CN106475868A - 一种光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床，由机架、三维移动装置、旋转式超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置组成。使用时超声振动抛光装置的振幅按计算公式求得；通过程序控制系统使五轴联动，使抛光头轴线与工件抛光点法线始终保持重合；抛光液喷射方向与抛光点法线保持45度夹角。该抛光机床具有超声传递能量集中、抛光头和工件表面间接触应力均匀、抛光精度高、抛光过程去除率高、抛光液利用率高和工件抛光精度可在线检测等有益效果。

Description

一种光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床及其使用方法

技术领域

本发明涉及抛光用机械，特别是一种光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床及其使用方法。

背景技术

随着工业技术的发展，硬脆材料在航空航天、汽车、模具、光学以及半导体等领域展现出广阔的应用前景。光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头、隐形雷达探照镜、高速飞行器窗口、天文望远镜的大型反射镜以及激光发射装置中的光学透镜、棱镜等。硬脆材料光学元件常规切削加工非常困难，通常通过超精密研磨、抛光及超精密磨削加工获得，但该方式加工时间长，加工成本较高。为解决这一加工难题，20世纪初一种超声加工方法开始应用于工业领域，该方法可减小切削力和切削温度，减小刀具磨损，提高加工质量，拓展可加工材料范围，特别适合加工玻璃、陶瓷、石英、金刚石以及硅等各种硬脆材料。

抛光是光学曲面元件制造过程的最后一道工序，对保证曲面的质量和使用寿命起到至关重要的作用。光学曲面元件采用超声辅助抛光是目前本领域的一项重要研究课题。

CN201410740536专利文献公开了一种单激励超声椭圆振动抛光装置，可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和工具头的纵弯复合超声椭圆振动，提供一种使工具头实现往复机械运动和单激励超声椭圆轨迹振动的复合抛光装置。该装置的缺点是，只能加工形状简单的工件，加工复杂曲面难以实现。

CN201410100339专利文献公开了一种超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置及其使用方法，要解决机械抛光方法的效率低、加工表面质量不均匀及微结构尖锐处易破坏的问题。该装置存在的缺点是，需要应用仿形抛光轮，对于加工复杂曲面，仿形砂轮的制作困难，且成本较高；此外，还需要每间隔1～3分钟向抛光区域内滴入抛光液，耗费时间，降低加工效率。

CN201610177819专利文献公开了一种二维超声振动抛光加工装置及方法，通过提供抛光加工切面内的椭圆振动，由X向和Y向超声振子的振动信号在铰接接头处耦合二维振动，输出到抛光头上，使得抛光头在加工区域获得理想的瞬时随机运动轨迹，能够在抛光头不转的前提下控制抛光力稳定，抛光头仿形能力强，能够加工各种复杂曲面，为确定性抛光，实现抛光材料的稳定均匀性去除。其存在的问题是，抛光头轴线方向与复杂曲面元件抛光点的法线方向不重合，导致抛光头和工件表面之间的接触应力会产生不均匀现象，当工件为光学复杂曲面元件时，尤其是表面曲率半径变化比较大时，抛光头和工件表面之间的接触应力不均匀现象就更严重，导致工件表面抛光加工精度低。

现有用于对模具凹槽、型腔型孔进行加工五轴联动超声抛光机床，是将工件浸泡在抛光液中，利用超声传递给抛光头对抛光液实施往复振动，抛光头的振动引起容器中抛光液整体振动，利用抛光液中的磨粒对工件凹槽、型腔型孔进行抛光加工。这种超声抛光机床的缺陷是，由于振动对象不明确，而且所需加工工件的尺寸相对于装满抛光液的容器较小，使超声传递的能量大量分散，真正传递给抛光液中磨粒的能量较少，因此加工效率较低。

江南大学翟靖等在“一种使用超声波精细雾化施液的SiO_2抛光液”(《半导体技术》2012,04:263-266+311.)一文中披露了一种超声波精细雾化施液方法，该方法是将超声波精细雾化的SiO_2抛光液经由超声波雾化器被雾化成索太尔直径为5～15μm的均匀微米级液粒，在负压作用下进入抛光界面，采取单自由度垂直喷射到抛光垫表面，再由工作台带动抛光垫，载物盘带动硅片工件以ω₁、ω₂的角速度相对转动，实现对工件的抛磨。这种方法的缺点是：工作台周围必须保证处于负压状态，为防止抛光雾液的扩散和吸附，需要对抛光机和抛光界面进行密封；采取单自由度垂直喷射难以实现复杂曲面的作业，加工面型具有局限性；抛光与抛光液喷射是相互独立的两个过程，无关联，不能充分发挥抛光液的作用；由于工件与抛光垫始终紧密贴附，不能保证工件与抛光垫之间一直存留雾化均匀的抛光液，极端情况下会出现干磨，表面质量无法保证；抛光垫长期使用易出现过度抛光、凹陷腐蚀等现象，需更换。

另外，在机械加工中，为了提高被加工工件的面形精度，一般需要借助测量技术进行面形误差循环修正。现有超声抛光加工装置自身不带工件在线检测装置，工件测量大都采用离线方式，将被测工件从机床上取下来进行测量，然后再装卡进行二次抛光。因自由曲面具有非回转对称、形状不规则、构造无规律等特点，很难确定定位基准实现再装卡时的精确复位，由此导致加工精度难以保证，同时也影响抛光效率的提高。

CN102001024A专利文献公开了针对加工机床的自由曲面的原位测量方法，采取面形误差分布直接测量，将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控制点的位置对正。该方法的缺陷是只能测量一个方向的位置数据和面型误差。

CN201510011865专利文献公开了一种采用二维超声振动平台的超声辅助抛光装置，提出在两个方向加上超声振动的二维超声振动平台，即将二维振动间接加在被加工件上，存在仅适用于小型元件的缺点，不能加工大型光学复杂曲面元件，或者说加工大型工件时容易出现振动传递偏差，从而影响加工精度。

发明内容

针对上述现有光学复杂曲面抛光加工装置存在的技术问题，本发明的目的是提供一种抛光加工精度高、抛光效率高的光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床及其使用方法。

本发明提供的光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床，包括由机座和垂直固定在机座上的床身构成的机架；由X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构组成的三维移动装置；旋转式超声振动抛光装置；旋转工作台；抛光液超声雾化施液装置；工件在线检测装置。

所述Z向移动机构安装在所述床身上，X向移动机构和Y向移动机构对应Z向移动机构安装在所述机座上；所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身前壁上、前部带有Z向导轨的Z向导轨座，可沿Z向导轨做Z向移动的Z向移动台，驱动Z向移动台做Z向移动的Z向移动丝杠和驱动Z向移动丝杠转动的Z向伺服电机；所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨的Y向导轨座，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机，Y向移动台上有X向导轨；所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨做X向移动的X向移动台，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机；

所述旋转式超声振动抛光装置包括固定安装在所述Z向移动台上的箱式壳体，在壳体的前部有立式旋转台，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转(绕Y向转动)的立式旋转涡轮蜗杆传动机构，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机，在立式旋转台上通过夹具固定安装有由换能器、与换能器相接的变幅杆和与变幅杆相接的抛光头组成的超声振动抛光组件；

所述旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台上的机壳，在机壳的上部有放置被加工工件的卧式旋转台，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋转的卧式旋转涡轮蜗杆传动机构，在机壳的侧部有驱动卧式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机；

所述抛光液超声雾化施液装置包括固定安装在所述机座一侧的五轴机械手，该五周机械手的前端安装有向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头；

所述工件在线检测装置包括固定安装在所述机座另一侧的五轴机械手，该五轴机械手的前端安装有检测工件抛光面形精度的激光干涉测头。

上述光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床的使用方法，包括以下步骤：

1)将光学复杂曲面元件表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动(三维移动和二维转动)，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持重合；

2)通过抛光头的主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置五轴机械手的数控程序，使其与抛光头实现随动，并使抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的夹角保持45±5度；

3)根据实验需要的雾化程度(液滴的直径)确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率f1(由喷头产品的标定函数给出)；旋转式超声振动抛光装置使用的超声波频率f2在20～35kHz(超声波振动抛光一般选用范围)范围内选取，振幅A2由以下公式确定：

式中

V：超声喷头标定雾化量(m³/s)

D：超声喷头喷射孔直径(m)

θ：抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的夹角(°)

v₁：使工件发生最大弹性压缩深度时的临界冲击速度(m/s)

v₂：临界切削速度(m/s)

v₁和v₂由以下公式计算得出：

式中：

ρ:抛光液中磨粒的密度(kg/m³)

E₁:磨粒材料的弹性模量(pa)

E₂:工件材料的弹性模量(pa)

c₁：磨粒材料的泊松比

c₂：工件材料的泊松比

R：磨粒的半径(m)

σ_s：工件材料的屈服极限(pa)

h：工件材料的临界切削深度(m)

δ_y：工件材料的最大弹性压缩深度(m)

S_y：发生临界切削深度时磨粒与工件的接触面积(m²)；

4)工件曲面加工精度需检测时，通过Y向移动机构将工件退出加工区，由工件在线检测装置对工件曲面进行检测，根据检测结果，如需继续进行抛光，通过Y向移动机构将工件退回加工区，继续进行抛光加工。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明采用五轴联动(三维移动和二维转动)，可使抛光头轴线方向与复杂曲面元件抛光点的法线方向始终保持重合，超声传递的能量集中，抛光头和工件表面之间的接触应力均匀，工件表面抛光精度提高；同时有利于增加抛光过程的去除率，提高抛光效率。

2、本发明采用五轴机械手带动超声雾化装置的超声喷头与超声振动抛光装置的抛光头随动喷射抛光液，与抛光头在超声作用下沿其主轴轴线方向的往复运动相配合，随着抛光头的转动，汽雾状态的抛光液喷入抛光头与工件之间，消除由于干磨引起的工件表面损伤，实现抛光力的均匀性及对材料的高效去除功能。

3、使超声喷头喷射抛光液的方向与抛光点法线方向保持45度夹角，可使抛光液更好地对准抛光点，不仅提高抛光效果，而且有利于提高抛光液的利用率，节约抛光液；

4、超声振动抛光装置使用的超声波振幅按给出的计算公式求得，可使抛光头在抛光过程中实现最大弹性压缩深度的材料去除的同时，对工件表面不会产生损伤。

5、通过工件在线测量装置实现抛光过程在线测量，可避免工件离线检测反复安装产生的定位误差对加工质量和抛光效率的不利影响。

6、本发明可加工直径为300～350mm的大尺寸光学复杂曲面元件。

附图说明

图1是本发明超声抛光装置的整体结构示意图，

图2是图1中旋转式超声振动抛光装置结构示意图，

图3是图1中旋转工作台结构示意图，

图4是图1中抛光液超声雾化施液装置结构示意图，

图5是图1中工件在线检测装置的结构示意图；

图6为图1中超声喷头喷洒抛光液的方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床，包括机架、三维(X、Y、Z)移动装置、旋转式超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置。

所述机架由机座25和垂直固定在机座上的床身1构成。

所述三维移动装置由X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构组成，其中Z向移动机构安装在所述床身上，X向移动机构和Y向移动机构与Z向移动机构相对应安装在机座上。

所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身前壁上、前部带有Z向导轨4的Z向导轨座3，可沿Z向导轨做Z向移动的Z向移动台33，驱动Z向移动台做Z向移动的Z向移动丝杠5和驱动Z向移动丝杠转动的Z向伺服电机2。

所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨24的Y向导轨座23，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台20，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠22和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机21。在Y向移动台上安装X向导轨29。

所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨29做X向移动的X向移动台30，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠28和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机27。

如图1和图2所示，旋转式超声振动抛光装置包括固定安装在所述Z向移动台上的箱式壳体7，在壳体的前部有立式旋转台9，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转(绕Y向转动)的立式旋转涡轮蜗杆传动机构8，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机6，在立式旋转台上通过夹具11固定安装有由换能器10、与换能器相接的变幅杆12和与变幅杆相接的抛光头13组成的超声振动抛光组件。

如图3所示，旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台上的机壳19，在机壳的上部有通过夹具(未图示)放置被加工工件16的卧式旋转台17，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋转(绕Z向转动)的卧式旋转涡轮蜗杆传动机构18，在机壳的侧部有驱动卧式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机31。

如图1和图4所示，抛光液超声雾化施液装置的五轴机械手15固定安装在机座的侧部，在该五周机械手的前端安装向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头14。

如图1和图5所示，工件在线检测装置的五轴机械手26固定安装在机座的另一侧，在该五轴机械手的前端安装检测工件抛光面形精度的激光干涉测头32。

以下为使用上述超声抛光机床对光学曲面元件进行抛光的一个实施例。

该光学曲面元件为石英玻璃,其尺寸为300mm×300mm×200mm,弹性模量E₂＝7.25×10¹⁰P_a，泊松比c₂＝0.17，屈服极限σ_s＝2.41×10¹⁰P_a，抛光的临界切削深度h＝1.3×10^{- 8}m，最大弹性压缩深度δ_y＝4.32×10^-8m。抛光液采用碳化硅磨粒悬浊液，其主要成分包括S_iC磨料颗粒,纯净水基液和PMAA-NH4表面活性剂，抛光液中磨粒的密度ρ＝3220(kg/m³)，磨粒材料的弹性模量E₁＝4.5×10¹¹(pa)，磨粒材料的泊松比c₁＝0.3，磨粒的半径R＝5×10^-6(m)，发生临界切削深度时磨粒与工件的接触面积S_y＝2.65×10^-21(m²)，超声雾化使用的超声波频率为100KHZ。超声振动抛光装置使用的超声波频率f2为20KHZ，将以上参数代入计算公式，求得超声振动振幅A2的取值范围为2.2228μm～2.2316μm，实际取值2.2256μm。

将该光学复杂曲面元件表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序；通过抛光头主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置的五轴机械手的数控程序。抛光时，通过程序控制系统使机床的五轴联动，使抛光头轴线与工件抛光点的法线始终保持重合；抛光液超声雾化施液装置的五轴机械手由其数控程序控制运行，使超声喷头与抛光头随动，并使其喷射抛光液的方向与工件抛光点法线之间的夹角θ始终保持45度(如图6所示)。

该工件在整个抛光过程中通过在线检测装置先后共进行五次在线检测，最后得到的加工工件表面光滑，无伤痕，达到加工质量要求。

Claims (2)

1.一种光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床，包括由机座(25)和垂直固定在机座上的床身(1)构成的机架；由X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构组成的三维移动装置；其特征在于，还包括旋转式超声振动抛光装置；旋转工作台；抛光液超声雾化施液装置；工件在线检测装置；

所述Z向移动机构安装在所述床身上，X向移动机构和Y向移动机构对应Z向移动机构安装在所述机座上；所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身前壁上、前部带有Z向导轨(4)的Z向导轨座(3)，可沿Z向导轨做Z向移动的Z向移动台(33)，驱动Z向移动台做Z向移动的Z向移动丝杠(5)和驱动Z向移动丝杠转动的Z向伺服电机(2)；所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨(24)的Y向导轨座(23)，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台(20)，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠(22)和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机(21)，Y向移动台上有X向导轨(29)；所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨(29)做X向移动的X向移动台(30)，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠(28)和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机(27)；

所述旋转式超声振动抛光装置包括固定安装在所述Z向移动台(33)上的箱式壳体(7)，在壳体的前部有立式旋转台(9)，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转的立式旋转涡轮蜗杆传动机构(8)，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机(6)，在立式旋转台上通过夹具(11)固定安装有由换能器(10)、与换能器相接的变幅杆(12)和与变幅杆相接的抛光头(13)组成的超声振动抛光组件；

所述旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台(30)上的机壳(19)，在机壳的上部有放置被加工工件(16)的卧式旋转台(17)，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋转的卧式旋转涡轮蜗杆传动机构(18)，在机壳的侧部有驱动卧式旋转涡轮蜗杆传动机构的伺服电机(31)；

所述抛光液超声雾化施液装置包括固定安装在所述机座一侧的五轴机械手(15)，该五周机械手的前端安装有向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头(14)；

所述工件在线检测装置包括固定安装在所述机座另一侧的五轴机械手(26)，该五轴机械手的前端安装有检测工件抛光面形精度的激光干涉测头(32)。

2.权利要求1所述光学曲面加工用五轴二维超声抛光机床的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将光学复杂曲面元件表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持重合；

2)通过抛光头的主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置五轴机械手的数控程序，使其与抛光头实现随动，并使抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的夹角保持45±5度；

3)根据实验需要的雾化程度确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率f1；旋转式超声振动抛光装置使用的超声波频率f2在20～35kHz范围内选取，振幅A2由以下公式确定：

$\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2{v}_1-4V\cos \mathrm{\&theta;}}{2{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^2{f}_2}<A_2<\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^2{v}_2-4V\cos \mathrm{\&theta;}}{2{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^2{f}_2}$

式中

V：超声喷头标定雾化量

D：超声喷头喷射孔直径

θ：抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的夹角

v₁：使工件发生最大弹性压缩深度时的临界冲击速度

v₂：临界切削速度

v₁和v₂由以下公式计算得出：

$v_1=\frac{{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{s}h}{{\mathrm{RE}}_2}\right)}^{5/4}}{{\&lsqb;\frac{5}{4}\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&rho;}(\frac{1-{c_1}^2}{E_1}+\frac{1-{c_2}^2}{E_2})\&rsqb;}^{1/2}}$

$v_2={\{\frac{3}{2{\mathrm{\&pi;\&rho;R}}^3}\&lsqb;(h-{\mathrm{\&delta;}}_y){\mathrm{\&sigma;}}_s{S}_y+\frac{8}{15}{(\frac{1-{c_1}^2}{E_1}+\frac{1-{c_2}^2}{E_2})}^{-1}{R}^{\frac{1}{2}}{{\mathrm{\&delta;}}_y}^{\frac{5}{2}}\&rsqb;\}}^{1/2}$

式中：

ρ:抛光液中磨粒的密度

E₁:磨粒材料的弹性模量

E₂:工件材料的弹性模量

c₁：磨粒材料的泊松比

c₂：工件材料的泊松比

R：磨粒的半径

σ_s：工件材料的屈服极限

h：工件材料的临界切削深度

δ_y：工件材料的最大弹性压缩深度

S_y：发生临界切削深度时磨粒与工件的接触面积；

4)工件曲面加工精度需检测时，通过Y向移动机构将工件退出加工区，由工件在线检测装置对工件曲面进行检测，根据检测结果，如需继续进行抛光，通过Y向移动机构将工件退回加工区，继续进行抛光加工。