CN106965090B - 具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置 - Google Patents

具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置 Download PDF

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Abstract

具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，属于超精密加工技术领域。解决了对小尺寸球头砂轮在安装后存在偏心量和加工过程中细磨粒球头砂轮磨损导致加工质量和面型精度变差的问题。本发明工作台的上表面等间隔开有T型槽，所述T型槽用于通过T型槽螺钉将两个CCD监测装置、电火花修正装置和工件主轴夹持件固定在工作台上；工件主轴过渡板通过定位块定位于工作台上，并通过T型槽螺钉紧固，工件主轴夹持件连接于工件主轴过渡板上，工件主轴安装于工件主轴夹持件的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；所述工件主轴的轴心方向与T型槽方向平行；工作台的四周设有工作台防护罩，所述工作台防护罩的内侧设有工件主轴装置防护罩，工件主轴与电火花修整装置之间设有上边缘高度可上下调节的防护风琴罩。本发明适用于砂轮修整和磨削加工使用。

Description

具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域。
背景技术
随着科学技术的日益发展，超精密加工技术在国防工业、航空航天科技、光学与通信、新能源等众多高技术领域中发挥着越来越重要的作用。同时这些领域对所需求的零件的加工质量也提出了越来越高的要求，使用的材料越来越多样化，结构也相应的越来越复杂化，这些特点使得该类零件的加工难度也随之增加。该类零件多由超精密磨削来实现其加工过程。
当该类零件的总体尺寸较小时，由于结构比较复杂，所以加工过程中工具砂轮极易与工件产生干涉，而且其圆弧曲率半径较小，因此，需要采用小尺寸的球头砂轮对其进行超精密磨削加工。因为球头砂轮的直径受最小曲率半径限制一般只有几毫米，所以其加工线速度不会特别高，为了获得优异的加工质量，则需要采用细微粒的金刚石作为磨粒。该类球头砂轮在加工熔融石英等难加工材料的过程中容易产生磨损，使砂轮失去正常磨削能力，从而影响加工零件的表面质量，也使得加工后零件的面型精度变差。而砂轮安装所带来的偏心等问题也会使工件的加工表面质量和面型精度变差，并加剧砂轮的磨损速度。为了解决这两个问题，需要一种具有两工位的磨削装置能够在砂轮安装后进行修整以尽可能减小偏心量的存在，可以在加工过程中实现对砂轮的随时修整，以获得砂轮较高的面型精度的同时提高砂轮的磨削能力，并且具有砂轮修整过程监测能力。
发明内容
本发明是为了解决对小尺寸球头砂轮在安装后存在偏心量和加工过程中细磨粒球头砂轮磨损导致加工质量和面型精度变差的问题，提出了一种具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置。
本发明所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，该装置包括修整装置防护罩3、工作台防护罩5、工件主轴装置防护罩6、工作台7、工件主轴8、两个CCD监测装置、电火花修整装置、工件主轴过渡板22、精密定位平台防护罩23、防护装置盖板25、工件主轴夹持件26、超精密定位平台27、修整装置过渡板28、电极支撑杆29和电极盖板13；
CCD监测装置包括二维微位移平台11、CCD对刀装置连接板12、CCD相机10、CCD对刀装置定位块18、二维微位移平台连接板19和CCD相机夹持件20；
电火花修整装置包括修整电极主轴2、修整电极9、石墨电刷14、电刷绝缘外壳15、电刷弹簧16和修整电极主轴夹持件24；
工作台7的上表面等间隔开有T型槽，所述T型槽用于通过T型槽螺钉将两个CCD监测装置、电火花修整装置和工件主轴夹持件26固定在工作台7上；
工件主轴过渡板22通过定位块定位于工作台7上表面，并通过T型槽螺钉紧固，工件主轴夹持件26连接于工件主轴过渡板22上，工件主轴8安装于工件主轴夹持件26的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；所述工件主轴8的轴心方向与T型槽方向平行；
工作台7的四周设有工作台防护罩5，所述工作台防护罩5的内侧设有工件主轴装置防护罩6，工件主轴8与电火花修整装置之间设有上边缘高度可上下调节的防护风琴罩；
精密定位平台防护罩23和防护装置盖板25分别设置在修整电极主轴夹持件24下侧过渡板的侧面和上面，精密定位平台防护罩23和防护装置盖板25用于避免球头砂轮电火花修整过程中，工作液飞溅入直线电机驱动的超精密定位平台内部；修整电极主轴夹持件24安装于防护装置盖板25的上表面，修整电极主轴2安装于修整电极主轴夹持件24的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；修整电极9安装在修整电极主轴2的轴孔内；修整装置防护罩3围设在电火花修整装置的外侧，修整装置防护罩3的前端面开设有圆形通孔，所述修整电极9的前端穿过所述修整装置防护罩3前端面的圆形通孔；
CCD对刀装置连接板12通过定位块定位在工作台7的上表面，二维微位移平台11通过二维微位移平台连接板19与CCD对刀装置连接板12连接，CCD相机10通过CCD相机夹持件20夹设在二维微位移平台11的上；
CCD对刀装置定位块18固定连接于CCD对刀装置连接板12的下侧，CCD相机10的镜头对准球头砂轮电火花修整加工区域或工件磨削加工区域；CCD相机10用于监测球头砂轮电火花修整过程和工件磨削过程；
电极盖板13压紧电刷弹簧16将石墨电刷14压紧在电刷绝缘外壳15的内部，电刷绝缘外壳15通过电极支撑杆29安装于修整装置过渡板28上；
修整装置过渡板28通过定位块定位于工作台7上，超精密定位平台27安装在修整装置过渡板28上，修整电极主轴夹持件24通过过渡板安装于超精密定位平台27的上侧。
本发明是针对小尺寸球头砂轮在安装后存在偏心量和加工过程中细磨粒球头砂轮磨损导致加工质量和面型精度变差的问题，电火花修整装置和磨削工件主轴装置并排安放于工作台上形成两工位，并安装CCD监测装置，监测砂轮修整过程。在砂轮安装后可通过电火花修整工位对砂轮进行修整，减小砂轮安装过程中所带来的偏心误差，在加工过程中砂轮产生磨损时，可以随时更换磨削加工工位和修整工位，对砂轮进行电火花修整，以保证对工件的超精密磨削加工。
本发明所述装置通过工作台过渡连接板上预留的连接孔与机床运动平台相连，并可以随运动平台实现运动。该装置的运动系统主要由超精密定位平台及工件主轴和修整电极主轴组成，每个运动轴及定位平台都有独立的驱动器，定位平台可通过控制反馈信号线与运动控制卡相连，受控于上位机的运动控制软件，可以实现闭环控制，以及相应的误差补偿，以获得更高的运动精度。
完成该装置与机床的软硬件连接工作后，即可使用该装置进行磨削加工和球头砂轮的电火花修整加工。加工前检查修整装置中碳刷的可用长度并调整碳刷弹簧的预紧力，保证碳刷在修整过程中与修整电极和球头砂轮杆的可靠接触。然后将平头砂轮安装于砂轮主轴上，操作机床运动平台，使其处于电火花修整工位，并用修整工位的CCD对刀装置完成修整前的对刀工作，开启砂轮和电极主轴并供给磨削液，开始对砂轮进行球头修整，这样可以尽可能的减小砂轮安装偏心对磨削加工过程所带来的影响。修整后将工作台移动到磨削工位，完成CCD对刀，并对零件进行磨削加工，加工过程中用CCD装置对砂轮的磨损状态进行实时监测。达到一定的磨损量时，移动工作台至修整工位对磨损的砂轮进行修整，依次往复进行，完成零件的高质量磨削加工。
附图说明
图1为本发明所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置的俯视图；
图2为本发明所述具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置的后视图；
图3为本发明所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置的左视图；
图4为异面误差分析坐标图；
图5为砂轮径向跳动误差分析坐标图；
图6为电极径向跳动误差分析坐标图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，该装置包括修整装置防护罩3、工作台防护罩5、工件主轴装置防护罩6、工作台7、工件主轴8、两个CCD监测装置、电火花修整装置、工件主轴过渡板22、精密定位平台防护罩23、防护装置盖板25、工件主轴夹持件26、超精密定位平台27、修整装置过渡板28、电极支撑杆29和电极盖板13；
CCD监测装置包括二维微位移平台11、CCD对刀装置连接板12、CCD相机10、CCD对刀装置定位块18、二维微位移平台连接板19和CCD相机夹持件20；
电火花修整装置包括修整电极主轴2、修整电极9、石墨电刷14、电刷绝缘外壳15、电刷弹簧16和修整电极主轴夹持件24；
工作台7的上表面等间隔开有T型槽，所述T型槽用于通过T型槽螺钉将两个CCD监测装置、电火花修整装置和工件主轴夹持件26固定在工作台7上；
工件主轴过渡板22通过定位块定位于工作台7上表面，并通过T型槽螺钉紧固，工件主轴夹持件26连接于工件主轴过渡板22上，工件主轴8安装于工件主轴夹持件26的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；所述工件主轴8的轴心方向与T型槽方向平行；
工作台7的四周设有工作台防护罩5，所述工作台防护罩5的内侧设有工件主轴装置防护罩6，工件主轴8与电火花修整装置之间设有上边缘高度可上下调节的防护风琴罩；
精密定位平台防护罩23和防护装置盖板25分别设置在修整电极主轴夹持件24下侧过渡板的侧面和上面，精密定位平台防护罩23和防护装置盖板25用于避免球头砂轮(21)电火花修整过程中，工作液飞溅入直线电机驱动的超精密定位平台内部；修整电极主轴夹持件24安装于防护装置盖板25的上表面，修整电极主轴2安装于修整电极主轴夹持件24的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；修整电极9安装在修整电极主轴2的轴孔内；修整装置防护罩3围设在电火花修整装置的外侧，修整装置防护罩3的前端面开设有圆形通孔，所述修整电极9的前端穿过所述修整装置防护罩3前端面的圆形通孔；
CCD对刀装置连接板12通过定位块定位在工作台7的上表面，二维微位移平台11通过二维微位移平台连接板19与CCD对刀装置连接板12连接，CCD相机10通过CCD相机夹持件20夹设在二维微位移平台11的上；
CCD对刀装置定位块18固定连接于CCD对刀装置连接板12的下侧，CCD相机10的镜头对准球头砂轮电火花修整加工区域或工件磨削加工区域；CCD相机10用于监测球头砂轮电火花修整过程和工件磨削过程；
电极盖板13压紧电刷弹簧16将石墨电刷14压紧在电刷绝缘外壳15的内部，电刷绝缘外壳15通过电极支撑杆29安装于修整装置过渡板28上；
修整装置过渡板28通过定位块定位于工作台7上，超精密定位平台27安装在修整装置过渡板28上，修整电极主轴夹持件24通过过渡板安装于超精密定位平台27的上侧。
本实施方式所述的工作台通过内六角螺钉与工作台过渡板相连接，采用工作台过渡板可以在一定程度上减小工作台因加工T型槽而带来的变形，同时可以方便将该装置与机床运动平台连接。工作台上分布的装置主要为并排安装的工件主轴系统和球头砂轮电火花修整系统以及CCD对刀装置。工件主轴系统通过定位块安放于工作台上，并采用T型槽螺钉将工件主轴过渡板固定于工作台上，安装过程中应严格保证工件主轴轴线与T型槽方向一致。工件主轴夹持件通过定位销准确的安装于工件主轴过渡板上，并通过内六角螺钉紧固。工件主轴安装于工件主轴夹持件的夹持孔内，并通过旋紧内六角螺钉夹紧工件主轴，并调整旋紧力的大小，以避免对工件主轴内部结构造成损坏。电火花修整系统通过定位块定位放置于工作台上，并通过修整装置过渡板与工作台固定连接，安装过程中应保证修整电极主轴的方向与T型槽的方向严格一致。修整过程中二维微位移平台连接板安装于过渡板上，因该平台为直线电机驱动平台，所以为其设计磨削液防护装置，在运动平台上安装过渡连接板，运动平台防护罩通过内六角螺钉连接于过渡板上，过渡板的上表面安装防护装置盖板(防止磨削液从上部流入)，防护装置盖板上安装修整电极主轴夹持零件，电极主轴安装于夹持件的圆孔中，并通过内六角螺栓夹紧，夹紧过程中注意调整夹紧力的大小。CCD对刀装置通过定位块定位安放于工作台上，并通过过渡板固定。通过位移平台连接板将二维微位移平台连接到过渡板上，二维微位移平台的作用是在CCD装置固定于工作台上后，可以进行微调以实现CCD相机的对焦功能。CCD相机夹持件通过内六角螺钉固定连接在二维微位移平台上，与CCD相机夹持件上部相互配合在内六角螺钉的作用下夹紧CCD相机和镜头。为了保证工件主轴系统和电火花修整系统的正常运行，需要为其设计磨削液防护装置。首先是工作台防护罩通过内六角螺钉安装于工作台的四周，防止工作液飞溅到工作台以外的地方，防护罩设计有门和玻璃窗，以方便操作和观察。工作台中间设计有竖直方向的风琴罩，可以避免磨削和修整工艺过程的相互干扰。同时为工件主轴装置设计防护罩并通过内六角螺钉固定于工件主轴过渡板上，为修整装置设计防护罩并通过内六角螺钉固定于修整装置过渡板上，以保证工件主轴装置和修整装置的正常运行。
由于在超精密磨削加工过程中，球头砂轮的面型精度将会直接影响加工后工件的面型精度，所以为了获得高面型精度的工件，需要使砂轮修整的面型精度较高。因此需要分析修整过程中对面型精度的影响因素。通过分析可以发现对砂轮修整后面型精度具有影响的因素主要包括：砂轮轴线和修整电极轴线的异面、砂轮主轴的径向跳动、工件主轴的径向跳动这三个因素。
(1)砂轮轴线和修整电极轴线异面分析
当砂轮轴线和电极轴线存在异面误差时，异面误差值为δ1。建立砂轮的空间直角坐标系，原点位于标准球头砂轮球心O，并随砂轮转动。建立电极的空间坐标系，原点为O0，其坐标为(x0,y0,z0)电极圆环中心为O1，其坐标为(x1,y1,z1),空间位置不发生改变,(x,y,z)为电极圆环上的任意一点。建立的两坐标系如图4所示。
当砂轮坐标系旋转时，电极圆环相对于砂轮形成运动轨迹，包络出砂轮端部形状，根据电极圆环和砂轮的相对关系，计算出存在异面误差时修整出的砂轮端部轮廓表达式，见式(1)。
式中R为球头砂轮半径；
因此当存在异面误差时砂轮修整的面型精度为：
其中：Δ1为存在异面误差时砂轮修整的面型精度，R为球头砂轮半径；
(2)砂轮主轴径向跳动分析
当砂轮主轴径向跳动误差为δ2时，建立砂轮直角空间坐标系和电极空间直角坐标系，砂轮坐标系原点位于砂轮修整后的理想球心位置，电极坐标系原点为O0，其坐标为(x0,y0,z0),电极圆环的圆心为O1,，其坐标为(x1,y1,z1)。(x,y,z)为电极圆环上的任意一点其中砂轮坐标系XY平面和电极坐标系X’Y’平面处于同一平面内，在砂轮主轴运动过程中，砂轮坐标系绕电极坐标系沿误差圆运动，如图5所示。砂轮径向跳动误差值为δ2，运动过程中X’正向与O1O0连线的夹角为α,获得砂轮修整面型轮廓表达式如式(3)所示：
面型精度误差为：
其中，Δ2为砂轮主轴径向跳动误差分析；
(3)电极主轴径向跳动分析
当电极主轴径向跳动为δ3时，并且理想轴线的连线与竖直方向夹角为θ，可知此时的异面量为δ3sinθ。建立处于此位置的砂轮直角坐标系O，并建立处于任意旋转位置的电极直角坐标系O0，原点坐标(x0,y0,z0)，建立好的直角坐标系如图6所示。根据此坐标系推导在此状态下修整出来的砂轮形状公式为(5)
因此面型精度为：
其中，Δ3为砂轮主轴径向跳动误差分析；
(4)综合分析
采用RRS方法对三种误差进行综合和误差分配，当砂轮直径为3.8mm，要求修整后砂轮的面型精度要小于3.5μm，则砂轮主轴和电极主轴的径向跳动量应优于1μm，砂轮轴线和电极轴线间的异面误差应该小于3μm。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置的进一步说明，它还包括走线挡块1和走线槽4，所述走线槽4通过螺栓固定安装于工作台防护罩5的外侧；走线挡块1通过螺钉将密封胶垫压紧于工作台上。
本实施方式的走线挡块1通过螺钉将密封胶垫压紧于工作台上，防止工作液流入工作台下方。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置的进一步说明，它还包括工作台过渡板17，所述工作台过渡板17安装在工作台7的下侧。
本发明的优点：
(1)该装置适用于小尺寸零件磨削加工及直径小于2mm球头砂轮的电火花修整加工，球头砂轮修整后面型精度优于2μm；
(2)该装置可以实现在磨削过程中随时对砂轮磨损状态进行CCD监控，并随时对磨损的砂轮进行电火花修整，以保证磨削后工件的加工质量；
(3)修整装置的进给运动由高精度定位平台实现，该平台可以实现闭环控制和误差补偿，定位精度为±0.1μm，以保证修整后砂轮的尺寸精度。同时定位平台可与机床其余运动平台联动，以获得不同砂轮形状；
(4)该装置采用小尺寸的高速精密电主轴，适合于小尺寸零件的磨削加工，电主轴的回转精度均优于1μm，以保证磨削的加工质量和球头砂轮修整后的高面型精度；
(5)磨削和电火花修整过程采用相同工作液，避免加工过程中工作液对装置的正常运行带来的影响，为电火花修整装置和磨削加工装置设计磨削液防护罩。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，其特征在于，该装置包括修整装置防护罩(3)、工作台防护罩(5)、工件主轴装置防护罩(6)、工作台(7)、工件主轴(8)、两个CCD监测装置、电火花修整装置、工件主轴过渡板(22)、精密定位平台防护罩(23)、防护装置盖板(25)、工件主轴夹持件(26)、超精密定位平台(27)、修整装置过渡板(28)、电极支撑杆(29)和电极盖板(13)；
CCD监测装置包括二维微位移平台(11)、CCD对刀装置连接板(12)、CCD相机(10)、CCD对刀装置定位块(18)、二维微位移平台连接板(19)和CCD相机夹持件(20)；
电火花修整装置包括修整电极主轴(2)、修整电极(9)、石墨电刷(14)、电刷绝缘外壳(15)、电刷弹簧(16)和修整电极主轴夹持件(24)；
工作台(7)的上表面等间隔开有T型槽，所述T型槽用于通过T型槽螺钉将两个CCD监测装置、电火花修整装置和工件主轴夹持件(26)固定在工作台(7)上；
工件主轴过渡板(22)通过定位块定位于工作台(7)上表面，并通过T型槽螺钉紧固，工件主轴夹持件(26)连接于工件主轴过渡板(22)上，工件主轴(8)安装于工件主轴夹持件(26)的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；所述工件主轴(8)的轴心方向与T型槽方向平行；
工作台(7)的四周设有工作台防护罩(5)，所述工作台防护罩(5)的内侧设有工件主轴装置防护罩(6)，工件主轴(8)与电火花修整装置之间设有上边缘高度可上下调节的防护风琴罩；
精密定位平台防护罩(23)和防护装置盖板(25)分别设置在修整电极主轴夹持件(24)下侧过渡板的侧面和上面，精密定位平台防护罩(23)和防护装置盖板(25)用于避免球头砂轮(21)电火花修整过程中，工作液飞溅入直线电机驱动的超精密定位平台内部；修整电极主轴夹持件(24)安装于防护装置盖板(25)的上表面，修整电极主轴(2)安装于修整电极主轴夹持件(24)的夹持孔内，并通过旋紧螺钉进行夹紧紧固；修整电极(9)安装在修整电极主轴(2)的轴孔内；修整装置防护罩(3)围设在电火花修整装置的外侧，修整装置防护罩(3)的前端面开设有圆形通孔，所述修整电极(9)的前端穿过所述修整装置防护罩(3)前端面的圆形通孔；
CCD对刀装置连接板(12)通过定位块定位在工作台(7)的上表面，二维微位移平台(11)通过二维微位移平台连接板(19)与CCD对刀装置连接板(12)连接，CCD相机(10)通过CCD相机夹持件(20)夹设在二维微位移平台(11)上；
CCD对刀装置定位块(18)固定连接于CCD对刀装置连接板(12)的下侧，CCD相机(10)的镜头对准球头砂轮电火花修整加工区域或工件磨削加工区域；CCD相机(10)用于监测球头砂轮电火花修整过程和工件磨削过程；
电极盖板(13)压紧电刷弹簧(16)将石墨电刷(14)压紧在电刷绝缘外壳(15)的内部，电刷绝缘外壳(15)通过电极支撑杆(29)安装于修整装置过渡板(28)上；
修整装置过渡板(28)通过定位块定位于工作台(7)上，超精密定位平台(27)安装在修整装置过渡板(28)上，修整电极主轴夹持件(24)通过过渡板安装于超精密定位平台(27)的上侧。
2.根据权利要求1所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，其特征在于，它还包括走线挡块(1)和走线槽(4)，所述走线槽(4)通过螺栓固定安装于工作台防护罩(5)的外侧；走线挡块(1)通过螺钉将密封胶垫压紧于工作台(7)上。
3.根据权利要求1或2所述的具有砂轮修整和磨削加工的两工位加工装置，其特征在于，它还包括工作台过渡板(17)，所述工作台过渡板(17)安装在工作台(7)的下侧。
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