CN103752853A - 一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，包括操作台、车床主体、保护系统和电气控制柜，其特征在于，所述操作台和所述车床主体为分体结构，数据线连接所述操作台和所述车床主体，所述电气控制柜与所述车床主体贴合，所述电气控制柜设置于所述车床主体背部，所述保护系统包围所述车床主体，所述车床主体包括支撑系统、运动部件、主轴部件、刀架部件和机油处理部件，所述主轴部件和刀架部件设置在所述运动部件上部，所述刀架部件与所述主轴部件相对，所述运动部件设置在所述支撑系统上部，所述机油处理部件设置在运动部件下方。此结构具有加工精度高、加工效率高、加工零件光洁度高、操作简单方便、可靠性高等特点。

Description

一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床

【技术领域】

本发明涉及一种车床，尤其涉及一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床。

【背景技术】

目前的数控超精密金刚石复杂光学元件车床是以车削加工方式利用其刀具的高硬性、高耐磨性和刀具形状的高PV精度配合机床本体的高位移精度专门加工尺寸精度、面型精度、表面粗糙度要求极高的工件。但是由于硬件、软件和工艺互相脱节，不能使高精度数控加工机床与光学非球面数控加工检测技术有机融合，也不能利用机床控制、检测数据处理和误差反馈软件，还不能将自由曲面数据文件生成软件。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，以解决非超精密机床研究中硬件、软件和工艺互相脱节的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，包括操作台、车床主体、保护系统和电气控制柜，其特征在于，所述操作台和所述车床主体为分体结构，数据线连接所述操作台和所述车床主体，所述电气控制柜与所述车床主体贴合，所述电气控制柜设置于所述车床主体背部，所述保护系统包围所述车床主体，所述车床主体包括支撑系统、运动部件、主轴部件、刀架部件和机油处理部件，所述主轴部件和刀架部件设置在所述运动部件上部，所述刀架部件与所述主轴部件相对，所述运动部件设置在所述支撑系统上部，所述机油处理部件设置在所述运动部件下方。

根据本发明的一个实施例，所述操作台包括：显示器、操作键盘、支撑架、脚轮和手脉。

根据本发明的一个实施例，所述保护系统包括：护罩，所述护罩下部保护所述支撑系统部分为全封闭结构，所述护罩上部保护所述运动部件、所述主轴部件和所述刀架部件的部分的正面设置有两扇护罩门，所述护罩上部保护所述运动部件、所述主轴部件和所述刀架部件的部分的侧面设置侧向窗户。

根据本发明的一个实施例，所述支撑系统包括床身基座、气浮支承、机床支架、辅助支撑，所述机床支架上设置所述气浮支承，所述气浮支承上设置所述床身基座，所述辅助支撑设置于所述车床主体左右两侧。

采用上述实施例的有益效果是：此布局方式大大提高了机床加工效率，并简化了加工程序降低了操作难度。

根据本发明的一个实施例，所述运动部件包括限位撞块、溜板、直线电机、导轨、节流器和电机线圈，所述电机线圈设置在直线电机中央，所述导轨两边高，中间底，呈“凹”形，所述直线电机设置在导轨中间下凹处，所述限位撞块设置在所述导轨两端。

采用上述实施例的有益效果是：结构简单、适合高速直线运动、初级绕组利用率高、无横向边缘效应、容易克服单边磁拉力问题、易于调节和控制、适应性强、高加速度。

根据本发明的一个实施例，所述主轴部件包括空气轴承、真空吸盘、主轴座、电机、读数头、圆光栅和旋转接头，所述空气轴承设置在所述主轴座上，所述真空吸盘设置在所述空气轴承尾部，所述空气轴承前部设置有电机，所述圆光栅设置于电机头部，所述电机头部还设置有读数头，所述圆光栅与所述读数头相连接，所述圆光栅前部设置有旋转接头。

采用上述实施例的有益效果是：高精度、高速度、可增加刀具寿命、提高表面光度、延长轴承寿命、增大负载能力等。

根据本发明的一个实施例，所述刀架部件包括：粗调螺孔、粗调刀座、刀具压块、精调斜块、刀架体和精调手轮，所述刀架体后部设置所述精调手轮，所述刀架体前部下方设置所述精调斜块，所述刀具压块设置在所述精调斜块上方，所述粗调刀座设置于所述精调斜块上方，所述刀具压块相嵌在所述粗调刀座上，上下位移，所述粗调刀座上设置有所述粗调螺孔。

根据本发明的一个实施例，所述机油处理部件包括挡油板和接油槽。

本发明提供一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，包括操作台、车床主体、保护系统和电气控制柜，其特征在于，所述操作台和所述车床主体为分体结构，数据线连接所述操作台和所述车床主体，所述电气控制柜与所述车床主体贴合，所述电气控制柜设置于所述车床主体背部，所述保护系统包围所述车床主体，所述车床主体包括支撑系统、运动部件、主轴部件、刀架部件和机油处理部件，所述主轴部件和刀架部件设置在所述运动部件上部，所述刀架部件与所述主轴部件相对，所述运动部件设置在所述支撑系统上部，所述机油处理部件设置在运动部件下方。此结构克服了以前在超精密机床研究中硬件、软件和工艺互相脱节的问题，使研制的超精密加工设备能直接应用于企业的大批量生产，将先进的检测技术与机床对接，依靠软件补偿极大地提高了机床的最终加工精度；从而改变我国超精密机床行业长期落后的状况，具有加工精度高、加工效率高、加工零件光洁度高、操作简单方便、可靠性高等特点。

【附图说明】

图1是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床主视示意图。

图2是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的立体示意图。

图3是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的车床主体结构俯视示意图。

图4是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的车床主体及保护系统主视示意图。

图5是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的运动部件立体示意图。

图6是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的主轴部件立体示意图。

图7是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的刀架部件立体示意图。

其中：1为操作台，2为车床主体，3为保护系统，4为电气控制柜，5为支撑系统，6为运动部件，7为主轴部件，8为刀架部件，9为机油处理部件，10为显示器，11为手脉，12为操作键盘，13为支撑架，14为脚轮，15为护罩门，16为侧向窗户，17为床身基座，18为气浮支承，19为机床支架，20辅助支撑，21为限位撞块，22为溜板，23为侧溜板，24为下溜板，25为直线电机，26为导轨，27为节流器，28为电机线圈，29为空气轴承，30为真空吸盘，31为主轴座，32为电机，33为读数头，34为圆光栅，35为旋转接头，36为主轴调整板，37为主轴调整块，38为挡油板，39为刀架安装板，40为锁紧装置，41为接油槽，42为粗调螺孔、43为粗调刀座、44为刀具压块、45为精调斜块、46为刀架体、47为精调手轮。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1至图2，其显示的是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床主视示意图和立体示意图。如图1和2所示一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，包括操作台1、车床主体2、保护系统3和电气控制柜4，操作台1和车床主体2为分体结构，数据线连接操作台1和车床主体2，电气控制柜4与车床主体2贴合，电气控制柜4设置于车床主体2背部，保护系统3包围车床主体2，车床主体2包括支撑系统5、运动部件6、主轴部件7、刀架部件8和机油处理部件9，主轴部件7和刀架部件8设置在运动部件6上部，刀架部件8与主轴部件7相对，运动部件6设置在支撑系统5上部，机油处理部件9设置在运动部件6下方。继续参阅图1所示操作台1包括：显示器10、操作键盘12、支撑架13、脚轮14和手脉11。继续参阅图2所示，保护系统3包括：护罩，护罩下部保护5支撑系统部分为全封闭结构，护罩上部保护运动部件6、主轴部件7和刀架部件8的部分的正面设置有两扇护罩门15，一方面保护设备，另一方面便于保护操作者的安全护罩上部保护运动部件6、主轴部件7和刀架部件8的部分的侧面设置侧向窗户16，便于观察操作过程。

请参阅图4，其显示的是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的车床主体及保护系统主视示意图。如图4所示的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其支撑系统5包括床身基座17、气浮支承18、机床支架19、辅助支撑20，机床支架19上设置气浮支承18，气浮支承18上设置床身基座17，辅助支撑20设置于车床主体2左右两侧。继续参阅图4所示的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其机油处理部件9包括挡油板38和接油槽41。床身基座是所有运动部件的支撑体，本身的减震，吸震性能要求比较高，而且稳定性高。只有高度的稳定性才能够保证机床的重复性。支架是支撑床身基座与护罩的重要部件，机床本体的所有重量均由它承担。在支架上面有气浮垫支撑着床身基座。气浮垫就像一个隔层，将环境的震动与扰动阻隔下来，使床身基座以及基座上的所有运动部件不受外界的干扰。

请参阅图5，其显示的是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的运动部件立体示意图。如图5所示的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其运动部件6包括限位撞块21、溜板22、直线电机25、导轨26、节流器27和电机线圈28，电机线圈28设置在直线电机25中央，导轨26两边高，中间底，呈“凹”形，直线电机25设置在导轨26中间下凹处，限位撞块21设置在导轨26两端。本机床的运动部件比其它机床的直线运动部件有着更高的要求，其直线度即我们所说的直线导向精度是一般直线运动部件的20～50倍，是高精度直线导轨的5～10倍。本车床的运动部件工作方式如下：简单的说即为液体静压导轨导向+直线电机推动+光栅尺反馈结构。液体静压导轨的特点是高刚性高稳定性，低摩擦阻力，液体油膜能够吸收掉高频振动，隔开中低频振动；而且能够均化误差，提高直线度。抗磨液压油经过过滤后通到溜板22上，溜板22内部有已经设计好的管路将油分给溜板22、侧溜板23、下溜板24。然后经过节流器供到油腔内，油腔内的油则通过已经设计好的导轨缝隙溢出来，从而将导轨26和溜板22分开。使溜板22与导轨26分居在流动油膜的两侧，因为油的粘度远小于金属间的摩擦，当溜板22相对于导轨做相对运动时，只是改变了最高流速层的位置，所以液压导轨的摩擦阻力也同样很小。直线电机25经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子（forcer,rotor)是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的.而且，磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固定在钢上.电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器（温度传感器监控温度）和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙（air gap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。以上结构的优点为：（1）结构简单。管型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。（2）适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。（3）初级绕组利用率高。在管型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没有端部绕组，因而绕组利用率高。（4）无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿周向均匀分布。（5）容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力的问题。（6）易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。（7）适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。（8）高加速度。这是直线电机驱动，相比其他丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著优势。

请参阅图6，其显示的是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的主轴部件立体示意图。如图6所示的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其主轴部件7包括空气轴承29、真空吸盘30、主轴座31、电机32、读数头33、圆光栅34和旋转接头35，空气轴承29设置在主轴座31上，真空吸盘30设置在空气轴承29尾部，空气轴承29前部设置有电机32，圆光栅34设置于电机32头部，电机32头部还设置有读数头33，圆光栅34与读数头33相连接，圆光栅34前部设置有旋转接头35。主轴座是整个主轴的支撑体，内部有空气轴承结构。通入额定气压后便可以稳定的将整个主轴（回转部件）浮起。空气轴承的特点如下；优点1.更高精度：空气轴承提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定。由于制造结构的不同，空气主轴旋转时的精确性是天生具备的。特殊的制造技术提高了这一精确性，能够提供极高的旋转和轴向精度。空气主轴的设计是，能够在轴向和径向同时获得小于0.1微米TIR的旋转精确性。由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，所以没有磨损产生，从而确保精度始终保持稳定。2.高速：空气轴承内部的低剪切力，能够在提供极高转速的同时，将动力损失降到最低，并使产生的热量非常小。转速可以超过300,000转/分钟。空气轴承阻力较低，允许较高的速度，并能同时保持较低的振动水平。摩擦对空气轴承旋转的阻碍非常小，并且，因此使得动力损失和热量产生也非常小。这使得转子能够以极高的表面速度运行。有些主轴中，较高的旋转速度会导致轴承硬度的增加——由空气动力学和回转加劲的特点导致的。3.增加刀具寿命：使用空气轴承意味着能够大大延长刀具的寿命。较低的振动和较高的旋转精度，意味着钻头、刀具、砂轮、和钻探工具都会有更长的寿命——降低了保养和运行成本。特别地，在PCB钻孔行业中，目前使用的钻针直径更小至50微米，只有空气主轴才能以所需的速度运行，以确保刀具的寿命达到要求。4.提高表面光度：空气主轴精确的、可重复的运动，使得表明光度达到了非常出色的程度。空气主轴的应用（如：半导体加工）提供了流畅的、精确的、可重复的运动——使得表面光度更佳。与滚珠轴承主轴不同，空气轴承提供了稳定的轴承硬度，能够确保所加工的硬质材料表面以下部分的破损程度最小。由于硬度是由贯穿轴承的、始终如一的空气流提供的，转子所经受的、来自外负载的作用力，在其旋转时稳定的分布在所有点上。这一特性与研磨时产生良好的表面光度息息相关。5.延长轴承寿命：

由于没有机械接触、并且供给清洁的空气（没有油和水），因此轴承的寿命大大延长了。轴承内部没有任何金属与金属之间的接触，如果供给的空气清洁、且没有油和水，将确保实际上无限的寿命，此外，由于运行的性质，空气轴承会从轴承尾部不断排除空气，这就形成了阻碍外部有害污染物（如：原料碎片、或者切割液）进入的天然屏障。这增加了机器的利用率，减少了停机时间，从而提高了整体的效率。6.温度上升缓慢：低摩擦，稳定的空气流、和有效的动力传送，使温度上升幅度降到最低。由于多种因素（如：低摩擦，稳定的空气流、和有效的动力传送），主轴转子的热效应非常小。此外，特殊材料和结构方法的选择，以及内部的液体冷却管道，几乎完全消除了温度的上升，因此，无需预热阶段。7.减少保养：只需要极少的保养。对空气供给和冷却系统的定期检查，就是确保完全可靠性所需完成的全部工作。

通常，对空气供给进行定期检查就足以确保完全的轴承可靠性。如果主轴是在设计规范限定的条件下运行的，主轴拥有很长的运转寿命。一般保养通常包括：确保空气和水供给保持清洁，并达到正确的标准。

注意：将夹头或者其他支撑装置安装到主轴上，必须遵循特定的保养规定。典型的空气过滤要求：0.1微米。8.增大负载能力：空气轴承能够支撑很大的负载，所以使得它们能够被应用于很多行业的机械工具中。空气轴承设计能够具备较高的负载能力、较高的硬度能力、或者两者同时兼备。在很多空气轴承的应用中，主轴速度相对较低，因此能够组成径向和轴向半径较大的轴承。9.降低震动：空气主轴运行时，只产生最小幅度的振动和可闻噪音。由于达到了高度的平衡标准、而且没有机械接触，主轴产生的振动幅度和可闻噪音都是最小的。10.清洁：唯一使用的润滑剂是空气；因此，对于必须要求无污染的工件、或者工作环境来说，空气轴承技术是理想的。在从空作环境中去除脂、油、和油雾后，使用空气主轴的条件将保持更加清洁。空气轴承对环境不产生反作用，因此，是无尘环境（如：磁盘驱动器制造）的理想应用产品。缺点是承载力小，不适合大负载的切削。主轴前端连接了真空吸盘，可以靠负压将工件固定在加工面上，最大程度上减少了工件的变形带来的影响，这一点在加工薄盘类光纤零件上有明显的优势；主轴后端是直联的电机和编码器，消除了传动误差和传动间隙。可以做到精确的角度定位与速度控制。

请参阅图7，其显示的是本发明一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床的刀架部件立体示意图。如图7所示的一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其刀架部件8包括：粗调螺孔42、粗调刀座43、刀具压块44、精调斜块45、刀架体46和精调手轮47，刀架体46后部设置精调手轮47，刀架体46前部下方设置精调斜块45，刀具压块44设置在精调斜块45上方，粗调刀座43设置于精调斜块45上方，刀具压块44相嵌在粗调刀座43上，上下位移，粗调刀座43上设置有粗调螺孔42。刀架是在加工机床中必不可缺的部分，是刀具的安装与调整基础。刀架体是由弹簧钢经线切割加工而成，上面加工成了微变形支撑架形式，这种形式的支架具有如下很多优点尤其适合使用在这种场合。刀具高度的调整方式为，先通过粗调螺孔内的螺杆粗调整刀具高度至0.01mm以内，然后将粗调刀座前面的螺钉拧紧。然后在刀尖处压上电感表或者是千分表，通过精调手轮的旋转，推拉精调斜块的位置，精调斜块有一个5度的锥面，锥面与刀架体的位置变化就能引起刀架体上面的四边铰链结构发生角平移，从而实现刀具的精密调整，调整精度最小可达0.0005mm。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种数控超精密金刚石复杂光学元件车床，包括操作台、车床主体、保护系统和电气控制柜，其特征在于，所述操作台和所述车床主体为分体结构，数据线连接所述操作台和所述车床主体，所述电气控制柜与所述车床主体贴合，所述电气控制柜设置于所述车床主体背部，所述保护系统包围所述车床主体，所述车床主体包括支撑系统、运动部件、主轴部件、刀架部件和机油处理部件，所述主轴部件和刀架部件设置在所述运动部件上部，所述刀架部件与所述主轴部件相对，所述运动部件设置在所述支撑系统上部，所述机油处理部件设置在所述运动部件下方。

2.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述操作台包括：显示器、操作键盘、支撑架、脚轮和手脉。

3.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述保护系统包括：护罩，所述护罩下部保护所述支撑系统部分为全封闭结构，所述护罩上部保护所述运动部件、所述主轴部件和所述刀架部件的部分的正面设置有两扇护罩门，所述护罩上部保护所述运动部件、所述主轴部件和所述刀架部件的部分的侧面设置侧向窗户。

4.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述支撑系统包括床身基座、气浮支承、机床支架、辅助支撑，所述机床支架上设置所述气浮支承，所述气浮支承上设置所述床身基座，所述辅助支撑设置于所述车床主体左右两侧。

5.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述运动部件包括限位撞块、溜板、直线电机、导轨、节流器和电机线圈，所述电机线圈设置在直线电机中央，所述导轨两边高，中间底，呈“凹”形，所述直线电机设置在导轨中间下凹处，所述限位撞块设置在所述导轨两端。

6.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述主轴部件包括空气轴承、真空吸盘、主轴座、电机、读数头、圆光栅和旋转接头，所述空气轴承设置在所述主轴座上，所述真空吸盘设置在所述空气轴承尾部，所述空气轴承前部设置有电机，所述圆光栅设置于电机头部，所述电机头部还设置有读数头，所述圆光栅与所述读数头相连接，所述圆光栅前部设置有旋转接头。

7.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述刀架部件包括：粗调螺孔、粗调刀座、刀具压块、精调斜块、刀架体和精调手轮，所述刀架体后部设置所述精调手轮，所述刀架体前部下方设置所述精调斜块，所述刀具压块设置在所述精调斜块上方，所述粗调刀座设置于所述精调斜块上方，所述刀具压块相嵌在所述粗调刀座上，上下位移，所述粗调刀座上设置有所述粗调螺孔。

8.如权利要求1所述的数控超精密金刚石复杂光学元件车床，其特征在于所述机油处理部件包括挡油板和接油槽。

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