CN104097142B - 一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，属于超精密光学表面柔性加工工具领域。包括：柔性囊体、流变液、电磁铁、可变电阻器、圆环碳刷、转动轴、卡槽等。工作时，调节每一个可变电阻器获得所需电流，分别给每一组电磁铁供电，供电导线通过圆环碳刷与外部相连；在众电磁铁综合磁场作用下，柔性囊体内部的流变液变为粘稠状或接近固态，使工作面与工件形成仿形接触，并能通过电流的大小控制囊体的柔度；转动轴上的卡槽用于将装置固定在常用机床的动力头上，以获得驱动动力使装置高速旋转进行抛光工作。本发明提供的抛光装置的工具头的柔度可调、磁场可控、对曲面曲率变化适应性好，可满足超光滑自由曲面的快速研抛加工要求。

Description

一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置

技术领域

本发明涉及一种抛光工具，尤其涉及一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，属于超精密光学表面柔性加工工具领域。

背景技术

曲率变化的光学非球面的加工技术一直是制约其进一步广泛应用的瓶颈。由硬质的抛光模构成的抛光头在抛光非球面时遇到了很大的困难，这主要是由非球面各点的曲率半径不一致造成的。常见的沥青抛光模，不能适应高速抛光过程中非球面曲率的变化速度，因此，在各点产生的去除函数稳定性大大降低，不利于面形精度的快速收敛。

柔性抛光工具头的出现对开展非球面的超精密表面加工的研究提供了新的思路，这种工具头可以瞬间适应非球面的曲率变化，适合非球面的加工。典型的柔性抛光技术有磁流变抛光、流变抛光、囊体抛光等。其中美国QED公司开发的磁流变抛光装置在非球面的加工中得到了很好的应用，但是设备结构复杂，工艺参数繁多；日本东北大学精密机械研究所研制的流变抛光非球面加工系统，主要用于对微小非球面的抛光，去除效率较低，而且需要较高的电压来得到流变液的稳定特性。

囊体抛光技术由英国Zeeko公司和伦敦光学实验室联合提出，他们开发了进动式囊体工具头，通过囊体内部气压和空间位置的单独调节，实现了抛光过程的可控性，同时，他们对囊体外层的抛光垫的样式与粘贴工艺做了相关研究，提高了抛光品质，但当使用不同的进动角对工件加工时，所需的抛光垫位置不一样，故需更换不同的抛光工具头，这会在一定程度上降低加工效率，同时由于对抛光垫的粘贴工艺要求特别高，不仅给操作带来不便，也制约了对加工面形精度的进一步提高。为了实现连续进动或者多点进动，浙江工业大学计时鸣等人将机器人用于控制囊体抛光工具，并成功对模具自由曲面进行抛光，但由于受到囊体进气管道和控制各关节的电机引线的制约，使得整个结构极其复杂，控制系统也较复杂，同时囊体的柔性只能通过囊体内部充气压力粗略的控制。

发明内容

本发明为了针对现有气囊抛光技术在实际使用中工具头需频繁更换、接触区柔性不能精确控制、抛光工具结构复杂等问题，设计了一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置。该装置充液后密封与外界独立，结构简单；整个柔性囊体外均覆裹有抛光布，避免由不同进动角工作时需更换工具头的难题；工具头柔性可通过电控磁场在线灵活精确控制，对曲率变化的曲面适应性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，包括柔性囊体、抛光布、流变液、底座、紧固套、转动轴、探针、电磁铁、可变电阻器、圆环碳刷、螺钉、导线、探针基座、导流通道等。

所述的抛光装置前端为一柔性囊体，所述的柔性囊体外层有抛光布作为工作面，所述的柔性囊体内部填充有流变液，所述的囊体与抛光布一起通过紧固套固定在底座上，所述的底座安装在一转动轴上；

所述转动轴外侧开有卡槽、内部开有导流通道，所述导流通道贯穿整个转动轴轴身直达柔性囊体；

所述探针、电磁铁安装在探针基座上，所述探针穿过探针基座伸入囊体内，所述探针基座根据需求开有用于固定电磁铁的固定槽，所述探针基座通过螺钉固定在底座上；

所述电磁铁的导线经过导线孔与可变电阻器相连，进一步连接到圆环碳刷，所述圆环碳刷固定在转动轴上；所述可变电阻器每一个控制一组电磁铁；

本发明所述电控磁场柔性囊式充液抛光装置的基本工作原理如下：流变液从转动轴上端导流通道入口导入，经过导流通道直达囊体内部，将转动轴导流通道入口用密封塞密封；根据实际需求磁场分布，通过外部控制设备计算出各组电磁铁所需的电流，并通过对可变电阻器的调节获得所需电流；当电磁铁不通电时，囊体内部充满的流变液完全呈液态，囊体工作表面与被抛光的工件表面呈仿形接触，此时给提前调节好电流的电磁铁通上电，则囊体内部的流变液变为粘稠状或接近固态，使得囊体表面形状被相对固化，实现对被加工表面的记忆；囊体对被加工工件表面的仿形记忆功能对于曲面曲率恒定不变的区域抛光能保证曲面的形态精度；囊体柔性工作面与被抛光工件之间填有带分散磨粒的抛光液，利用抛光液中的磨粒对工件表面材料的微切削效应实现抛光；电控磁场柔性囊式充液抛光装置转动轴可被夹持在各种常用机床的动力头上，以获得驱动动力使囊体高速旋转；而通过对机床各方向轴运动轨迹的控制可以控制抛光路径而实现自动化抛光加工。

有益效果：

1)通过对电磁铁的不同排布，以及不同组电磁铁电流大小的控制，可获得与工件表面形貌相仿的磁场，在该磁场作用下流变液变粘稠或固化，而影响柔性抛光工作面的形貌，能有效保证去除函数的稳定，提高被抛光表面的面形精度；

2)工具头充满流变液体后整个封闭，与外界相对独立，且电磁铁通过圆环碳刷供电，有效解决气囊工具头在运动过程中由于外接管道、供电导线等带来的制约问题；

3)探针伸入柔性囊体内，有效延缓磁场的衰弱；

4)能与多种机床配合使用，有效降低制造成本，集成性好；

5)通过调节电磁铁的电流，可以控制流变液的柔度，进而有效控制抛光工作面与被加工工件表面的接触面积，可控性好，既能进行表面成形加工，又能用于对局部面形的精确修正；

附图说明

图1为本发明所述的电控磁场柔性囊式充液抛光装置的结构示意图；

图2为本发明的探针基座中心剖面结构示意图；

图3为本发明的探针基座上电磁铁的一种环形排布方式示意图；

图4为本发明的转动轴凸台上可变电阻器与导线槽的分布方式示意图；

图中，1-柔性囊体、2-抛光布、3-流变液、4-探针、5-电磁铁、6-探针基座、7-螺钉、8-固定盖、9-底座、10-紧固套、11-导线、12-可变电阻器、13-阳极电刷、14-阴极电刷、15-转动轴、16-导流通道、17-导线孔、18-卡槽、19-凸台、20-螺纹孔、21-导线槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

如图1，为本发明的电控磁场柔性囊式充液抛光装置的结构示意图，包括1-柔性囊体、2-抛光布、3-流变液、4-探针、5-电磁铁、6-探针基座、7-螺钉、8-固定盖、9-底座、10-紧固套、11-导线、12-可变电阻器、13-阳极电刷、14-阴极电刷、15-转动轴、16-导流通道、17-导线孔、18-卡槽构成；将探针4与电磁铁5按照预先设计的方案放置在探针基座6的固定槽中，探针4穿过探针基座6预留的孔伸入囊体内，导线11通过导线孔17引出；用固定盖8将电磁铁5进一步固定在探针基座6上，固定盖8与探针基座6通过螺钉7固定，将探针基座6通过螺钉7固定在底座9上；柔性囊体1外层用环保型万能胶贴上一层抛光布2作为抛光工作面；柔性囊体1与抛光布2一起通过紧固套10固定在底座9上，紧固套10通过螺纹拧在底座9上，底座9通过螺钉7固定在转动轴15上；流变液3从转动轴15上端引入，并经过导流通道16直达柔性囊体1内部，转动轴15上端用密封塞密封；将每一组电磁铁5经导线孔17引出的导线11分别连接在对应的可变电阻器12两端，进一步将正极连接到阳极电刷、负极连接到阴极电刷；可变电阻器12用螺钉7固定在转动轴15的凸台19上；阳极电刷13、阴极电刷14用螺钉固定在转动轴15上，整个装置通过转动轴15上的卡槽18固定在外部机床上使用。

如图2，为本发明的探针基座中心剖面结构示意图。根据实际需求磁场分布，通过外部控制设备计算出所需的电磁铁5的排布，在探针基座6中开固定槽；探针4与电磁铁5放置在探针基座6的固定槽中，探针4穿过探针基座6预留的孔伸入囊体内，用螺钉7将固定盖8固定在探针基座6上，电磁铁5的导11经固定盖8上预留的导线孔引出；探针基座6、固定盖8中间均留有导流通道16；螺纹孔20用于将整体组装后的探针基座6固定在底座9；。

如图3，为本发明的探针基座上电磁铁的一种环形排布方式示意图。同一半径圆环上的电磁铁5为一组，通过同一个可变电阻器12控制。

如图4，为本发明的转动轴凸台上可变电阻器与导线槽的分布方式示意图。可变电阻器12均匀分布于以导流通道16为圆心的圆弧上，通过螺钉固定在转动轴凸台上，每一可变电阻器12控制探针基座6上的同一组电磁铁5，导线11通过导线槽21固定在转动轴凸台上，

本发明所述电控磁场柔性囊式充液抛光装置的工作原理为：流变液3经过导流通道16引入柔性囊体1内部，将转动轴15上端用密封塞密封；通过改变可变电阻器12的电阻以控制每组电磁铁5的电流大小，控制囊体内部施加的磁场分布与流变液3的柔度；流变液3在磁场作用下变粘稠或固化，使抛光工作面与被抛光工件表面形成仿形接触；柔性囊体1及其表面覆盖的抛光布2在转动轴15的带动下高速旋转，通过抛光液中的磨粒对工件表面材料进行确定性去除。

Claims (6)

1.一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，包括柔性囊体、抛光布、流变液、底座、紧固套、转动轴、探针、电磁铁、可变电阻器、圆环碳刷、螺钉、导线、探针基座、导流通道；

所述的抛光装置前端为一柔性囊体，所述的柔性囊体外层有抛光布作为工作面，所述的柔性囊体内部填充有流变液，所述的柔性囊体与抛光布一起通过紧固套固定在底座上，所述的底座安装在一转动轴上；

所述转动轴外侧开有卡槽、内部开有导流通道，所述导流通道贯穿整个转动轴轴身直达柔性囊体；

所述探针、电磁铁安装在探针基座上，所述探针穿过探针基座伸入柔性囊体内，所述探针基座根据需求开有用于固定电磁铁的固定槽，所述探针基座通过螺钉固定在底座上；

所述电磁铁的导线经过导线孔与可变电阻器相连，进一步连接到圆环碳刷，所述圆环碳刷固定在转动轴上；所述可变电阻器每一个控制一组电磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，其特征在于：一个可变电阻器控制一组电磁铁，同组间、不同组间电磁铁均可自由排布，多组电磁铁共同形成可控的综合磁场。

3.根据权利要求1所述的一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，其特征在于：所述装置的阳极电刷、阴极电刷固定在装置自身的转动轴上。

4.根据权利要求1所述的一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，其特征在于：所述探针为高磁导率材料制成，探针穿过探针基座伸入柔性囊体内。

5.根据权利要求1所述的一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，其特征在于：流变液通过转动轴上的导流通道导入柔性囊体内，转动轴上端导流入口用密封塞密封。

6.根据权利要求1所述的一种电控磁场柔性囊式充液抛光装置，其特征在于：所述抛光布为耐磨柔软易粘贴材料制成，覆裹在整个柔性囊体外层。