CN106217330B - 一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，主要包括转臂系统(3)、转盘系统(5)两个部分，转臂‑转盘精密定位工作台通过一种仿极坐标运动实现加工位置(R，θ)的定位。其中R参数是通过转臂转动实现：转臂运动完成加工位置偏离转盘圆心的运动，从而确定R。而θ通过转盘转动实现，转盘转动造成加工位置相对于工件的切向运动，从而确定θ。最终实现采用“T+T”方案代替传统的“X+T”方案完成回转型元件的加工。本发明可以抑制温度变化对加工精度的影响，从而极大地降低回转型元件加工的成本，并可以实现更大面形工件的加工。

Description

一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置

技术领域

本发明涉及一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，属于微纳加工领域。

背景技术

当前很多场合需要完成对大面形回转型元件的加工，比如大口径菲涅尔透镜、大口径波带片、大口径的非球面透镜等。当前的加工方式主要是利用一个直线运动(X)和一个旋转运动(T)完成对元件的加工。在精度要求高的场合，这种“X+T”的加工方案精度受温度变化的影响严重，需要昂贵的超净间以保障温度的恒定，并且需要复杂的温度检测补偿结构。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决大面形回转型元件加工受温度影响严重的问题，我们提出了一种新的“转臂-转盘”式加工方案来取代目前广为采用的“X+T”的加工方案，以解决温度变化对工件加工精度的影响。

本发明采用的技术方案为：本发明设计了一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，包括以下内容：

1)、新型“转臂-转盘”式精密定位工作台，包括转臂系统3、转盘系统5两个部分，如图1所示。转臂-转盘精密定位工作台通过一种仿极坐标运动实现加工位置(R，θ)的定位。其中R参数是通过转臂转动实现：转臂运动完成加工位置偏离转盘圆心的运动，从而确定R。而θ通过转盘转动实现，转盘转动造成加工位置相对于工件的切向运动，从而确定θ。最终实现采用“T+T”方案代替传统的“X+T”方案完成回转型元件的加工。

2)、用于“转臂-转盘”式精密定位工作台的温度补偿方案。在本发明采用的“T+T”方案中，两个运动系统对加工区域的位置的影响均是与旋转角度的正弦成线性关系，因此可以通过适当选取转臂、转盘两个系统的热膨胀系数，使得热膨胀对加工位置的影响相互抵消。如图3所示，我们对于转臂系统3、转盘系统5、补偿结构8分别选取三种热膨胀系数不同的材料，比如转臂系统3采用殷钢、转盘系统5采用融石英、温度补偿结构8采用超硬铝。在加工之前，通过调整温度补偿结构8在转臂系统3上的固定位置来实现转臂系统3与转盘系统5热膨胀系数的匹配，从而实现在加工过程中，温度变化对加工位置的影响误差相互抵消。

3)、基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的激光直写加工方案。如图2所示。激光依次通过M1、M2、M3三块反射镜实现光路跟随转臂转动，其中M2、M3固定于转臂上，M1位于转臂转轴的正上方。M1、M2、M3三块反射镜三块反射镜均由纳米压电致动器控制，以实现光束的稳定。激光光束被M3反射后进入聚焦系统，将激光聚焦于加工平面，实现回转型元件的飞秒激光加工。该方案可用于加工薄膜型光子筛等衍射光学元件。

4)、基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的金刚石车削精密加工方案。如图3所示，将金刚石刀具9固定夹持于补偿结构8，调整金刚石刀具的高度，使刀尖位于待加工表面，转盘转动时可以实现大面形工件的金刚石车削，此方案可用于大面形的菲涅尔波带片、大面形非球面透镜等光学元件的加工。

本发明与现有技术相比的优点在于：

采用“转臂-转盘”式精密定位工作台可以抑制温度变化对加工精度的影响，由此极大地降低回转型元件加工的成本，并可以实现更大面形工件的加工。

附图说明

图1为精密定位工作台原理图；

图2为基于“转臂-转盘”式精密定位平台的激光直写加工装置示意图；

图3为基于“转臂-转盘”式精密定位平台的金刚石车削加工装置示意图；

图4为热膨胀示意图；

图5为热膨胀原理示意图；

图中标号：1-花岗岩基座，2-平板气浮轴承，3-转臂，4-气浮主轴电机，5-转盘，6-电磁铁，7-飞秒激光器，8-温度补偿结构，9-刀具。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

1)、新型“转臂-转盘”式精密定位工作台，包括转臂系统3、转盘系统5两个部分，如图1所示。转臂-转盘精密定位工作台通过一种仿极坐标运动实现加工位置(R，θ)的定位。其中R参数是通过转臂转动实现：转臂运动完成加工位置偏离转盘圆心的运动，从而确定R。而θ通过转盘转动实现，转盘转动造成加工位置相对于工件的切向运动，从而确定θ。最终实现采用“T+T”方案代替传统的“X+T”方案完成回转型元件的加工。精密定位工作台控制系统如图2所示，采用两个主轴电机分别控制转臂3与转盘5。转臂左端用平板气浮轴承2搭建气浮导轨，保证转臂运动的平稳性。转臂右端使用电磁铁6微调转臂高度，实现对重力下微变形的补偿。

2)、用于“转臂-转盘”式精密定位工作台的温度补偿方案。对于回转型工件，由于其圆对称的特性，加工精度主要取决于加工位置的径向精度。在本发明采用的“T+T”方案中，温度变化造成的温度变形主要由三部分组成：转臂方向的变形、转盘径向的变形、电机固定底座的变形，如图4所示。

当温度升高时，转臂膨胀会造成加工区域径向位置增大，补偿结构膨胀会造成加工区域径向位置减小，转盘膨胀会造成加工区域径向位置减小，底座膨胀造成转臂转盘两中心距离变大进而导致加工区域径向位置增大。

设转臂中心距转盘中心距离为L，补偿结构长度l，则转臂热膨胀长度为L+l，加工区域所在径向位置为R，转臂偏转角度为θ。转臂膨胀系数为Cz，补偿结构Cy，转盘Cp，底座Cd。

径向综合变化量为：

上式(1)中，第一部分为转臂方向膨胀造成的加工区域径向位置变化(包含转臂、补偿结构两部分)，第二部分为底座膨胀造成的变化、第三部分为转盘膨胀造成的变化。

因为所以径向综合变化量可化简为：

根据上式(2)，当满足时，在转臂转动过程中，y始终为0，即温度变化造成的热变形不会对加工区域径向位置产生影响。理论上可以抵消温度对加工精度的影响。

如图3所示，我们对于转臂系统3、转盘系统5、补偿结构8分别选取三种热膨胀系数不同的材料，比如转臂系统3采用殷钢、转盘系统5采用融石英、温度补偿结构8采用超硬铝。在加工之前，通过调整温度补偿结构8在转臂系统3上的固定位置来实现转臂系统3与转盘系统5热膨胀系数的匹配，从而实现在加工过程中，温度变化对加工位置的影响误差相互抵消。

3)、基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的激光直写加工方案。如图2所示。激光依次通过M1、M2、M3三块反射镜实现光路跟随转臂转动，其中M2、M3固定于转臂上，M1位于转臂转轴的正上方。M1、M2、M3三块反射镜三块反射镜均由纳米压电致动器控制，以实现光束的稳定。激光光束被M3反射后进入聚焦系统，将激光聚焦于加工平面，实现回转型元件的飞秒激光加工。该方案可用于加工薄膜型光子筛等衍射光学元件。

4)、基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的金刚石车削精密加工方案。如图3所示，将金刚石刀具9固定夹持于补偿结构8，调整金刚石刀具的高度，使刀尖位于待加工表面，转盘转动时可以实现大面形工件的金刚石车削，此方案可用于大面形的菲涅尔波带片、大面形非球面透镜等光学元件的加工。

Claims (4)

1.一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，其特征在于：该装置包括“转臂-转盘”式精密定位工作台，该工作台包括转臂系统(3)、转盘系统(5)两个部分，“转臂-转盘”式精密定位工作台通过一种仿极坐标运动实现加工位置(R，θ)的定位，其中R参数是通过转臂转动实现：转臂运动完成加工位置偏离转盘圆心的运动，从而确定R；而θ通过转盘转动实现，转盘转动造成加工位置相对于工件的切向运动，从而确定θ；

该装置还包括用于“转臂-转盘”式精密定位工作台的温度补偿结构(8)，刀具固定在温度补偿结构(8)上，温度补偿结构(8)固定在转臂上，两个运动系统对加工区域的位置的影响均是与旋转角度的正弦成线性关系，可以通过适当选取转臂、转盘两个系统以及温度补偿结构(8)的热膨胀系数，使得热膨胀对加工位置的影响相互抵消。

2.根据权利要求1所述的一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，其特征在于：转臂系统(3)、转盘系统(5)、温度补偿结构(8)分别选取三种热膨胀系数不同的材料，转臂系统(3)采用殷钢，转盘系统(5)采用融石英，温度补偿结构(8)采用超硬铝，在加工之前，通过调整温度补偿结构(8)在转臂系统(3)上的固定位置来实现转臂系统(3)与转盘系统(5)热膨胀系数的匹配，从而实现在加工过程中，温度变化对加工位置的影响误差相互抵消。

3.根据权利要求1所述的一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，其特征在于：基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的激光直写加工方案，激光依次通过M1、M2、M3三块反射镜实现光路跟随转臂转动，其中M2、M3固定于转臂上，M1位于转臂转轴的正上方，M1、M2、M3三块反射镜均由纳米压电致动器控制，以实现光束的稳定，激光光束被M3反射后进入聚焦系统，将激光聚焦于加工平面，实现回转型元件的飞秒激光加工，该方案可用于加工薄膜型光子筛等衍射光学元件。

4.根据权利要求1所述的一种基于转臂转盘式精密定位平台的加工装置，其特征在于：基于“转臂-转盘”式精密定位工作台的金刚石车削精密加工方案，将金刚石刀具(9)固定夹持于温度补偿结构(8)，调整金刚石刀具的高度，使刀尖位于待加工表面，转盘转动时可以实现大面形工件的金刚石车削，此方案可用于大面形的菲涅尔波带片、大面形非球面透镜等光学元件的加工。