CN106002543A - 一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法，主要解决抛光过程中去除量不均匀、抛光头定位不精确、抛光工具形状和工件表面的不匹配以及工件因振动产生的误差等问题；本发明装置由超声发生部分、激光位移传感器检测部分、粘弹性材料抛光部分以及工作台等几个部分组成；本发明针对光学自由曲面进行加工，对较复杂曲面的零件表面，无需经常调整刀具位置，通过调整施力频率，改变粘弹性抛光头的形态，使粘弹性研抛头在加工过程中与工件表面一直保持无缝隙贴合的状态，从而实现对工件的主动柔顺研抛。

Description

一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法

技术领域

本发明属于工件表面光整研抛加工技术领域，特别涉及一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛方法与装置，适用于光学自由曲面的超精密加工。

背景技术

随着技术的不断发展，光学自由曲面零件在各行各业的广泛应用，传统的研抛技术以及研发的各种计算机技术已不能够满足高精密复杂光学曲面的加工要求，有关表面质量和面形精度等问题亟待解决；在传统研抛过程之中，抛光工具头不能够很好的与工件表面实现无缝隙贴合，而且在超声振动研抛时工件会因加工震颤产生误差，加工精度无法达到预期的效果；自70年代以来，研抛系统发生了根本改变，向着主动柔顺研抛系统控制的方向发展。主动柔顺研抛系统控制是新兴智能制造中的一个关键技术，也是柔性自动化生产中的重点和难点，它包括电子、自动控制、机械、力学传感器和计算机等众多学科，其理论技术研究面临着不少急待解决的难题；研抛工具系统主动柔顺控制的研究不仅在理论上具有重要意义，而且克服了被动柔顺控制的不足，具有十分广阔的应用前景。

目前，加工光学自由曲面元件主要分为三类：物理加工、化学加工、机械加工。其中物理加工、化学加工由于自身的特点所限制，还有一定的局限性。对于这类原件，车削、铣削以及磨削还有不同程度的缺陷，传统的抛光技术也达不到更高的加工要求，而精密抛光技术不仅可以精确地对曲面表面进行确定性的去除，得到亚微米级的面形精度，还可以得到纳米级的表面粗糙度，其中用粘弹性材料抛光是一大技术创新。

粘弹性材料是一种具有流体特性材料，粘弹性抛光头在频率较低时呈柔性，频率加快时呈刚性，可通过超声发生系统与气浮导轨改变对其的施力频率，使粘弹性抛光头与工件完全贴合。吉林大学设计了以粘弹性材料为主的非线性粘弹性材料抛光工具，解决了抛光工具柔性不平衡问题，但并未改变粘弹性材料的施力频率；本发明采用的研抛头可通过调整施力频率，使粘弹性材料进行柔性与刚性的转变，使研抛头与工件能够较好的贴合；加工时，光位移传感器时时检测工作台因震颤产生的误差，而且旋转台和摆动台可调整工件的不同形态、位姿，从而实现高精度的主动研抛加工，操作简单，实用性强，适用范围广。

发明内容

本发明基于抛光工具与工件贴合性不好、抛光过程中产生的机械振动使抛光工具头定位不精确、去除量不均匀等问题，提出了一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法。

一、一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置如下：

本发明的粘弹性材料的主动柔顺研抛装置由超声波振动系统4，超高速/高精度激光位移传感器、X、Y、Z三轴气浮导轨、工作台12、大理石板7等几部分构成；支撑梁3螺纹连接在大理石板7上，X、Y轴气浮导轨8、9螺纹连接在大理石板7上，保证研抛时装置的稳定加工，基座6螺纹连接在X轴气浮导轨8上，摆动台10、旋转台11螺纹连接在基座6上，摆动台10由基座6两侧的电机5驱动，工作台12螺纹连接在旋转台11上，被加工工件粘在工作台12中心，通过调整摆动台10与旋转台11的位姿使被加工工件处于最合适的加工形态，Z向气浮导轨1螺纹连接在支撑梁3上，主轴13随滑块2移动实现纵向往复进给，超声波振动系统4垂直安装在主轴13下方；所述超声波振动系统4由外套筒401，压电陶瓷叠堆402，绝缘块403，前盖板404，变幅杆夹紧装置405，粘弹性抛光头406，变幅杆407，电极片408，后盖板409组成；后盖板409、压电陶瓷叠堆402、电极片408以及前盖板404之间通过预紧螺栓连接在一起，粘弹性抛光头406安装在变幅杆407下方，变幅杆407夹紧装置405夹紧在变幅杆407的零位移点处，且与外套筒401固定连接。

二、一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛具体实施方法：

1.在对工件进行加工前，根据粘弹性材料性质，实验测得当Hz<Hz1时，粘弹性抛光头呈现很强的柔性，当Hz1>Hz>Hz2时，粘弹性抛光头处于刚性柔性的转换，当Hz>Hz2时，粘弹性抛光头呈现很强的刚性；

2.将被加工工件固定在工作台12上，通过调整X、Y、Z三轴气浮导轨，使粘弹性抛光头406对准被加工工件，根据工件表面曲面特征和粘弹性材料特性调整研抛工具头振动频率。根据之前测得数据可知：当曲率变化较大时，通过Z方向气浮导轨1往复进给，使其以Hz<Hz1的低频振动,使粘弹性抛光头406呈现流体特性，能够更好的与被加工工件表面贴合并进行研抛精密加工；当曲率变化平缓时，通过换能器把超声发生器发出的信号转换成微位移，再通过变幅杆407放大机构将其传到抛光头406，使其以Hz>Hz2的频率往复振动，粘弹性抛光头406呈现出较强的刚性，使其达到柔顺研抛所需的要求；

3.对于复杂的加工曲面，通过调整摆动台10摆角、旋转台11转角使工件处于最合适的加工位置，再通过粘弹性材料抛光头406进行柔顺研抛，加工过程中，激光位移传感器将激光照射到工作台12上，并接收反馈回来的激光，利用其超高的速度、精度特性检测振动偏差，将数据收集处理，并反馈到超声波发生器，再调整相应的发射频率与后盖板409的阻抗，弥补工作台12因振动产生的误差，从而实现主动柔顺研抛加工。

本发明具有如下明显的优点：

（1）本发明为使研抛光学自由曲面过程中抛光头与工件实现无缝隙贴合，故采用粘弹性材料做抛光头，来达到抛光工具形状和工件表面的相匹配的目的，保证了合理的研抛加工接触形态；

（2）通过对粘弹性抛光头进行频率测试，标定柔性抛光频率阶段和刚性抛光频率阶段，并根据工件曲面曲率变化，配合摆动与旋转工作台，通过调整施力频率，调整工件不同角度、不同位姿，使粘弹性材料进行柔性与刚性的转变，从而实现高精度主动柔顺研抛；

（3）光位移传感器通过发射激光对工作台时时检测，可降低因超声波研抛系统使被加工工件振颤而产生的误差，能够提高有效位置精度，且操作简单、可实用性强、适用范围广。

附图说明

图1本发明的整体结构图；

图2粘弹性抛光工具结构图；

图3本发明工作原理流程图。

附图标记说明：

1—Z向气浮导轨、2—滑块、3—支撑梁、4—超声波振动系统、5—电机、6—基座、7—大理石板、8—X向气浮导轨、9—Y向气浮导轨、10—摆动台、11—旋转台、12—工作台、13—主轴； 401—外套筒、402—压电陶瓷堆、403—绝缘块、404—前盖板、405—变幅杆夹紧装置、406—粘弹性抛光头、407—变幅杆、408—电极片、409—后盖板。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的粘弹性材料的主动柔顺研抛装置由大理石板7、支撑梁3、超声振动系统4、激光位移传感器、XYZ方向的气动导轨、工作台12等几部分构成。

工件粘在工作台12中央，通过调整工作台12下方的摆动台10和旋转台11的位姿满足加工复杂曲面的要求，所述摆动台10和旋转台11基座6两侧的电机5驱动。

X向气浮导轨8实现对工件的X向行程进给，工件Y向的行程进给由双平行轴Y向气浮导轨9精确控制，所述X、Y方向的气浮导轨8、9固定在大理石板7上，大理石板7具有隔震作用，可保证加工时装置的稳定性，Z向气浮导轨1控制主轴13的纵向往复进给，可满足粘弹性抛光头406低频加工时的振动频率。

在研抛过程中，超精密位移传感器时时检测振动研抛产生的误差，并将误差反馈给超声波发生器，经数据处理后，通过总控制器改变前盖板404的阻抗，从而调整超声波发生器的频率，弥补研抛时因振动产生的误差，实现对被加工工件实现超高精密加工。

如图2所示，本发明超声波高频振动原理如下：超声波发生器将高频信号传到换能器，所述换能器由绝缘快403、前盖板404、电极片408、后盖板409等组成，换能器将电信号转换成微位移，通过变幅杆407将微位移放大，并传至粘弹性抛光头406，根据粘弹性材料的特性，高频振动可使其刚性增强，从而达到主动柔顺研抛的目的；压电晶片的谐振频率是电负载阻抗 Z 的函数,即通过改变电负载阻抗 Z 可以实现谐振频率的调节。

如图3所示本发明所述具体实施方法如下：

超声波发生器将高频信号传到换能器，换能器将电信号转换成微位移，通过变幅杆407将微位移放大，并传至粘弹性抛光头406，研抛过程中，高频振动会使工件产生额外的振动误差，超精密位移传感器可时时检测此时研抛过程中产生的误差，并将误差反馈给超声波发生器，经数据采集、处理后，通过调整超声波发生器发射频率与换能器前盖板404的阻抗，从而弥补工件振动误差，实现超精密主动柔顺研抛。

Claims (6)

1.本发明包括一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，主要包括超声发生器、超声波振动系统4、超高速/高精度激光位移传感器、XYZ三方向的气动导轨、工作台等；整个装置螺纹连接在大理石板7上，以保证研抛时装置的稳定加工；电机5和X、Y气浮导轨8、9共同控制工件的位姿、位置，Z向气浮导轨1螺纹连接在支撑梁3上，主轴13随滑块2移动实现纵向往复进给，超声波振动系统4垂直安装在主轴13下方。

2.由权利要求书1所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，其特征在于：超声波振动系统4由外套筒401，压电陶瓷叠堆402，绝缘块403，前盖板404，变幅杆夹紧装置405，粘弹性抛光头406，变幅杆407，电极片408，后盖板409组成；后盖板409、压电陶瓷叠堆402、电极片408以及前盖板404之间通过预紧螺栓连接在一起，粘弹性抛光头406安装在变幅杆407下方，变幅杆夹紧装置405夹紧变幅杆407的零位移点处，且与外套筒401螺纹连接连接。

3.由权利要求书1所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，其特征在于：摆动台10、旋转台11螺纹连接在基座6上，摆动台10由螺纹连接在基座6两侧的电机5驱动，工作台12螺纹连接在旋转台11上，被加工工件粘在工作台12中心位置，通过调整摆动台10与旋转台11的位姿使被加工工件处于最合适的加工形态。

4.本发明包括一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛方法，其特征在于：包括如下步骤：固定在工作台12上的被加工工件，通过倾斜台10、旋转台11调整到其最适合的加工位置，移动X、Y方向气浮导轨8、9以及Z方向气浮导轨1，使粘弹性抛光头406对准工件，Z向气浮导轨1以低频率振动使粘弹性抛光头406与被加工工件完全贴合，进行高精度研抛加工，超声波发生器发出高频信号，实现更高精度的研抛加工。

5.由权利要求书4所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛方法，其特征在于：超精密位移传感器时时检测工作台12的振动位移误差，经过数据处理，不断调整超声波发生器发出的信号与换能器前盖板404的阻抗，抵消研抛中工件机械振动，大大减少了加工过程中产生的误差，并且使研抛工具头与工件无缝隙贴合。

6.由权利要求书4所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛方法，其特征在于：在加工前对粘弹性抛光头进行刚度测试，获得刚度-频率曲线，为接下来的主动柔顺研抛加工提供依据；当表面曲率变化较大时，可通过调整改变Z向气浮导轨1的进给频率，使施力频率小于Hz1，即使粘弹性抛光头呈流体特性，使粘弹性研抛头406在加工过程中与工件表面一直保持无缝隙贴合的状态；当表面曲率变化较小时，可通过施加超声振动信号，使施力频率大于Hz2，使粘弹性抛光头406呈现更强的刚性，对光学自由曲面进行精密加工，从而实现对工件的主动柔顺研抛。