工具中的A摆连杆连接实现自由回转，通过T型槽螺栓在所述A摆曲柄盘上的T型槽内的自由滑动调节所述A摆加工工具的曲柄长度，所述A摆加工工具和B摆加工工具以不同的运动模式和路径在工件的不同工位上并行工作。
所述皮带传动机构包括主轴伺服驱动电机、主轴减速器、主动轮、皮带和从动轮；主轴伺服驱动电机的输出轴与主轴减速器的输入轴刚性固连，主轴减速器的输出轴与主动轮的转轴连接，主动轮与从动轮通过皮带连接。
所述A摆加工工具包括A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构、A摆压力调节器、A摆摆轴、A摆摆臂、A摆抛光盘和A摆顶针；A摆摆轴的两端安装在装有轴承的轴承座内，其上端通过销轴与A摆摆臂连接，A摆摆臂的摆杆水平伸向被加工非球面光学元件的上方，在A摆摆臂的摆杆末端通过A摆顶针带动A摆抛光盘的工作面与被加工非球面光学元件的被加工面滑动接触，A摆压力调节器与A摆摆臂连接为A摆抛光盘提供抛光压力；所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构中的A摆摇杆的一端与所述A摆摆轴通过键连接，所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构为A摆加工工具提供动力并调整运动姿态。
所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构包括A摆驱动电机、A摆减速器、A摆曲柄盘、A摆连杆、A摆球型铰链和A摆摇杆；A摆驱动电机的轴与A摆减速器的输入轴刚性固连，A摆减速器的输出轴与A摆曲柄盘的转轴连接，A摆曲柄盘通过T型槽螺栓和铰链与A摆连杆的一端连接，A摆连杆的另一端通过球型铰链与A摆摇杆的一端连接，A摆摇杆的另一端与A摆摆轴通过键连接。
所述A摆曲柄盘9与A摆连杆10之间的连接处到曲柄盘中心的这一段称为曲柄，与A摆连杆10以及A摆摇杆13共同构成了A摆曲柄摇杆机构，所述A摆曲柄摆杆机构的最小传动角γmin≥50°；A摆曲柄摆杆机构的行程速度变化系数K≈1。
本发明的有益效果为：本发明的双摆极坐标快速非球面数控加工机床加工时，将非球面光学元件固紧在工件承载台上，主轴皮带传动系统驱动主轴做圆周运动或是定角度往复摆动，从而带动工件承载台与非球面光学元件做圆周运动或定角度往复摆动；A摆摆轴传动曲柄摇杆机构驱动A摆摆轴小摆幅往复摆动，从而带动A摆摆臂与抛光盘的小摆幅往复摆动；同时，B摆摆轴传动曲柄摇杆机构驱动B摆摆轴带动B摆摆臂和B摆抛光盘小摆幅往复摆动，A摆抛光盘和B摆抛光盘的相对于非球面光学元件的小摆幅往复摆动配合非球面光学元件的定角度往复摆动或转动达到非球面的双工位快速修带抛光的目的。
当需要抛光非球面光学元件不同的环带时，只需改变不同工位曲柄盘中的曲柄长度以及摆臂的长度即可以实现不同环带的修抛，改变曲柄盘长度控制摆臂和抛光盘小摆幅往复摆动的摆幅，改变摆臂的长度和极轴角度来控制抛光盘与非球面光学元件的相对位置；通过程序软件发出指令控制主轴伺服驱动电机改变工件承载台和非球面光学元件定角度往复摆动摆角的大小。
本发明中主轴驱动装置采用伺服电机使主轴具有连续转动和定角度往复摆动两种运动模式，从而实现同轴光学元件的加工及局部误差的修正工作，而且通过将主轴带动被加工非球面光学元件的往复摆动配合两工位抛光盘的小摆幅摆动来实现离轴非球面光学元件的抛光；本发明数控主轴的设计解决了传统方法修正局部误差的困难，及离轴非球面光学元件加工时无法旋转、摆动等的问题，应用两个具有极坐标系的加工工具以不同的运动模式和路径在工件的不同的工位并行工作，这种不同运动模式的抛光盘的双工位加工，有效的提高了非球面光学元件的加工效率、精度，达到光学加工的快速响应，全频段质量控制的特点；结构简单，经济实用，采用双工位多模式组合加工技术可以有效的控制光学元件的全频段误差质量，提高非球面光学元件的质量。
附图说明
图1为本发明的双摆极坐标快速非球面数控加工机床结构示意图；
图2为为本发明的工作原理说明参考示意图；
其中：1、主轴伺服驱动电机，2、主轴减速器，3、主动轮，4、皮带，5、从动轮，6、主轴，7、A摆驱动电机，8、A摆减速器，9、A摆曲柄盘，10、A摆连杆，11、A摆压力调节器，12、A摆球形铰链，13、A摆摇杆，14、A摆摆轴，15、工件承载台，16、非球面光学元件，17、A摆摆臂，18、A摆抛光盘，19、A摆顶针，20、B摆顶针，21、B摆抛光盘，22、B摆摆臂，23、B摆摆轴，24、B摆压力调节器，25、B摆摆轴传动曲柄摇杆机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参见附图1和附图2，本发明的双摆极坐标快速非球面数控加工机床包括皮带传动机构、主轴、工件承载台、A摆加工工具和B摆加工工具；所述主轴两端安装在装有轴承的轴承座内，所述皮带传动机构的输出端与主轴一端固连，所述主轴的另一端与所述工件承载台固连，被加工非球面光学元件贴固在所述工件承载台上，所述A摆加工工具和B摆加工工具结构相同，所述A摆加工工具中的A摆曲柄盘上开有T型槽，通过T形槽螺栓和球形铰链与A摆加工工具中的A摆连杆连接实现自由回转，通过T型槽螺栓在所述A摆曲柄盘上的T型槽内的自由滑动调节所述A摆加工工具的曲柄长度，所述A摆加工工具和B摆加工工具以不同的运动模式和路径在工件的不同工位上并行工作。
主轴6与工件承载台15之间为莫氏锥度3#过渡接头连接，便于拆装。工件承载台15采用45#钢，工件承载台15台面上开有通过中心的相互垂直的两条T形槽，通过T形槽螺栓和顶块来固紧被加工光学元件16，承载台具体尺寸根据机床所加工的最大工件尺寸而定。
所述皮带传动机构包括主轴伺服驱动电机1，主轴减速器2，主动轮3，皮带4，从动轮5，主轴伺服驱动电机1的输出轴与主轴减速器2的输入轴刚性固连，主轴减速器2的输出轴与主动轮3的转轴连接，主动轮3与从动轮5通过皮带4连接，所述主轴减速器采用蜗轮蜗杆减速器。
所述A摆加工工具包括A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构、A摆压力调节器11、A摆摆轴14、A摆摆臂17、A摆抛光盘18和A摆顶针19；A摆摆轴14的两端安装在装有轴承的轴承座内，其上端通过销轴与A摆摆臂17连接，带动A摆摆臂17往复摆动，A摆摆臂17的摆杆水平伸向被加工非球面光学元件16的上方，在A摆摆臂17的摆杆末端通过A摆顶针19带动A摆抛光盘18的工作面与被加工非球面光学元件16的被加工面滑动接触，A摆压力调节器11与A摆摆臂17采用销轴连接，为A摆抛光盘18提供抛光压力；所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构中的A摆摇杆13的一端与所述A摆摆轴通过键连接。
所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构包括A摆驱动电机7、A摆减速器8、A摆曲柄盘9、A摆连杆10、A摆球型铰链12和A摆摇杆13；A摆驱动电机7的轴与A摆减速器8的输入轴刚性固连，A摆减速器8的输出轴与A摆曲柄盘9的转轴连接，A摆曲柄盘9通过T型槽螺栓和铰链与A摆连杆10的一端连接，A摆连杆10的另一端通过球型铰链12与A摆摇杆13的一端连接，A摆摇杆13的另一端与A摆摆轴14通过键连接。
A摆摆轴14采用45#钢调制处理，轴向精度≤0.02mm，径向精度≤0.02mm。A摆摆轴14安装在两个轴承座内，下面轴承采用圆锥辊子轴承，上部采用深沟球轴承，以保证摆动精度。
所述B摆加工工具包括B摆摆轴的传动曲柄摇杆机构、B摆压力调节器24、B摆摆轴23、B摆摆臂22、B摆抛光盘21和B摆顶针20；B摆摆轴22的两端安装在装有轴承的轴承座内，其上端通过销轴与B摆摆臂22连接，B摆摆臂22的摆杆水平伸向被加工非球面光学元件16的上方，在B摆摆臂22的摆杆末端通过B摆顶针20带动B摆抛光盘21的工作面与被加工非球面光学元件16的被加工面滑动接触，B摆压力调节器24与B摆摆臂22连接为B摆抛光盘21提供抛光压力；所述B摆摆轴的传动曲柄摇杆机构中的B摆摇杆的一端与所述B摆摆轴23通过键连接。
所述A摆驱动电机7和B摆驱动电机采用三相异步电动机，变频调速；A摆减速器8和B摆减速器为蜗轮蜗杆减速器。
A摆摇杆13和A摆连杆10以及A摆曲柄盘9与A摆连杆10之间的连接处到曲柄盘中心的这一段构成了曲柄摆杆机构。A摆曲柄盘9与A摆连杆10之间的连接处到A摆曲柄盘中心的这一段，称作曲柄。根据A摆摆臂17所需的最大摆角、A摆摆轴传动曲柄摇杆机构中的曲柄存在的条件、最小传动角γmin以及行程速度变化系数K设计摆臂曲柄摆杆机构各构件的具体尺寸，包括曲柄d1的最大长度d1max，A摆连杆10长度，A摆摇杆13的长度，A摆曲柄盘9回转中心的与A摆摆轴14回转中心距离，具体要求为：
A摆曲柄摇杆机构的最小传动角γmin≥50°；
A摆曲柄摇杆机构的行程速度变化系数K≈1；
A摆曲柄d1的最大长度d1max为以上四个尺寸中最小值。
根据A摆曲柄d1的最大长度d1max的大小确定A摆曲柄盘9直径的大小，A摆曲柄盘9上开有T形槽，通过T形槽螺栓和球型铰链与A摆连杆10连接能够自由回转，T形槽螺栓可以在T型槽内自由滑动以调整A摆曲柄d1的长短。A摆连杆10与A摆摇杆13通过球型铰链12连接而能够自由回转。A摆曲柄摇杆机构中各个构件均采用45#钢，A摆连杆10与A摆摇杆13理论尺寸加工精度≤0.05mm。
根据B摆摆臂22的最大摆角设计B摆摆轴传动曲柄摇杆机构25中各个构件的具体尺寸，方法与A摆摆轴传动曲柄摇杆机构相同。
整机床身由槽钢、钢板焊接而成，床身前方为推拉门，便于机床维护保养及曲柄摇杆机构曲柄长度的调整，其余部分为封闭结构。在保证机床各个部分合理布局、机床稳定运行的前提下使整机体积最小。
Claims (5)
1.双摆极坐标快速非球面数控加工机床，包括主轴（6）和工件承载台（15），其特征在于，还包括皮带传动机构、A摆加工工具和B摆加工工具；所述主轴（6）两端安装在装有轴承的轴承座内，所述皮带传动机构的输出端与主轴（6）一端固连，所述主轴（6）的另一端与所述工件承载台（15）固连，被加工非球面光学元件（16）贴固在所述工件承载台（15）上，所述A摆加工工具和B摆加工工具结构相同，所述A摆加工工具中的A摆曲柄盘（9）上开有T型槽，通过T形槽螺栓和球形铰链与A摆加工工具中的A摆连杆（10）连接实现自由回转，通过T型槽螺栓在所述A摆曲柄盘（9）上的T型槽内的自由滑动调节所述A摆加工工具的曲柄长度，所述A摆加工工具和B摆加工工具以不同的运动模式和路径在非球面光学元件（16）的不同工位上并行工作。
2.根据权利要求1所述的双摆极坐标快速非球面数控加工机床，其特征在于，所述皮带传动机构包括主轴伺服驱动电机（1）、主轴减速器（2）、主动轮（3）、皮带（4）和从动轮（5）；主轴伺服驱动电机（1）的输出轴与主轴减速器（2）的输入轴刚性固连，主轴减速器（2）的输出轴与主动轮（3）的转轴连接，主动轮（3）与从动轮（5）通过皮带（4）连接。
3.根据权利要求1所述的双摆极坐标快速非球面数控加工机床，其特征在于，所述A摆加工工具包括A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构、A摆压力调节器（11）、A摆摆轴（14）、A摆摆臂（17）、A摆抛光盘（18）和A摆顶针（19）；A摆摆轴（14）的两端安装在装有轴承的轴承座内，所述A摆摆轴（14）上端通过销轴与A摆摆臂（17）连接，A摆摆臂（17）的摆杆水平伸向被加工非球面光学元件（16）的上方，在A摆摆臂（17）的摆杆末端通过A摆顶针（19）带动A摆抛光盘（18）的工作面与被加工非球面光学元件（16）的被加工面滑动接触，A摆压力调节器（11）与A摆摆臂（17）连接为A摆抛光盘（18）提供抛光压力；所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构中的A摆摇杆（13）的一端与所述A摆摆轴（14）通过键连接，所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构为A摆加工工具提供动力并调整运动姿态。
4.根据权利要求3所述的双摆极坐标快速非球面数控加工机床，其特征在于，所述A摆摆轴的传动曲柄摇杆机构包括A摆驱动电机（7）、A摆减速器（8）、A摆曲柄盘（9）、A摆连杆（10）、A摆球型铰链（12）和A摆摇杆（13）；A摆驱动电机（7）的输出轴与A摆减速器（8）的输入轴刚性固连，A摆减速器（8）的输出轴与A摆曲柄盘（9）的转轴连接，A摆曲柄盘（9）通过T型槽螺栓和铰链与A摆连杆（10）的一端连接，A摆连杆（10）的另一端通过球型铰链与A摆摇杆（13）的一端连接。
5.根据权利要求4所述的双摆极坐标快速非球面数控加工机床，其特征在于，所述A摆摇杆（13）和A摆连杆（10）以及A摆曲柄盘（9）与A摆连杆（10）之间的连接处到A摆曲柄盘（9）中心的这一段构成了A摆曲柄摇杆机构，所述A摆曲柄摇杆机构的最小传动角γmin≥50°；A摆曲柄摇杆机构的行程速度变化系数K≈1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131009 |