CN106903586B - 砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具 - Google Patents

砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，属于精密光学加工技术领域。宏观曲率调整机构、电机、主动轮和张紧轮均固定在机架上，其中电机输出轴与主动轮连接，砂带缠绕在主动轮、张紧轮和宏观曲率调整机构上，砂带的下方设置磁流变液供给回收系统。本发明的优点是，既能保留磁流变抛光的微观自适应柔性变形优势，又能发挥应力盘加工的宏观主动曲率可控的技术优势，有利于解决目前无法实现的大范围完全贴合加工的问题，提高大型工件的加工效率和加工质量。

Description

砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具
技术领域
本发明属于精密光学加工技术领域，具体涉及一种砂带、磁流变双重曲率可控复合光整工具系统。
背景技术
复杂光学曲面是高分辨率光学系统的核心元件，其特征为表面各处曲率不一致，且曲率变化率大，同时对表面形状精度要求极高。磁流变抛光方法兼具面形精度和表面粗糙度的纳米制造能力，一定意义上可同时满足高端光学元件对面形精度和表面粗糙度的极端苛刻加工要求。专利CN103921176A公开了一种磁流变抛光装置，利用一种大直径抛光轮进行抛光，提高了材料去除效率，但当抛光大尺寸工件时大直径抛光轮的制造难度大，无法满足曲率变化较大曲面的适应性加工。为解决加工工具与被加工工件表面曲率不一致的问题，美国学者Angel和Parks提出了应力盘加工技术。基于弹性力学基础理论，研磨盘在抛光过程中通过宏观弹性变形来主动控制研磨盘表面的曲率，使其始终保持所需要的理想非球面的形状，显著提高了非球面在研磨过程中的收敛效率。但由于研磨盘固有的刚性体结构，不具备微观柔性变形能力，尚不能完全贴合加工表面的局部微观形貌。
发明内容
本发明提供一种砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，以解决现有砂带磨削过程中存在的大曲率复杂曲面与接触轮难以完全吻合，造成局部区域难以加工的问题。
本发明采取的技术方案是：宏观曲率调整机构、电机、主动轮和张紧轮均固定在机架上，其中电机输出轴与主动轮连接，砂带缠绕在主动轮、张紧轮和宏观曲率调整机构上，砂带的下方设置磁流变液供给回收系统。
本发明所述磁流变液供给回收系统的结构是：喷嘴连接磁流变液供给管，磁流变液供给管依次与泵和磁流变液槽连接，磁流变液槽中储存磁流变液，工作台底部连接回收管，回收管与磁流变液槽连通。
本发明所述宏观曲率调整机构的结构是：磁盒的上方通过铰链一、铰链二与变曲率机构连接，变曲率机构的上方与后钢板固定，并且变曲率机构的下方与磁场发生装置固定，磁场发生装置通过角铁固定在后钢板上，磁场发生装置两侧分别粘连柔性填充装置，柔性填充装置夹在磁场发生装置和磁盒之间，磁盒的前面紧贴前钢板，磁盒的后面紧贴后钢板，前钢板与后钢板通过长螺栓连接。
本发明所述磁盒的结构是：磁盒的上半部分一与磁盒的下半部分通过软铁板一固定连接，磁盒的上半部分二与磁盒的下半部分通过软铁板二固定连接，
本发明所述柔性填充装置采用气囊，水囊或泡沫塑料。
本发明所述变曲率机构的结构一是：移动凸轮与滑块固定，滑块可在导轨上滑动，导轨固定在后钢板上，移动凸轮与位于其下方的旋转凸轮接触，旋转凸轮与位于其下方的固定凸轮接触，固定凸轮连接在磁场发生装置上，上弹簧上端由螺栓固定在后钢板上、下端由螺栓固定在移动凸轮上，下弹簧上端固定在移动凸轮上、下端固定在固定凸轮上。
本发明所述变曲率机构的结构二是：齿条的顶部开孔并穿过长柱销螺栓，齿条内侧与滑块固定，滑块可在导轨上滑动，导轨固定在后钢板上，齿条与齿轮啮合，齿条的底部连接挡铁，挡铁固定在磁场发生装置上。
本发明所述磁场发生装置的结构是：磁场发生装置由永磁铁和软铁组成，永磁铁采用下部有凸起的弧形形状，软铁粘连在两块永磁铁的上方、中间和下方，其中，位于永磁铁下方的软铁之间有一极小的空气隙。
本发明有益效果是：
1、本发明针对目前抛光过程中无法实现大范围完全贴合复杂表面加工的问题，提出了砂带、磁流变双重曲率可控光整工具，既能保留磁流变抛光的微观自适应柔性变形优势，又能发挥应力盘加工的宏观主动曲率可控的技术优势，实现宏观曲率调整范围从而能够使其始终保持所需要的理想非球面的形状，提高大型工件的加工效率和加工质量。
2、通过宏观曲率调整机构改变磁盒的曲率可以始终保持所需要的理想复杂表面的形状，满足曲率变化较大曲面的贴合加工。旋转磁盒内的旋转凸轮，其输出端带动导轨滑块装置纵向运动，滑块与磁盒顶部由铰链连接，磁盒顶部产生纵向位移，由此实现了曲率的改变；又由于磁盒受到上弹簧向上的拉力，故磁盒底部始终与永磁铁紧密接触而不产生位移，可以保证磁盒的曲率发生改变时，不影响加工精度；同时，下弹簧一端固定一端连接凸轮机构，其最小拉力大于上弹簧的最大拉力，可以保证凸轮机构能够连续调节曲率。当宏观曲率调整完成后，磁盒内侧与永磁体之间的柔性填充装置对变形后的磁盒起到支撑作用，经计算气囊内气体的最大收缩率为1.32％。曲率改变后的磁盒外部包裹砂带，在主动轮带动下旋转并由张紧轮张紧，与磁盒底部共同构成光整工具头，形成局部大曲率半径的光整加工区，在精加工阶段快速去除加工余量；磁盒与砂带的接触表面设有石墨材料，用于增加润滑效果。
3、通过磁流变抛光缎带固有的自适应弹性变形特性实现微观曲率调节，满足局部表面微观形貌的完全贴合。磁盒内部设有磁场发生装置，当在砂带外侧通入磁流变液时，在磁场作用下磁流变液发生液固转化，形成工件与工具头完全贴合的去除缎带。对工件进行光整加工时，砂带在主动轮带动下旋转，利用固态磁流变液的剪切作用实现材料去除。随着砂带的旋转运动，磁流变液在回收系统的出口段发生固液相转化，被回收系统收回，保证了加工区域固态磁流变液更替循环。
4、本发明所实现的宏微双重曲率调节是有机结合在一起的，在调节微观曲率的环节中所形成的去除缎带随着砂带的旋转而不断更替，而砂带紧紧包裹在宏观曲率调整机构外部，当宏观曲率改变时，砂带曲率随着改变，使得去除缎带曲率也发生变化，达到更加贴合复杂表面形状的目的，也就是说，本发明所实现的宏微双重曲率调节是相辅相成、互不分割的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明磁盒内部的结构图；
图3是本发明磁盒后板凹槽分布图；
图4A是本发明变曲率机构一的磁盒曲率最小时对应的极限形状；
图4B是本发明变曲率机构一的磁盒曲率最大时对应的极限形状；
图5A是本发明变曲率机构二的磁盒曲率最小时对应的极限形状；
图5B是本发明变曲率机构二的磁盒曲率最大时对应的极限形状；
图6A是本发明磁场发生装置的结构示意图；
图6B是本发明磁场发生装置中永磁铁的磁极分布示意图；
图7是本发明平面磁场分布仿真图。
具体实施方式
宏观曲率调整机构1、电机6、主动轮3和张紧轮4均固定在机架7上，其中电机6输出轴与主动轮3连接，砂带2缠绕在主动轮3、张紧轮4和宏观曲率调整机构1上，砂带2的下方设置磁流变液供给回收系统5。
本发明所述磁流变液供给回收系统5的结构是：喷嘴504连接磁流变液供给管501，磁流变液供给管501依次与泵502和磁流变液槽503连接，磁流变液槽503中储存磁流变液，工作台505底部连接回收管506，回收管506与磁流变液槽503连通。
本发明所述宏观曲率调整机构1的结构是：磁盒101的上方通过铰链一103、铰链二104与变曲率机构102连接，变曲率机构102的上方与后钢板108固定，并且变曲率机构102的下方与磁场发生装置107固定，磁场发生装置107通过角铁105固定在后钢板108上，磁场发生装置107两侧分别粘连柔性填充装置106，柔性填充装置106夹在磁场发生装置107和磁盒101之间，磁盒101的前面紧贴前钢板109，磁盒101的后面紧贴后钢板108，前钢板109与后钢板108通过长螺栓连接。
本发明所述磁盒101的结构是：磁盒的上半部分一10101与磁盒的下半部分10103通过软铁板一10104固定连接，磁盒的上半部分二10102与磁盒的下半部分10103通过软铁板二10105固定连接，
本发明所述柔性填充装置106采用气囊，水囊或泡沫塑料。
本发明所述变曲率机构102的结构一是：移动凸轮10201与滑块10202固定，滑块10202可在导轨10203上滑动，导轨10203固定在后钢板108上，移动凸轮10201与位于其下方的旋转凸轮10204接触，旋转凸轮10204与位于其下方的固定凸轮10205接触，固定凸轮10205连接在磁场发生装置107上，上弹簧10210上端由螺栓固定在后钢板108上、下端由螺栓固定在移动凸轮10201上，下弹簧10211上端固定在移动凸轮10201上、下端固定在固定凸轮10205上。
本发明所述变曲率机构102的结构二是：齿条10206的顶部开孔并穿过长柱销螺栓10209，齿条10206内侧与滑块10202固定，滑块10202可在导轨上10203滑动，导轨10203固定在后钢板108上，齿条10206与齿轮10207啮合，齿条10206的底部连接挡铁10208，挡铁10208固定在磁场发生装置107上。
本发明所述磁场发生装置107的结构是：磁场发生装置107由永磁铁10701和软铁10702组成，永磁铁10701采用下部有凸起的弧形形状，软铁10702粘连在两块永磁铁10701的上方、中间和下方，其中，位于永磁铁10701下方的软铁10702之间有一极小的空气隙。
工作原理：
(1)采用变曲率机构102的结构一时：
旋转凸轮10204转动，移动凸轮10201受到下弹簧10211的拉力，其输出端带动滑块10202沿导轨10203纵向运动。滑块10202与磁盒101顶部由铰链一103和铰链二104连接，随着滑块10202的运动磁盒101顶部产生纵向位移。同时，磁盒101受到上弹簧10210向上的拉力，磁盒101底部始终与磁场发生装置107紧密接触而不产生位移，从而保证磁盒101的曲率发生改变时，不影响加工精度。当磁盒101达到理想变形曲率状态后，柔性填充装置106支撑在磁盒101内侧和磁场发生装置107之间，保持调整后的磁盒101形状。磁盒101曲率最小时对应的极限形状如图4A所示，曲率最大时对应的极限形状如图4B所示。曲率调整范围为300mm～320mm，柔性填充装置113内气体的最大收缩率为1.32％。磁盒101前后两块钢板的尺寸应略大于曲率最大时的极限尺寸。对工件进行光整加工时，砂带2在主动轮3带动下旋转并由张紧轮4张紧，与磁盒101底部共同构成光整工具头，形成局部大曲率半径的光整加工区，在精加工阶段快速去除加工余量。
(1)采用变曲率机构102的结构二时：
齿轮10207旋转，使与之啮合的齿条10206产生纵向位移，齿条10206与滑块10202固定，滑块10202沿导轨10203纵向运动。导轨10203对齿条10206的移动起导向作用，由于齿条10206顶端与磁盒101顶部由长柱销螺栓10209连接，随着齿条10206的运动，磁盒101顶部产生纵向位移。由于后钢板108表面开槽，凹槽的形状对应磁盒101两种极限曲率的形状，并且凹槽最低点宽度与嵌入其中的磁盒101厚度相同，因此确保磁盒101底部始终与磁场发生装置107紧密接触而不产生位移，当磁盒101的曲率发生改变时，不影响加工精度。当磁盒101达到理想变形曲率状态后，柔性填充装置106支撑在磁盒101内侧和磁场发生装置107之间，保持调整后的磁盒101形状。在磁盒101曲率最大的极端状态下设有挡铁10208限制齿条10206的极限位置。磁盒101曲率最小时对应的极限形状如图5A所示，曲率最大时对应的极限形状如图5B所示。齿轮10207能够实现的最大线位移为80mm。同样的，对工件进行光整加工时，砂带2在主动轮3带动下旋转并由张紧轮4张紧，与磁盒101底部共同构成光整工具头，形成局部大曲率半径的光整加工区，在精加工阶段快速去除加工余量。
在超精加工阶段，磁流变液供给管501通过泵502从磁流变液槽503抽出磁流变液并送至喷嘴504，喷嘴504流出的磁流变液运动到光整工具头下方时，在梯度磁场的作用下，形成固态的介质，并形成一个能够与被加工表面相吻合的去除缎带，通过其产生的剪切作用实现材料去除，随着砂带2的旋转，缎带脱离磁力区，重新变回液态，并通过工作台505进入回收管506，最终又流回磁流变液槽503循环利用，如图7所示，仿真图表示了磁场发生装置产生的磁场分布形式和去除缎带的形状。

Claims (4)

1.一种砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，其特征在于：宏观曲率调整机构、电机、主动轮和张紧轮均固定在机架上，其中电机输出轴与主动轮连接，砂带缠绕在主动轮、张紧轮和宏观曲率调整机构上，砂带的下方设置磁流变液供给回收系统；
所述宏观曲率调整机构的结构是：磁盒的上方通过铰链一、铰链二与变曲率机构连接，变曲率机构的上方与后钢板固定，并且变曲率机构的下方与磁场发生装置固定，磁场发生装置通过角铁固定在后钢板上，磁场发生装置两侧分别粘连柔性填充装置，柔性填充装置夹在磁场发生装置和磁盒之间，磁盒的前面紧贴前钢板，磁盒的后面紧贴后钢板，前钢板与后钢板通过长螺栓连接；
所述变曲率机构的结构一是：移动凸轮与滑块固定，滑块可在导轨上滑动，导轨固定在后钢板上，移动凸轮与位于其下方的旋转凸轮接触，旋转凸轮与位于其下方的固定凸轮接触，固定凸轮连接在磁场发生装置上，上弹簧上端由螺栓固定在后钢板上、下端由螺栓固定在移动凸轮上，下弹簧上端固定在移动凸轮上、下端固定在固定凸轮上；
所述变曲率机构的结构二是：齿条的顶部开孔并穿过长柱销螺栓，齿条内侧与滑块固定，滑块可在导轨上滑动，导轨固定在后钢板上，齿条与齿轮啮合，齿条的底部连接挡铁，挡铁固定在磁场发生装置上；
所述磁场发生装置的结构是：磁场发生装置由永磁铁和软铁组成，永磁铁采用下部有凸起的弧形形状，软铁粘连在两块永磁铁的上方、中间和下方，其中，位于永磁铁下方的软铁之间有一极小的空气隙。
2.根据权利要求1所述的砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，其特征在于：所述磁流变液供给回收系统的结构是：喷嘴连接磁流变液供给管，磁流变液供给管依次与泵和磁流变液槽连接，磁流变液槽中储存磁流变液，工作台底部连接回收管，回收管与磁流变液槽连通。
3.根据权利要求1所述的砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，其特征在于：所述磁盒的结构是：磁盒的上半部分一与磁盒的下半部分通过软铁板一固定连接，磁盒的上半部分二与磁盒的下半部分通过软铁板二固定连接。
4.根据权利要求1所述的砂带磁流变双重曲率可控复合光整工具，其特征在于：所述柔性填充装置采用气囊，水囊或泡沫塑料。
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