CN103639903A - 三向关联调整磁射流体加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明为三向关联调整磁射流体加工装置，公开了属于精密光学表面加工领域的一种加工工具。包括旋转支架、支撑架、驱动臂、从动臂、齿轮组、摩擦片、电磁铁、主轴、蜗轮蜗杆、喷头壳体等。蜗轮蜗杆安装在支撑架中；驱动臂和从动臂安装在支撑架两侧；摆臂齿轮组位于从动臂上；喷头壳体和从动臂连接在一起。偏摆调节时，电磁铁通电带动摩擦片使旋转支架和主轴分离；主轴带动蜗轮蜗杆使驱动臂和从动臂偏摆，带动摆臂齿轮组的转动，完喷头向相反方向偏摆相同的角度操作，同时实现水平和垂直方向的偏移。本发明装置能够完成多种喷射方式，同时实现喷头偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向的关联调整，有效解决了传统喷头结构调节复杂，偏摆角度和偏移量关联精度差等问题，适用于复杂光学表面的加工。

Description

三向关联调整磁射流体加工装置

技术领域

本发明涉及三向关联调整磁射流体加工装置，特别涉及对具有复杂光学表面和深陡度光学表面的磁射流体加工的装置，属于超精密加工领域。

背景技术

在现代光学系统中使用非球面或自由曲面光学元件，相比传统的只使用球面和平面的解决方案，引入了更多的设计参数，一方面增加了光学设计人员灵活性和自由度，为校正系统像差，改善成像质量，提高系统光学性能提供了新的途径和方法；另一方面，合理的使用非球面或自由曲面能够降低光学系统复杂性，减轻系统质量和体积，降低成本等，已经在空间光学系统，大口径望远镜系统，高分辨相机等领域得到广泛的应用。随着科技进步，具有非球面或自由曲面表面的光学元件已经成为光学系统中必不可少的关键部件。

现代光学系统对复杂光学元件表面的要求，一方面对其加工精度、加工效率和加工成本的控制越来越严格；另一方面对光学元件的几何形状参数要求越来越苛刻，如高次非球面，异形表面，深陡度表面等。自美国Itek公司的W.J.Rupp于20世纪70年代初期将计算机控制技术引入光学制造领域，提出了计算机控制表面成形技术起，各国科研人员发展了多种数控光学表面加工技术，如计算机控制小工具技术，磁流变技术，离子束技术，流体抛光技术等。其中计算机控制小工具技术通常采用机械“柔性”方式连接小工具，这使得在工件边缘位置时小工具的工作状态不稳定，边缘效应明显，严重时会导致不可预料的情况，且由于小工具的尺寸限制，使其对曲率变化较大的面形难以实施精确加工，影响表面面形的误差收敛。磁流变抛光技术一般采用轮式抛光法，磁流体与光学表面的接触是完全柔性的，加工过程不产生磨损，但受抛光轮半径所限，不能有效加工曲率半径较小的凹面。离子束技术是一种非接触抛光方法，具有很高的加工精度，但是高真空的工作环境，面形需要预抛光的要求是影响其应用的重要难题，另外离子轰击的热效应和由于溅射引起的表面粗糙度变化也是其不利因素之一。

流体抛光技术主要是磨料水射流抛光技术（Fluid Jet Finishing）和磁射流技术（Magnetorheological Jet Polishing,MJP）等。磨料水射流抛光技术是将混合有磨料的液体喷射到工件表面，对表面产生切削作用，实现精确的超光滑表面加工，但是由于喷射出的流束受纵向和横向压力梯度的突然变化，导致射流束逐渐失去一致性，并随着喷射距离的增加显著变坏，从而影响去除函数的稳定性和抛光的精度。而磁射流抛光技术（Magnetorheological Jet Polishing,MJP）利用在喷口处施加局部轴向磁场实现稳定射流束，消除初始扰动，使混有磨料的低粘度磁流变液体流束通过局部轴向磁场后，发生磁流变效应来增加射流束表面的稳定性，形成集束性、保形性及准直性优良的硬化射流束喷射到工件表面实现残余误差的修正。磁射流技术在加工过程中对喷嘴无损耗，更重要的射流束具有很好的保形性，能够实现远距离精确加工，可实现复杂表面的加工，尤其对深陡度和曲率变化较大等复杂表面具有显著优势。

磁流变抛光技术利用定量的面形测量数据，控制喷射出的射流束沿预先规划好的加工点运动，从而实现对工件的精确去除。由于复杂光学表面面形的特点，要求加工时加工轴线须于光学表面的法线方向重合。

目前磁射流技术主要有两种喷射方案，一种是经由磁场发生线圈和喷头的射流束沿工件表面待加工点处的法线方向出射，即垂直入射式加工方式，流束与工件表面撞击后，产生切向速度，从而实现对表面材料的精确去除加工；另一种是射流束沿待加工点处法线成一定夹角的方向出射，即斜入射式加工方式。单纯的第一种垂直于工件表面的喷射方式，其去除函数呈圆对称的“M”形状；单纯的第二种斜入射于工件表面喷射方式，由于射流束与加工点处法线成一定夹角，导致去除函数呈现出中间去除大边缘去除小不规则的分布，这种分布的去除函数很难用于数控精密加工。基于第二种喷射形式，可以通过增加绕待加工点处表面法线的旋转运动，获得圆对称形式的去除函数，即第三种加工方式——旋转斜入射式加工方式，此加工方式中，加工轴线即旋转轴线。旋转斜入射式加工方式下的去除函数呈类高斯形状分布，相比垂直入射式加工方式下的去除函数，具有加工区域大，圆对称性更明显等优点。由于在旋转斜入射式加工方式中，为保证入刀点，即射流束和旋转轴的交点，一定与工件的待加工点重合，要求在调整喷头的喷射姿态时，必须完成偏摆、水平偏移和与垂直偏移三个方向上数值大小非常关联的调整操作。传统的调节机构只能手动完成，需要独立调节三个方向的数值，调节难度大，且不能精确保证三个方向运动的关联性。

本发明能实现多种磁射流喷射加工方式，还能实现对喷头喷射姿态的偏摆角度、水平偏移和垂直偏移三个方向精确自动关联调整，调节方式简单可靠易操作，联动精度高；结合精密数控机床的多轴运动，即可实现对刀点和加工点的重合，加工旋转轴线和表面法线的重合，从而实现光学元件表面的精密制造。

发明内容：

本发明提供了一种三向关联调整磁射流体加工装置，可以实现偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向相关联量的精确调整，调节简单易操作，节约了磁射流技术加工光学表面的准备时间，提高了调整准确度和加工时对刀精度。本发明实现了多种磁射流加工装置的加工方式，使得工件表面的加工精度和加工效率得到了改善。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明是三向关联调整磁射流体加工装置，包括旋转电机、支架、固定壳体、第一同步带轮、第三同步带轮、导电滑环、连接套、旋转支架、支撑架、主轴齿轮组、蜗轮蜗杆、驱动臂、喷头壳体、线圈、喷头、喷头壳盖、驱动臂、摆臂齿轮组、软管、主轴、摩擦片、弹簧支架、弹簧、摆动电机、第二同步带轮、线圈导引线、电刷架、电磁铁、第四同步带轮、旋转接头。

所述支架固定在精密数控机床上，用于实现装置的整体运动；旋转电机通过螺钉固定在支架上，通过销柱和第一同步带轮连接；摆动电机通过螺钉固定在支架下侧；通过销柱和第二同步带轮连接；主轴上端通过轴承和支架相连，下端通过轴承和旋转支架相连；主轴顶端和旋转接头相连，通过销柱和第四同步带轮固定在一起；主轴下端和主轴齿轮组通过销住固定；第三同步带轮通过销柱固定在旋转支架的上端；导电滑环绝缘固定在旋转支架上，位于第三同步带轮下侧，与固定在支架上的电刷架相接触；连接套通过销柱固定在旋转支架下端；电磁铁通过螺钉固定在支架下侧；弹簧位于电磁铁下侧，和弹簧支架固定在一起；摩擦片横跨在主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面的上面，通过推力球轴承和弹簧支架相连；固定壳体通过螺钉固定在支架下侧，通过轴承和连接套和旋转支架连接在一起；支撑架通过螺钉固定在旋转支架的下侧；驱动臂跟支撑架左框接触，通过传动柱和蜗轮蜗杆固定在一起；支撑架右框通过销柱，穿过从动臂的轴承，和摆臂齿轮组中第一摆臂齿轮固定；摆臂齿轮组位于从动臂的右侧；喷头壳体左侧连接柱通过轴承和驱动臂连接在一起，右侧连接柱穿过从动臂的轴承，和摆臂齿轮组第三摆臂齿轮固定；线圈位于喷头壳体内部，通过导线和支架上的线图导引线相连；喷头壳盖通过螺钉固定在喷头壳体的上侧；喷头固定在喷头壳体中间；液体软管连接在主轴和喷头之间。

所述喷头结构能同时实现偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向的调整，出射流束与旋转轴线相交，距离恒定且等于摆动齿轮组第一摆动齿轮和第三摆齿轮的间距L，当摆动电机调整驱动臂和从动臂偏摆角度为θ时，水平偏移调整量为d_e＝Lsinθ,垂直偏移调整量为d_h＝L(1-cosθ)，通过精密机床再调整竖直向距离H＝2d_h就实现加工点和交点的重合。

所述摩擦片采用耐磨材料制成，下端面具有较大的摩擦系数。

所述弹簧弹力作用在摩擦片上，其弹力使主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面通过摩擦片结合在一起，实现同步运动。

所述电磁铁在通电时能够产生大于弹簧弹力的吸力，将弹簧支架吸离推力球轴承，使摩擦片受到压力减小，从而实现摩擦片、主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面的分离。

所述主轴齿轮组具有二个齿轮，二个齿轮具有相同的模数、齿数和齿形。主轴齿轮组中的第一齿轮固定在主轴下端，第二齿轮固定在蜗杆上端。

所述摆臂齿轮组具有三个齿轮，三个齿轮具有相同的模数和齿形，齿数比为2:2:1。摆臂齿轮组中的第一摆臂齿轮与支撑框架中的右边框通过销柱固定在一起，不能发生转动；第二摆臂齿轮通过轴承固定在从动臂上；第三摆臂齿轮与喷头壳体右侧的连接柱固定在一起；当从动臂的摆动θ角度时，第二摆臂齿轮转过2θ角度，第三摆臂齿轮向相反方向转动θ角度。

所述蜗轮通过传动柱和驱动臂固定在一起，与蜗杆配合具有自锁功能，在斜入射旋转加工和停机状态下，能够保证喷头摆动角度不发生变化。

所述喷头斜入射角度由摆动电机控制；喷头旋转速度由旋转电机控制；喷头旋转时，摆动电机需断电；喷头斜入射角度调整时，电磁铁需通电使主轴和旋转支架分离，旋转电机保持使能状态。

所述旋转接头具有一定转动能力，所述旋转接头在转动过程中需要最大1MPa的抗压能力。

所述液体软管与主轴连接处、液体软管与喷头连接处、旋转接头与主轴连接处应密封。

所述喷头壳体、喷头壳盖采用高磁导率和高强度的耐磨材料制成。

所述喷头由硬质耐磨损材料制成。

本发明所述的三向关联调整磁射流体加工装置的加工过程如下：根据需要选择适合的喷射形式和喷射角度，当喷头斜入射角度为θ时，加工对刀点位于装置旋转轴线上，距摆臂齿轮组第一摆臂齿轮中心的距离为第一摆臂齿轮中心到第三摆齿轮中心间距的2cosθ倍，利用精密数控机床控制加工装置运动，实现加工轴线和表面法线的重合；摆动电机断电停止工作；电磁铁不通电，弹簧通过弹簧支架、推力球轴承把摩擦片压在主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面上，使主轴和旋转支架结合；旋转电机过第一同步带轮带动旋转支架转动，旋转支架带动固定于其上的支撑架、驱动臂、从动臂和喷头旋转；旋转支架通过摩擦片带动主轴旋转，实现旋转支架和主轴的同步运动，保证喷头摆角不发生变化；再利用精密数控机床控制加工装置运动，实现对刀点和加工点的重合；液体流经旋转接头、主轴、液体软管，最后从喷头喷出，经过通电线圈产生的轴向磁场，斜入射在待加工工件的加工点处，实现工件表面材料的去除加工。

本发明所述的斜入射角度调节形式是：旋转电机通电使能；电磁铁通电将弹簧支架吸起，摩擦片压力减小至使主轴和旋转支架分离；摆动电机通过第二同步带轮、皮带、第四同步带轮带动主轴转动；主轴通过主轴齿轮组带动蜗杆和蜗轮转动；蜗轮通过固定销柱带动驱动臂和从动臂同步摆动；由于摆臂齿轮组中第一摆动齿轮是固定的，从动臂的摆使摆臂齿轮组中第二摆臂齿轮转动，带动第三摆臂齿轮逆向转动，实现喷头朝与驱动臂和从动臂摆动方向相反的方向摆动；由于摆臂齿轮组各齿轮齿数比的保证，喷头体反向摆动的角度和驱动臂正向摆动的角度相同。

本发明所述的喷射形式是：通过改变喷头的斜入射角度和旋转电机的转速改变加工去除函数的形式，获得不同的加工效果。本装置可实现的加工形式有：（1）垂直入射式加工方式，喷头喷射的射流束轴线与加工轴线重合；（2）斜入射式加工方式，喷头喷射的射流束轴线与加工轴线成一定夹角；（3）旋转斜入射式加工方式，喷头喷射的射流束轴线与加工轴线成一定夹角，加工轴线和旋转轴线生命。

有益效果：

本发明的优点在于可通过电机自动调节喷头的喷射姿态，实现偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向的精确关联调整，调整精度由机械硬件保证，不需要人工干预，调整简单易操作，联运精度高；可以节约大量的喷射调节准备时间，提高了调整精度和加工时对刀精度。

本发明在旋转斜入射方式加工时喷头出射流束与旋转轴线相交，交点即对刀点，距离摆臂齿轮组中的第一摆臂齿轮中心距离与偏摆角度呈固定关系，使得对刀点位置确定，易通过精密数控机床使对刀点和待加工点重合，加工轴线和旋转轴线重合，不需要对机床进行额外的标定。

本发明通过调整驱动臂的摆动角度可以实现喷头喷射姿态的调整，方便实现多种类型的加工方式，获得有多种形式的材料去除函数，可加快加工过程的面形收敛速度，从而提高了光学表面的加工精度和加工效率。

本发明结合多自由度精密数控机床，可以实现空间多种喷射姿态的调节，能够实现对复杂光学表面，尤其是深陡度光学表面的去除加工。

附图说明

图1为本发明的三向关联调整磁射流体加工装置的中心剖面结构示意图。

图2为本发明的装置的支架的三维图示。

图3为本发明的装置的旋转支架三维图和仰视图。

图4为本发明的装置的驱动臂和从动臂摆动机构三维图。

图5为本发明的装置的支撑架三维图、俯视图和剖面图。

图6为本发明的装置的喷头壳体和喷头壳盖三维图。

图7为本发明的装置的从动臂摆动齿轮组在垂直入射式加工示意图。

图8为本发明的装置的从动臂摆动齿轮组在斜入射式加工示意图。

图9为本发明装置斜入射式加工状态摆角、水平偏移和垂直偏数值关系示意图。

图10为用本发明装置使用Zygo干涉仪测量垂直入射式加工方式下得到的实际材料去除效果中心剖面图。

图11为用本发明装置使用Zygo干涉仪测量旋转斜入射式加工方式下得到的实际材料去除效果中心剖面图。

其中，1－旋转电机、2－支架、3－固定壳体、4－第一同步带轮、5－第三同步带轮、6－导电滑环、7－连接套、8－旋转支架、9－支撑架、10－主轴齿轮组、11－蜗轮蜗杆、12－驱动臂、13－喷头壳体、14－线圈、15喷头、16－喷头壳盖、17－驱动臂、18－摆臂齿轮组、19－软管、20－主轴、21－摩擦片、22－弹簧支架、23－弹簧、24－摆动电机、25－第二同步带轮、26－线圈导引线、27－电刷架、28－电磁铁、29－第四同步带轮、30－旋转接头、31－固定板、91－支撑架左框、92－支撑架右框、93－支撑架底板、101－主轴齿轮组第一齿轮、102－主轴齿轮组第二齿轮、111－蜗轮、112－蜗杆、113－驱动柱、181－摆臂齿轮组第一摆臂齿轮、182－摆臂齿轮组第二摆臂齿轮、183－摆臂齿轮组第三摆臂齿轮。

具体实施方案

下面结合附图对本发明装置做进一步的说明。

图1为本发明的三向关联调整磁射流体加工装置的中心剖面结构示意图，包括旋转电机1、支架2、固定壳体3、第一同步带轮4、第三同步带轮5、导电滑环6、连接套7、旋转支架8、支撑架9、主轴齿轮组10、蜗轮蜗杆11、驱动臂12、喷头壳体13、线圈14、喷头15、喷头壳盖16、从动臂17、摆臂齿轮组18、软管19、主轴20、摩擦片21、弹簧支架22、弹簧23、摆动电机24、第二同步带轮25、线圈导引线26、电刷架27、电磁铁28、第四同步带轮29、旋转接头30。

其中、通过支架2将整个装置固定在精密数控机床上实现装置的整体运动；旋转电机1通过螺钉固定在支架2上，通过销柱和第一同步带轮4连接；摆动电机24通过螺钉固定在支架2下侧；通过销柱和第二同步带轮25连接；主轴20上端通过轴承和支架2相连，下端通过轴承和旋转支架8相连；主轴20顶端和旋转接头30连接在一起，通过销柱和第四同步带轮5固定在一起，主轴20下端和主轴齿轮组10通过销住固定在一起；第三同步带轮5通过销柱固定在旋转支架8的上端，导电滑环6绝缘固定在旋转支架8上端，第三同步带轮5下侧，与固定在支架2上的电刷架27相接触；连接套7通过销柱固定在旋转支架8下端；电磁铁28通过螺钉固定在支架2下侧；弹簧23位于电磁铁28下面，和弹簧支架22固定在一起摩擦片21横跨在主轴20摩擦端面和旋转支架8摩擦端面的上面，通过推力球轴承和弹簧支架22相连；弹簧23的弹力通过弹簧支架22、推力球轴承将摩擦片21紧压在主轴20和旋转支架8的摩擦端面上；固定壳体3通过螺钉固定在支架2下侧，通过轴承和连接套7和旋转支架8连接在一起；支撑架9通过螺钉固定在旋转支架8的下侧；驱动臂12跟支撑架左框91接触，通过传动柱113和蜗轮蜗杆11固定在一起；支撑架右框92通过销柱，穿过从动臂17，和摆臂齿轮组18中的第一摆臂齿轮181固定；摆臂齿轮组18位于从动臂17的右侧；喷头壳体13左侧连接柱通过轴承和驱动臂12连接在一起，右侧连接柱穿过从动臂17的轴承，和摆臂齿轮组18第三摆臂齿轮183固定；线圈14位于喷头壳体13内部，通过导线和线圈导引线26相连；喷头壳盖16通过螺钉固定在喷头壳体13的上侧；喷头15固定在喷头壳体13中间；液体软管19连接在主轴21和喷头15之间。

所述摆动电机24的转动，通过第二同步带轮25、皮带、第四同步带轮29带动主轴20转动，主轴20通过主轴齿轮组10带动蜗轮蜗杆11的转动，通过传动柱带动驱动臂12和从动臂17的摆动，从动臂17的摆动引起摆臂齿轮组18的传动，使喷头壳体13、喷头15向相反方向摆动，从而使喷头15在摆动的同时，实现喷头15在偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向上的关联调整。

所述旋转电机4的转动通过第一同步带轮4、皮带、第三同步带轮5带动旋转支架8转动，进而带动喷头15实现旋转斜入射式加工方式；旋转支架8转动时，通过摩擦片21带动主轴20同步转动，保证喷头15的出射角度不随旋转支架8的转动而发生变化。

图2为本发明装置的支架2的三维图。该支架2是本发明装置和精密数控机床的连接部件。图示为正面视角，背面通过安装孔与数控机床连接，水平面上定位安装孔用于安装旋转电机1、摆动电机24、固定壳体3、电刷架27。

图3为本发明装置的旋转支架8的三维图示和仰视图。支撑架左框91和支撑架右框92通过螺钉固定在旋转支架8的定位安装孔中，主轴齿轮组中第一齿轮101位于旋转支架8的中心位置，主轴齿轮组中第二齿轮102位于第一齿轮101的左下侧，和第一齿轮101配合在一起。

图4为本发明装置的驱动臂12和从动臂17摆动机构三维图。驱动臂12和从动臂17之间通过固定板31相连。驱动臂12上端通过定位安装孔和支撑架左框91相连，下端通过定位安装孔和喷头壳体13相连。从动臂17上端通过定位安装孔和支撑架右框92相连，中间定位安装孔用于固定摆臂齿轮组18中的第二摆臂齿轮，下端通过定位安装孔和喷头壳体13相连。

图5为本发明的装置的支撑架9三维图、俯视图和剖面图。支撑架9包括支撑架左框91、支撑架右框92、支撑架底板93；支撑架左框91和支撑架右框92通过顶部安装孔固定在旋转支架8上；支撑架底板93通过螺钉固定在支撑架左框91和支撑架右框92。液体软管19通过支撑架底板93中的通孔和喷头15连接在一起。蜗杆112安装在支撑架底板93和旋转支架8之间，和蜗轮111配合在一起；主轴齿轮组10中的第二齿轮102和蜗杆112通过销柱固定在一起，蜗轮111和传动柱113通过销柱固定在一起；传动柱113和驱动臂12固定在一起。

所述传动过程为主轴20的转动带动主轴齿轮组10中第一齿轮101和第二齿轮102转动，蜗杆112由第二齿轮102带动，使蜗轮111转动，从而通过传动柱113带动驱动臂的摆动。

图6为本发明的装置的喷头壳体13和喷头壳盖16三维图。喷头壳体13通过左右侧的连接柱分别与驱动臂12和从动臂17连接在一起。喷头壳盖16通过螺钉固定在喷头壳体13的顶端。

图7为本发明的装置的从动臂摆动齿轮组在垂直入射式加工示意图。摆臂齿轮组18包括第一摆臂齿轮181，第二摆臂齿轮182，第三摆臂齿轮183。摆臂齿轮组18位于从动臂17上，从动臂17位于支撑架右框92上。

所述摆臂齿轮组中第一摆臂齿轮181通过销柱固定在支撑架右框92上，第二摆臂齿轮182通过轴承连接在从动臂17上，第三摆臂齿轮183通过销柱和喷头壳体13的右连接柱固定在一起。

所述摆臂齿轮组18中的第一摆臂齿轮181，第二摆臂齿轮182，第三摆臂齿轮183具有相同的模数，齿数比为2:2:1。

所述垂直入射式加工方式是本发明装置的初始工作状态，即摆动原点位置。

图8为本发明的装置的从动臂摆动齿轮组在斜入射式加工示意图。连接方式和图7所示相同。

所述喷头15斜入射角度调节方式是，从动臂17在驱动臂12的带动下向右摆动一个角度θ，由于第一摆臂齿轮181固定在支撑架右框92上不发生转动，第二摆臂齿轮182产生绕自身中心的向左的转动角度2θ，带动第三摆臂齿轮183向右转动角度θ。

图9为本发明装置斜入射式加工状态摆角、水平偏移和垂直偏数值关系示意图。O₀为摆臂齿轮组18中第一摆臂齿轮181的转动中心，O₁为初始垂直入射式加工方式下第三摆臂齿轮181的转动中心，O₂为从动臂摆动角度θ后第三摆臂齿轮181的转动中心；L为第一摆臂齿轮181和第三摆臂齿轮183之间的间距；P₀为本发明装置默认的加工对刀点，到O₀的距离为2L；P₁为斜入射式加工状态下，喷头15喷射流束与旋转轴线的交点。从动臂17摆动角度θ后，喷头15在第三摆臂齿轮183的带动下发生水平偏移d_e和垂直偏移d_h，其中d_e＝Lsinθ，d_h＝L(1-cosθ)。

所述P₀和P₁的间距H为本发明装置安装的精密数控机床需要根据斜入射角度θ调整的对刀距离，H＝2d_h＝2L(1-cosθ)。根据此值，数控机床可使对刀点和待加工的重合，从而控制射流束沿待加工工件上已规划的加工路径完成加工。

图10为用本发明装置使用Zygo干涉仪测量垂直入射式加工方式下得到的实际材料去除效果中心剖面图。从图中可以看出利用垂直入射式加工方式得到的实际去除效果为“W”形，即这种加工方式下材料去除函数为“M”形。

图11为用本发明装置使用Zygo干涉仪测量旋转斜入射式加工方式下得到的实际材料去除效果中心剖面图。从图中可以看到，使用旋转斜入射式加工方式可以得到类高斯状的材料去除函数。通过调整斜入射的角度，可以改变去除函数的形状分布。根据待加工元件的几何参数，可以选择不同的加工方式，以提高加工精度和加工效率。

Claims (9)

1.三向关联调整磁射流体加工装置，包括旋转旋转电机、支架、固定壳体、第一同步带轮，第三同步带轮，导电滑环，连接套、旋转支架、支撑架、主轴齿轮组、蜗轮蜗杆、驱动臂、喷头壳体、线圈、喷头、喷头壳盖、驱动臂、摆臂齿轮组、软管、主轴、摩擦片、弹簧支架、弹簧、摆动电机、第二同步带轮、线圈导引线、电刷架、电磁铁、第四同步带轮、旋转接头；

上述组成部分的连接关系为：支架固定在精密数控机床上实现装置的整体运动；旋转电机通过螺钉固定在支架上，通过销柱和第一同步带轮连接；摆动电机通过螺钉固定在支架下侧；通过销柱和第二同步带轮连接；主轴上端通过轴承和支架相连，下端通过轴承和旋转支架相连；主轴顶端和旋转接头相连，通过销柱和第四同步带轮固定在一起；主轴下端和主轴齿轮组通过销住固定；第三同步带轮通过销柱固定在旋转支架的上端，导电滑环绝缘固定在旋转支架上，第三同步带轮下侧，与固定在支架上的电刷架相接触；连接套通过销柱固定在旋转支架下端；电磁铁通过螺钉固定在支架下侧；弹簧位于电磁铁下侧，和弹簧支架固定在一起；摩擦片横跨在主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面的上面，通过推力球轴承和弹簧支架相连；固定壳体通过螺钉固定在支架下侧，通过轴承和连接套和旋转支架连接在一起；支撑架通过螺钉固定在旋转支架的下侧；驱动臂跟支撑架左框接触，通过传动柱和蜗轮蜗杆固定在一起；支撑架右框通过销柱，穿过从动臂的轴承，和摆臂齿轮组中第一摆臂齿轮固定；摆臂齿轮组位于从动臂的右侧；喷头壳体左侧连接柱通过轴承和驱动臂连接在一起，右侧连接柱穿过从动臂的轴承，和摆臂齿轮组第三摆臂齿轮固定；线圈位于喷头壳体内部，通过导线和支架上的线图导引线相连；喷头壳盖通过螺钉固定在喷头壳体的上侧；喷头固定在喷头壳体中间；液体软管连接在主轴和喷头之间；

本发明三向关联调整磁射流体加工装置的工作过程如下：

喷头进行斜入射角度调整时，电磁铁通电将弹簧支架吸起，使摩擦片受到的压力减小至主轴和旋转支架分离；摆动电机通过第二同步带轮、皮带、第四同步带轮带动主轴转动，主轴通过主轴齿轮组带动蜗轮蜗杆的转动，蜗轮通过传动柱带动驱动臂和从动臂的摆动，从动臂的摆动引起摆臂齿轮组的传动，使喷头壳体、喷头向反方向摆动相同的角度，从而使喷头实现在偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向上的关联调整；

喷头工作时，旋转电机的转动通过第一同步带轮、皮带、第三同步带轮带动旋转支架转动，进而带动喷头实现旋转入射式加工方式；旋转支架转动时，通过摩擦片带动主轴同步转动，保证喷头出射角度不随旋转支架的转动而发生变化，从喷头出射的液体流束经过通电线圈产生的磁场后，发生磁流变效应变成Bingham流体，从而增加射流束表面的稳定性，形成集束性、保形性及准直性优良的硬化射流束喷射到工件表面，实现对光学表面的加工。

2.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述喷头结构能同时实现偏摆、水平偏移和垂直偏移三个方向的关联调整，喷头出射流束与旋转轴线相交，距离恒定且等于摆动齿轮组第一摆动齿轮和第三摆齿轮的间距L，交点即为加工时的对刀点，当摆动电机调整驱动臂和从动臂偏摆角度为θ时，水平偏移调整量为d_e=Lsinq，垂直偏移调整量为d_h=L(1-cosq)，通过精密数控机床再调整竖直向距离H=2d_h就能实现加工点和对刀点的自动重合。

3.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述摩擦片采用耐磨材料制成，下端面具有较大的摩擦系数。

4.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述弹簧通过推力球轴承将摩擦片压在主轴摩擦端面和旋转支架摩擦端面上，使主轴和旋转支架结合在一起，实现同步旋转运动。

5.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述电磁铁在通电时能够产生大于弹簧弹力的吸力，将弹簧支架吸离推力球轴承，使摩擦片受到压力减小，从而实现主轴和旋转支架的分离。

6.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述主轴齿轮组具有二个齿轮，二个齿轮具有相同的模数、齿数和齿形。主轴齿轮组中的第一齿轮固定在主轴下端，第二齿轮固定在蜗杆上端。

7.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述摆臂齿轮组具有三个齿轮，三个齿轮具有相同的模数和齿形，齿数比为2:2:1。摆臂齿轮组中的第一摆臂齿轮与支撑架右框通过销柱固定在一起，不能发生转动；第二摆臂齿轮通过轴承固定在从动臂上；第三摆臂齿轮与喷头壳体右侧连接柱固定在一起；当从动臂的摆动角度为θ时，第二摆臂齿轮转过2θ角度，第三摆臂齿轮向相反方向转动θ角度。

8.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述蜗轮通过传动柱和驱动臂固定在一起，与蜗杆配合具有自锁功能，在斜入射旋转加工时和停机状态下，能够保证喷头摆动角度不发生变化。

9.根据权利要求1所述的三向关联调整磁射流体加工装置，其特征在于：所述喷头斜入射角度由摆动电机控制；喷头旋转速度由旋转电机控制；喷头旋转时，摆动电机需断电；喷头斜入射角度调整时，电磁铁需通电使主轴和旋转支架分离，旋转电机保持使能状态。

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