CN103639598A - 一种用于细微旋转结构加工的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于细微旋转结构加工的装置，包括：一个驱动机构、与驱动机构配接的同步传动轴、固定在同步传动轴上的两个驱动齿轮、分别通过两个驱动齿轮传动旋转并能够固定待加工件的第一紧固机构和第二紧固机构、以及设置在第一紧固机构和第二紧固机构之间用于支撑待加工件的支撑机构；所述支撑机构上方设有激光打磨装置以及图像传感器；所述激光打磨装置以及图像传感器同时与图像识别和打磨控制系统连接。因此，本发明具有如下优点：很好地解决了现有的细微加工方式不能实现三维加工问题；基于计算机视觉系统，采用高精度图像识别的方式，实现了无接触式微米级尺寸测量；全过程采用计算机实时控制，提高了细微旋转结构加工的效率。

Description

一种用于细微旋转结构加工的装置

 

技术领域

本发明涉及一种工件加工的装置，尤其是涉及一种用于细微旋转结构加工的装置。

背景技术

目前，产品正朝着小型化和微型化的方向发展，这不仅丰富了产品的功能，同时也节省了资源。这一发展趋势对微加工技术的应用和开发提出了迫切的需求。尽管已经研究出很多种细微加工的方法，如电镀、刻蚀，电火花加工等，但对材料进行微米级的三维加工尚缺乏有效的手段。因此，精密微细加工技术越来越获得学术界和企业的重视，成为先进制造技术和设备的研究和开发的一个重要方向。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，包括：一个驱动机构、与驱动机构配接的同步传动轴、固定在同步传动轴上的两个驱动齿轮、分别通过两个驱动齿轮传动旋转并能够固定待加工件的第一紧固机构和第二紧固机构、以及设置在第一紧固机构和第二紧固机构之间用于支撑待加工件的支撑机构；所述支撑机构上方设有激光打磨装置以及图像传感器；所述激光打磨装置以及图像传感器同时与图像识别和打磨控制系统连接；该用于细微旋转结构加工的装置还包括两个平行设置的轨道轴，所述同步传动轴设置在两个轨道轴之间；第一紧固机构固定在两个的轨道轴一端，第二紧固机构固定在两个的轨道轴另一端并能够在轨道轴上来回滑动；所述支撑机构固定在两个的轨道轴上并位于第一紧固机构和第二紧固机构之间；所述两个的轨道轴上位于支撑机构和第二紧固机构之间分别套有张紧弹簧。

在上述的一种用于细微旋转结构加工的装置，所述驱动机构包括一个步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与同步传动轴配接。

在上述的一种用于细微旋转结构加工的装置，所述第一紧固机构包括固定在两个的轨道轴上带有第一紧固夹头轴承的第一紧固夹头轴承基座，所述第一紧固夹头轴承内壁固定有第一紧固夹头旋转轴，所述第一紧固夹头旋转轴宽度大于第一紧固夹头轴承宽度；该第一紧固夹头旋转轴一端固定在第一紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第一传动齿轮；第一紧固夹头旋转轴内设有第一紧固装置；所述第一传动齿轮与驱动齿轮的一个啮合。

在上述的一种用于细微旋转结构加工的装置，所述第二紧固机构包括设置在两个的轨道轴上能够在轨道轴来回滑动并带有第二紧固夹头轴承的第二紧固夹头轴承基座，所述第二紧固夹头轴承内壁固定有第二紧固夹头旋转轴，所述第二紧固夹头旋转轴宽度大于第二紧固夹头轴承宽度；该第二紧固夹头旋转轴一端固定在第二紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第二传动齿轮；第一紧固夹头旋转轴内设有第二紧固装置；所述第二传动齿轮与上述驱动齿轮的另一个啮合。

在上述的一种用于细微旋转结构加工的装置，所述第一紧固装置和第二紧固装置均包括两个楔块；即上楔块和下楔块，所述上楔块和下楔块组成一个矩形的紧固夹头；所述下楔块上端面开有一个槽，槽宽大于待加工件直径，槽深自斜面底部至高处逐渐减小，并且最高处深度小于待加工件直径；所述第一紧固装置的下楔块一侧还设有一个夹紧旋转柄，所述夹紧旋转柄为C形，一端通过夹紧旋转柄固定及旋转轴设置在下楔块上并能够旋转；所述夹紧旋转柄的两个底端面不在一个水平面上。

在上述的一种用于细微旋转结构加工的装置，所述支撑机构包括一个固定槽基座，所述固定槽基座顶端中部设有一个空置槽；所述固定槽基座顶端的两端为两个凸块；凸块内设有V形固定槽。

因此，本发明具有如下优点：采用激光束进行实际的加工，通过控制激光束的功率，加工精度可以达到微米级，从而很好地解决了现有的细微加工方式（如电火花加工）不能实现三维加工问题；基于计算机视觉系统，采用高精度图像识别的方式，实现了无接触式微米级尺寸测量；全过程采用计算机实时控制，提高了细微旋转结构加工的效率。

附图说明

附图1是本发明的一种主视结构示意图。

附图2是本发明的一种俯视结构示意图。

附图3是本发明中紧固装置的结构示意图。

附图4是本发明实施例中无偏心加工时的结构示意图。

附图5是本发明实施例中激光加工与尺寸测量布置的结构示意图。

附图6是本发明实施例中加工剖面图的结构示意图。

附图7是本发明中控制系统硬件结构示意图。

附图8是本发明中自动测量流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，图像传感器1、激光打磨装置2、传动齿轮3、紧固夹头旋转轴4、夹紧旋转柄5、固定槽基座6、张紧弹簧7、第一紧固装置8、第二紧固装置9、联轴器10、同步传动轴11、第二紧固夹头轴承基座12、第一紧固夹头轴承基座13、待加工件14、步进电机100、图像识别和打磨控制系统101、V形固定槽15、轨道轴16、夹紧旋转柄固定及旋转轴18、下楔块19、上楔块20。

实施例：

首先，介绍一下本发明的结构，如图1所示，本发明包括：一个驱动机构、与驱动机构配接的同步传动轴11、固定在同步传动轴11上的两个驱动齿轮、分别通过两个驱动齿轮传动旋转并能够固定待加工件14的第一紧固机构和第二紧固机构、以及设置在第一紧固机构和第二紧固机构之间用于支撑待加工件14的支撑机构；所述支撑机构上方设有激光打磨装置2以及图像传感器1；所述激光打磨装置以及图像传感器同时与图像识别和打磨控制系统101连接；该用于细微旋转结构加工的装置还包括两个平行设置的轨道轴16，所述同步传动轴11设置在两个轨道轴16之间；第一紧固机构固定在两个的轨道轴16一端，第二紧固机构固定在两个的轨道轴16另一端并能够在轨道轴16上来回滑动；所述支撑机构固定在两个的轨道轴16上并位于第一紧固机构和第二紧固机构之间；所述两个的轨道轴16上位于支撑机构和第二紧固机构之间分别套有张紧弹簧7；驱动机构包括一个步进电机100，所述步进电机100的输出轴通过联轴器10与同步传动轴11配接。

第一紧固机构包括固定在两个的轨道轴16上带有第一紧固夹头轴承的第一紧固夹头轴承基座12，所述第一紧固夹头轴承内壁固定有第一紧固夹头旋转轴4，所述第一紧固夹头旋转轴4宽度大于第一紧固夹头轴承宽度；该第一紧固夹头旋转轴4一端固定在第一紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第一传动齿轮3；第一紧固夹头旋转轴4内设有第一紧固装置8；所述第一传动齿轮3与驱动齿轮的一个啮合。

第二紧固机构包括设置在两个的轨道轴16上能够在轨道轴16来回滑动并带有第二紧固夹头轴承的第二紧固夹头轴承基座13，所述第二紧固夹头轴承内壁固定有第二紧固夹头旋转轴4，所述第二紧固夹头旋转轴4宽度大于第二紧固夹头轴承宽度；该第二紧固夹头旋转轴4一端固定在第二紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第二传动齿轮3；第一紧固夹头旋转轴4内设有第二紧固装置9；所述第二传动齿轮3与上述驱动齿轮的另一个啮合。

如图3所示，第一紧固装置8和第二紧固装置9均包括两个楔块；即上楔块20和下楔块19，上、下楔块的尺寸是一样的,接触面斜度为1:10；上楔块20和下楔块19组成一个矩形的紧固夹头；所述下楔块19上端面开有一个槽，槽宽大于待加工件14直径，槽深自斜面底部至高处逐渐减小，并且最高处深度小于待加工件14直径；这样当将金属丝埋入下楔块的槽中，再将两个楔块拼起来的时候，上楔块便对金属丝有个挤压作用，从而将金属丝夹紧。所述第一紧固装置8的下楔块19一侧还设有一个夹紧旋转柄5，所述夹紧旋转柄5为C形，一端通过夹紧旋转柄固定及旋转轴18设置在下楔块19上并能够旋转；所述夹紧旋转柄5的两个底端面不在一个水平面上。这个装置是安装在图1中的紧固夹头旋转轴4内的，并且轴内径等于上下楔块拼起来所形成的长方体的高度。图3中的夹紧旋转柄5处在竖直位置的时候并没有把上下楔块错开那么多，此处只是为了说明问题，实际加工时只要保证金属丝能够很好地夹紧就行。夹紧金属丝的操作流程如下：将夹紧旋转柄5，转到水平位置，从紧固夹头旋转轴4中取出上楔块20，然后将金属丝埋入下楔块的槽内，再将上楔块压入紧固夹头旋转轴4中，将夹紧旋转柄5转至竖直位置，使其对上楔块产生一个轴向的推力，将两个斜面压紧，金属丝便夹紧了；这种夹紧方法，安装和拆除细丝工件都很方便。

支撑机构包括一个固定槽基座6，所述固定槽基座6顶端中部设有一个空置槽；所述固定槽基座6顶端的两端为两个凸块；凸块内设有V形固定槽15。

工作时，首先将金属丝两端夹紧，金属丝夹紧之后，加工之前必须使金属丝处于张紧的状态。在本加工装置中，两边的紧固夹头旋转轴4均通过传动齿轮3与同步旋转轴11啮合，两边的紧固夹头的旋转轴4分别以第一紧固夹头轴承基座13、第二紧固夹头轴承基座12做轴承同时也充当基座的作用；左边的第一紧固夹头轴承基座13固定在外围的两个轨道轴16上，右边的第二紧固夹头轴承基座12则可以沿着两个轨道轴16滑动；V型固定槽基座6也固定在的两个轨道轴16上，其上安装了薄垫片，方便调节V型固定槽的高度；在V型固定槽基座6以及紧固夹头轴承基座12之间的两个轨道轴16上分别安装有张紧弹簧7。在夹紧金属丝时，先夹紧金属丝左端，在夹紧金属丝右端之前先用手向左推动第二紧固夹头轴承基座12，使张紧弹簧7处于压缩状态，再夹紧金属丝右端，然后松开第二紧固夹头轴承基座12，在弹簧张力作用下，金属丝便张紧了。

为获得高的加工精度，保证金属丝在加工过程中无偏心的旋转是至关重要的。如图4，将待加工的金属丝固定在一个V型槽中；同时，如图5，让两端金属丝夹头的水平高度略低于V型槽，使金属丝有细微的倾斜角，这样就可以将金属丝轻压在V型槽的底部。这两种措施可以很好地实现细金属丝无偏心旋转。图5中两个V型槽的尺寸由待加工的金属丝直径而定，并且如果金属丝为变截面的，两个V型槽的尺寸也可以不一样。注意图5中金属丝的加工部位，它位于两个V型槽中间。

测量系统如图6， 光学放大系统+图像卡采集装置组成硬件系统和图像识别方式软件系统实现无接触式尺寸测量，测量工件的加工余量测量。加工过程中，光学系统放大40倍，图像传感器实时采集图像信息，采用的传感器像素为3240X1840，经过计算，在这种分辨率下一个像素代表的实际尺寸小于0.5um，精度足够。图像传感器将采集到的信号传给图像卡，图像卡将这些图像信息传送给计算机。通过计算机进行图像轮廓识别，对比目标轮廓，来确定加工余量以及加工路径，最后计算机通过激光控制系统进行加工。图像传感器与激光系统进行布置时，应注意，为减小激光火花对图像传感器采集数据过程的影响，图像传感器的采集方向与激光束的方向得有一定的夹角。本加工装置选择的是90的夹角。两者处于同一个垂直于待加工金属丝轴线的平面内。细丝加工量十分微小，一般加工方法很难满足要求如线切割。 我们采用激光打标机执行实际的加工，控制输出功率可以实现加工精度到达0.5um  ；并且利用打标机的偏振系统对细丝不同部位进行精确定位;利用打标机的微小激光系统进行氧化加工。采用激光加工过程工件会产生一定热量，影响加工部位的性能,我们设计滴水冷却系统,采用滴水到工件上冷却加工件。

    如图1，考虑到金属丝待加工部位的横断面一般不一定是圆形或初始状态不是圆形，故驱动结构采用了步进电机控制，使待加工的细丝在圆周不同方位可以任意停和转；当细丝某处需要加工时，计算机通过步进电机的控制系统使金属丝旋转到一定角度，使激光对准待加工部位，进行加工。

为保证金属丝两端紧固夹头能精确地同步旋转，本加工装置采用了如下方式：步进电机通过联轴器10带动同步传动轴11旋转，由于第二紧固夹头轴承基座12、第一紧固夹头轴承基座13通过齿轮啮合在同步传动轴11上，二者会跟着同步传动轴11同步转动，金属丝两端便可以同步旋转，从而保证加工过程丝不出现扭转。

控制系统硬件结构如下图7所示，步进电机、激光打标机受计算机的控制；图像传感器与计算机相连，进行数据传送。工作时，图像传感器将采集的信息反馈给计算机；计算机根据这些图像信息确定加工参数；然后根据计算得到的参数，控制步进电机以及激光打标机，以执行相应动作。无论是在测量还是在加工过程中，都需要步进电机旋转，计算机可以控制步进电机进行任意角度的正反旋转。

加工过程的流程图如下图8所示。

1）安装金属丝：按照权利2、3所述夹紧并张紧待加工的金属丝，丝的安装过程便完成；

2）测量：

a)开启步进电机，从某个位置开始，转过一定角度后，停止旋转;

b)计算机提取此方位的图像传感器的信息，从中计算出该部位的尺寸信息;

c)保存尺寸信息以及当前的位置信息位置信息：包括周向旋转角度、轴向距离;

d)重复a、b、c，直至步进电机转过一周，测量出工件整个圆周不同方位的尺寸；

3）计算加工参数：

a)计算机核对各个位置的尺寸信息，确定是否需要加工。

b)如果所有位置的尺寸均达到加工要求，则停止加工过程，执行步骤5；

c)否则进一步计算每个不符合要求的位置的加工余量，保存位置信息以及对应的加   工参数；

d)综合这些加工参数，对于每一个周向的角度，都生成一条沿轴向的加工曲线即以轴向位置为横坐标，以加工余量为纵坐标的曲线，保存这些曲线。

4）执行加工：

a）对每一个周向角度，将步进电机旋转到该处，开启激光达标系统，将步骤3中生成的曲线传给激光打标机，由激光打标机执行加工；

b）当每个角度方向的加工都完成后，这步加工便完成；

c）继续执行步骤2，进行下一阶段加工。

5）停止加工：停止步进电机、激光打标机，然后拆下金属丝，加工过程完成。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了图像传感器1、激光打磨装置2、传动齿轮3、紧固夹头旋转轴4、夹紧旋转柄5、固定槽基座6、张紧弹簧7、第一紧固装置8、第二紧固装置9、联轴器10、同步传动轴11、第二紧固夹头轴承基座12、第一紧固夹头轴承基座13、待加工件14、步进电机100、图像识别和打磨控制系统101、V形固定槽15、轨道轴16、夹紧旋转柄固定及旋转轴18、下楔块19、上楔块20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，包括：一个驱动机构、与驱动机构配接的同步传动轴（11）、固定在同步传动轴（11）上的两个驱动齿轮、分别通过两个驱动齿轮传动旋转并能够固定待加工件（14）的第一紧固机构和第二紧固机构、以及设置在第一紧固机构和第二紧固机构之间用于支撑待加工件（14）的支撑机构；所述支撑机构上方设有激光打磨装置（2）以及图像传感器（1）；所述激光打磨装置以及图像传感器同时与图像识别和打磨控制系统（101）连接；该用于细微旋转结构加工的装置还包括两个平行设置的轨道轴（16），所述同步传动轴（11）设置在两个轨道轴（16）之间；第一紧固机构固定在两个的轨道轴（16）一端，第二紧固机构固定在两个的轨道轴（16）另一端并能够在轨道轴（16）上来回滑动；所述支撑机构固定在两个的轨道轴（16）上并位于第一紧固机构和第二紧固机构之间；所述两个的轨道轴（16）上位于支撑机构和第二紧固机构之间分别套有张紧弹簧（7）。

2.根据权利要求1所述的一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，所述驱动机构包括一个步进电机（100），所述步进电机（100）的输出轴通过联轴器（10）与同步传动轴（11）配接。

3. 根据权利要求1所述的一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，所述第一紧固机构包括固定在两个的轨道轴（16）上带有第一紧固夹头轴承的第一紧固夹头轴承基座（13），所述第一紧固夹头轴承内壁固定有第一紧固夹头旋转轴（4），所述第一紧固夹头旋转轴（4）宽度大于第一紧固夹头轴承宽度；该第一紧固夹头旋转轴（4）一端固定在第一紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第一传动齿轮（3）；第一紧固夹头旋转轴（4）内设有第一紧固装置（8）；所述第一传动齿轮（3）与驱动齿轮的一个啮合。

4.根据权利要求3所述的一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，所述第二紧固机构包括设置在两个的轨道轴（16）上能够在轨道轴（16）来回滑动并带有第二紧固夹头轴承的第二紧固夹头轴承基座（12），所述第二紧固夹头轴承内壁固定有第二紧固夹头旋转轴（4），所述第二紧固夹头旋转轴（4）宽度大于第二紧固夹头轴承宽度；该第二紧固夹头旋转轴（4）一端固定在第二紧固夹头轴承内壁，另一端外壁固定有第二传动齿轮（3）；第一紧固夹头旋转轴（4）内设有第二紧固装置（9）；所述第二传动齿轮（3）与上述驱动齿轮的另一个啮合。

5.根据权利要求4所述的一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，所述第一紧固装置（8）和第二紧固装置（9）均包括两个楔块；即上楔块（20）和下楔块（19），所述上楔块（20）和下楔块（19）组成一个矩形的紧固夹头；所述下楔块（19）上端面开有一个槽，槽宽大于待加工件（14）直径，槽深自斜面底部至高处逐渐减小，并且最高处深度小于待加工件（14）直径；所述第一紧固装置（8）的下楔块（19）一侧还设有一个夹紧旋转柄（5），所述夹紧旋转柄（5）为C形，一端通过夹紧旋转柄固定及旋转轴（18）设置在下楔块（19）上并能够旋转；所述夹紧旋转柄（5）的两个底端面不在一个水平面上。

6.根据权利要求1所述的一种用于细微旋转结构加工的装置，其特征在于，所述支撑机构包括一个固定槽基座（6），所述固定槽基座（6）顶端中部设有一个空置槽；所述固定槽基座（6）顶端的两端为两个凸块；凸块内设有V形固定槽（15）。

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