CN110026903A - 一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，包括多工位公转单元、自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；所述的多工位公转单元安装在龙门装置的动横梁上；多工位公转单元下方由上至下布置有自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元。本发明采用自转电机和精密转台分别控制自转及公转运动，实现了自公转转速的独立大范围无级调节。本发明采用基于配重环的重力式加载方案使抛光压力均匀施加至晶体工件抛光表面，有效抑制了面形精度的恶化。本发明采用滚珠花键移动副实现了自转轴轴向位置自适应，避免了磨抛板自身平面度误差对抛光运动及压力平稳性的影响。本发明采用多个自适应自转单元，增加了抛光工位数量，显著提高了抛光效率。

Description

一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置

技术领域

本发明应用于精密超精密加工技术领域，涉及一类具备水溶解特性的功能型晶体器件的微纳抛光装置，特别是一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置。

背景技术

在自然界中存在一类具有水溶解特性的功能型晶体材料，例如：磷酸二氢钾KDP、磷酸二氢铵ADP、硼酸锂铯CLBO，由于其自身所具备的诸多优异性能(如：压电特性、电光特性、非线性光学特性)而广泛的应用于航空航天、能源科学、工程物理等国家重大工程项目领域。随着这些领域相关技术及设备的不断升级，对于晶体器件加工质量的要求也越来越严苛。然而，由于该类型晶体大都具有软脆、易潮解、各向异性、对温度敏感等难加工的材料特性，导致在精密超精密加工中频繁发生潮解、表面层损伤及局部开裂，严重影响了晶体器件的使役性能，降低了成品率。因此，实现该类型晶体器件的高质高效加工，满足国家重大工程项目的核心需求迫在眉睫。

基于上述目的，潮解加工策略应运而生；在该策略中“易潮解”这一不利于加工的材料特性被巧妙的运用于晶体材料的高效去除及表面平坦化。国内外专家学者基于潮解加工策略进行了长期的技术攻关，获得了多种新型加工方法，其中本申请人提出的《基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法》(公开号：CN102615555A)就是其中极具应用前景的方法之一。该方法通过超声高频振动使液态水发生空化效应，产生微米级水颗粒，通过对其进行精确调控实现晶体材料的可控性潮解，随后在抛光运动的配合下逐步实现表面平坦化。然而，可控性潮解是异常难以实现的；在装置结构及抛光参数不恰当时，晶体表面会大概率的发生过度潮解，产生破坏性极强的刻蚀结构。

为了实现潮解行为的稳定可控，本申请人发明了《一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置》(公开号：CN106379856A)；采用加压夹持单元、供雾扩散单元和风淋加工单元相结合的方式有效解决了晶体表面潮解速率的控制难题，获得了较高质量的晶体表面。然而，该装置在实际抛光中存在以下四方面缺陷：

第一，过低公转转速所导致的抛光表面光洁度的非均匀化；晶体工件的抛光行星运动依靠精密光学数控机床完成，其中自转运动通过机床主轴实现，公转运动依托丝杠导轨机构在圆弧插补程序控制下实现，由于机床主要运动部件均采用大尺寸花岗岩制造，具有较大惯性，因此为了保证机床运行平稳性必须严格限制丝杠导轨机构的移动速度，这极大制约了公转转速的提高，使抛光表面各个位置的表面平坦化效率的差异难以弥合，进而造成了表面光洁度的非均匀化；

第二，单点式加载所导致的晶体工件面形精度恶化；微水雾抛光中球头组件压在夹持盘上表面，将抛光压力以点载荷方式作用给夹持盘，通过夹持盘与晶体工件顶部的接触面将点载荷转化为均匀分布的面载荷，并将该面载荷施加至抛光表面，然而由于实际抛光作业时必然存在振动及运动失稳等因素，使载荷转化过程受到干扰，降低了面载荷的均匀性，导致抛光表面各个位置材料去除速率的差异化，进而造成了面形精度的恶化；

第三，带孔磨抛板平面度误差所导致的抛光运动失稳；带孔磨抛板在实际制造中不可避免的存在表面微观不平区域，当晶体工件运动经过这些区域时极易产生运动失稳及压力波动，轻则影响抛光质量，重则造成晶体工件破损；

第四，抛光工位过少所导致的抛光效率低下；该装置仅设置一个加压夹持单元，因此每次抛光只能获得一个成品晶体工件，这严重限制了抛光效率的提升。

综上所述，如何在装置结构层面避免上述四方面缺陷是进一步提高微水雾抛光质量及效率的关键技术瓶颈。

中国专利CN107336105A公开了《一种结构紧凑的行星抛光装置》，该装置采用平行四边形机构与调速电机相结合的方式实现了抛光公转转速的大范围无级可调；然而，由于平行四边形机构的分层布置方案使得装置结构过于紧凑，缩小了抛光公转半径的调节范围，不利于雾化水颗粒微孔的布置；同时该装置采用二级带传动方案大大降低了传动效率及运行可靠性。

中国专利CN107414631A公开的《大口径非球面机器人偏心式行星抛光装置》由于采用低摩擦气缸及滚珠花键的配置方案，显著提高了抛光运动的自适应性，能够有效避免带孔磨抛板自身平面度误差导致的抛光运动及压力失稳现象；同时，其抛光公转转速同样可实现大范围无级可调；然而，该装置存在与前述专利相类似的缺陷，即抛光公转半径调节范围不足和传动效率低下。

中国专利CN105583727A公开的《研抛磨头》能够分别实现抛光自转及公转转速的大范围无级调节；然而，由于采用内部气压调节方案，将储气罐安装于自转电机输出轴下方，提高了磨头公转运动的转动惯量，进而造成装置整体运行平稳性及可靠性降低；此外，该专利采用的储气罐、气缸调压阀，力矩传感器及位移传感器的集中布置方案显著增加了装置制造及维护成本。

此外，中国专利CN107214582A公开的《一种研磨齿轮盘及光学研磨抛光机》、中国专利CN106425830A公开的《一种双面研磨抛光机》、中国专利CN101712133A公开的《一种抛光装置》、中国专利CN108214272A公开的《一种离心泵叶轮盖板抛光方法及其抛光装置》及中国专利CN107097121A公开的《光学抛光装置及系统》均能获得较大的抛光公转运动速度调节范围；然而，在上述各发明专利中，抛光工件自转及公转运动均采用单一电机与齿轮传动的配置方式，通过改变轮系传动比获得不同的转速组合，因此导致了自转及公转转速无法分别实现无级可调，这限制了抛光工艺参数的调节范围，不利于高质量晶体表面的获得。

在目前已发表的学术论文和已公开的专利技术中，并未发现能够在功能原理及应用技术层面能够同时解决前文所述四方面缺陷的例子。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种能够提高抛光公转转速、优化抛光载荷施加方式、降低带孔磨抛板平面度误差对抛光运动平稳性影响、实现多工位高效抛光的用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，包括多工位公转单元、自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；所述的多工位公转单元安装在龙门装置的动横梁上；多工位公转单元下方由上至下布置有自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；

所述的多工位公转单元包括精密转台、公转轴、公转圆盘、直线进给机构、电机和扭矩传感器；所述的精密转台固接在动横梁上；精密转台底部与公转轴上端固接；公转轴上安装有扭矩传感器；公转轴下端固接在公转圆盘顶部中心；公转圆盘上沿圆周均布多个直线进给机构；各直线进给机构的滑台上均安装有自适应自转单元；公转圆盘底部安装电机，所述的电机经锥齿轮传动机构将扭矩同步传递给各直线进给机构，使各自适应自转单元在位置调整时始终处于圆心在公转轴轴线上的同一圆周上；

所述的自适应自转单元包括自转电机、花键轴、花键套、自转轴和位移传感器；所述的自转电机与直线进给机构固接；自转电机输出轴底部连接花键轴；花键轴穿过内嵌滚珠的花键套，形成滚珠花键移动副；花键套底部与自转轴固接；自转轴上端面设置盲孔，用于配合滚珠花键移动副实现自转轴轴向位置自适应；自转轴底端设有球头结构；位移传感器安装在直线进给机构的滑台底部，用于测量花键套的轴向位移；

所述的加压夹持单元包括夹具、配重环和螺栓；所述的配重环通过螺栓与夹具固接；所述的夹具用于装夹晶体工件。

所述的供雾单元包括微水雾发生器和磨抛板；微水雾发生器安装在基座上，实现微水雾的产生及扩散；微水雾发生器顶部固接有磨抛板，磨抛板上具有微孔，微水雾穿过微孔与晶体工件接触。

进一步地，所述的自转轴与花键轴二者轴线重合。

进一步地，所述的花键轴底端固接限位块，防止花键套脱落。

进一步地，所述的公转圆盘上沿圆周均布2-6个直线进给机构。

进一步地，所述的夹具位于配重环的下方，夹具顶部中心设有凹槽结构，所述的凹槽结构与自转轴底端球头结构组成球铰式配合。

进一步地，所述的夹具上方堆叠多个配重环。

进一步地，所述的直线进给机构包括丝杠、滑台和轴承座；所述的轴承座有两个，分别位于丝杠的两端；所述的丝杠穿过滑台组成滑台丝杠移动副；当丝杠转动时滑台沿丝杠进行直线进给运动。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明采用自转电机和精密转台分别控制自转及公转运动，实现了自公转转速的独立大范围无级调节，改善了微水雾抛光的工艺适用性，有助于针对不同的晶体材料快速获得对应的最优抛光参数。

2、本发明采用基于配重环的重力式加载方案使抛光压力均匀施加至晶体工件抛光表面，提高了抛光表面各位置材料去除速率的一致性，有效抑制了面形精度的恶化。

3、本发明采用滚珠花键移动副在完成扭矩传递的同时实现了自转轴轴向位置自适应，避免了磨抛板自身平面度误差对抛光运动及压力平稳性的影响。

4、本发明采用多个自适应自转单元，因此有相同数量的加压夹持单元与之相匹配，从而可一次性抛光多个晶体工件，显著提高了抛光效率。

5、本发明采用单一电机配合锥齿轮传动机构使各自适应自转单元始终处于圆心在公转轴轴线上的同一圆周上，实现了微水雾抛光中公转圆盘的负载平衡。

6、本发明采用直线进给机构实现了自适应自转单元的位置调节，有利于实现磨抛板表面微孔排布的多样化并提高抛光质量；同时扩大了可抛光晶体工件的尺寸范围，提升了装置适用性。

7、本发明采用球铰式配合在完成自转扭矩传递的同时避免了晶体工件上下表面平行度误差所导致的运动失稳，提高了装置运行平稳性。

8、本发明作为一种新型微水雾抛光执行装置，具有结构简单、可靠性高、易于维护的显著特征。

附图说明

图1是装置整体结构示意图。

图2是多工位公转单元结构图。

图3是图2的A向视图。

图4是图2的B-B剖面图。

图5是图2的C-C剖面图。

图6是自适应自转单元结构图。

图7是图6的D向视图。

图8是加压夹持单元结构图。

图9是图8的E向视图。

图10是图8的F向视图。

图11是图8的G-G剖面图。

图中：1、动横梁；2、公转轴；3、扭矩传感器；4、公转圆盘；5、磨抛板；6、微水雾发生器；7、基座；8、晶体工件；9、配重环；10、自转轴；11、花键轴；12、直线进给机构；13、自转电机；14、精密转台；15、锥齿轮传动机构；16、电机；17、限位块；18、花键套；19、位移传感器；20、螺栓；21、球铰式配合；22、夹具；23、丝杠；24、滑台；25、轴承座。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式结合技术方案及附图进行详细说明。如图1-11所示，一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，包括多工位公转单元、自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；所述的多工位公转单元安装在龙门装置的动横梁1上；多工位公转单元下方由上至下布置有自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；

所述的多工位公转单元包括精密转台14、公转轴2、公转圆盘4、直线进给机构12、电机16和扭矩传感器3；所述的精密转台14固接在动横梁1上；精密转台14底部与公转轴2上端固接；公转轴2上安装有扭矩传感器3；公转轴2下端固接在公转圆盘4顶部中心；公转圆盘4上沿圆周均布多个直线进给机构12；各直线进给机构12的滑台24上均安装有自适应自转单元；公转圆盘4底部安装电机16，所述的电机16经锥齿轮传动机构15将扭矩同步传递给各直线进给机构12，使各自适应自转单元在位置调整时始终处于圆心在公转轴2轴线上的同一圆周上；

所述的自适应自转单元包括自转电机13、花键轴11、花键套18、自转轴10和位移传感器19；所述的自转电机13与直线进给机构12固接；自转电机13输出轴底部连接花键轴11；花键轴11穿过内嵌滚珠的花键套18，形成滚珠花键移动副；花键套18底部与自转轴10固接；自转轴10上端面设置盲孔，用于配合滚珠花键移动副实现自转轴10轴向位置自适应；自转轴10底端设有球头结构；位移传感器19安装在直线进给机构12的滑台24底部，用于测量花键套18的轴向位移；

所述的加压夹持单元包括夹具22、配重环9和螺栓20；所述的配重环9通过螺栓20与夹具22固接；所述的夹具22用于装夹晶体工件8。

所述的供雾单元包括微水雾发生器6和磨抛板5；微水雾发生器6安装在基座7上，实现微水雾的产生及扩散；微水雾发生器6顶部固接有磨抛板5，磨抛板5上具有微孔，微水雾穿过微孔与晶体工件8接触。

进一步地，所述的自转轴10与花键轴11二者轴线重合。

进一步地，所述的花键轴11底端固接限位块17，防止花键套18脱落。

进一步地，所述的公转圆盘4上沿圆周均布2-6个直线进给机构12。

进一步地，所述的夹具22位于配重环9的下方，夹具22顶部中心设有凹槽结构，所述的凹槽结构与自转轴10底端球头结构组成球铰式配合21。

进一步地，所述的夹具22上方堆叠多个配重环9。

进一步地，所述的直线进给机构12包括丝杠23、滑台24和轴承座25；所述的轴承座25有两个，分别位于丝杠23的两端；所述的丝杠23穿过滑台24组成滑台24丝杠23移动副；当丝杠23转动时滑台24沿丝杠23进行直线进给运动。

本发明的工作原理如下：

多工位公转单元工作时，通过电机16同步调整各自适应自转单元相对于公转轴2的距离，使之与晶体工件8尺寸及磨抛板5微孔排布相匹配；根据位移传感器19测量结果调整龙门装置中动横梁1的位置，保证自转轴10与夹具22形成可靠的球铰式配合21，同时为自转轴10预留适量的自适应行程；随后精密转台14开始运行，将公转扭矩经由公转轴2传递给公转圆盘4，实现抛光公转运动；通过位于公转轴2上的扭矩传感器3测量实时扭矩，并通过程序输出摩擦系数-时间曲线，为微水雾抛光机理分析及工艺参数优选提供数据支撑。

自适应自转单元工作时，自转电机13将自转扭矩经由花键轴11、花键套18传递给自转轴10。

加压夹持单元工作时，通过夹具22上的螺旋夹紧机构实现晶体工件8的装夹；将一定数量的配重环9自下而上堆叠在夹具22顶端，进而完成抛光压力的施加；通过改变配重环9的数量、厚度及直径实现抛光压力的调节；使用螺栓20将堆叠好的配重环9与夹具22固接，进而避免由于配重环9窜动所导致的微水雾抛光运动失稳；自转轴10将自转扭矩通过球铰式配合21传递给夹具22，从而实现抛光自转运动；与此同时，球铰式配合21可以防止晶体工件8上下表面平行度误差对抛光稳定性的影响。

供雾单元工作时，微水雾发生器6产生微水雾，随后其扩散腔室内完成微水雾的均匀化；经过均匀化后的微水雾通过磨抛板5上的微孔与晶体工件8接触；微水雾抛光作业时，由多工位自适应执行装置驱动的晶体工件8在磨抛板5的上表面执行行星运动，在微水雾的配合下实现表面平坦化，并最终获得超光滑的晶体表面。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：包括多工位公转单元、自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；所述的多工位公转单元安装在龙门装置的动横梁(1)上；多工位公转单元下方由上至下布置有自适应自转单元、加压夹持单元和供雾单元；

所述的多工位公转单元包括精密转台(14)、公转轴(2)、公转圆盘(4)、直线进给机构(12)、电机(16)和扭矩传感器(3)；所述的精密转台(14)固接在动横梁(1)上；精密转台(14)底部与公转轴(2)上端固接；公转轴(2)上安装有扭矩传感器(3)；公转轴(2)下端固接在公转圆盘(4)顶部中心；公转圆盘(4)上沿圆周均布多个直线进给机构(12)；各直线进给机构(12)的滑台(24)上均安装有自适应自转单元；公转圆盘(4)底部安装电机(16)，所述的电机(16)经锥齿轮传动机构(15)将扭矩同步传递给各直线进给机构(12)，使各自适应自转单元在位置调整时始终处于圆心在公转轴(2)轴线上的同一圆周上；

所述的自适应自转单元包括自转电机(13)、花键轴(11)、花键套(18)、自转轴(10)和位移传感器(19)；所述的自转电机(13)与直线进给机构(12)固接；自转电机(13)输出轴底部连接花键轴(11)；花键轴(11)穿过内嵌滚珠的花键套(18)，形成滚珠花键移动副；花键套(18)底部与自转轴(10)固接；自转轴(10)上端面设置盲孔，用于配合滚珠花键移动副实现自转轴(10)轴向位置自适应；自转轴(10)底端设有球头结构；位移传感器(19)安装在直线进给机构(12)的滑台(24)底部，用于测量花键套(18)的轴向位移；

所述的加压夹持单元包括夹具(22)、配重环(9)和螺栓(20)；所述的配重环(9)通过螺栓(20)与夹具(22)固接；所述的夹具(22)用于装夹晶体工件(8)；

所述的供雾单元包括微水雾发生器(6)和磨抛板(5)；微水雾发生器(6)安装在基座(7)上，实现微水雾的产生及扩散；微水雾发生器(6)顶部固接有磨抛板(5)，磨抛板(5)上具有微孔，微水雾穿过微孔与晶体工件(8)接触。

2.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的自转轴(10)与花键轴(11)二者轴线重合。

3.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的花键轴(11)底端固接限位块(17)，防止花键套(18)脱落。

4.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的公转圆盘(4)上沿圆周均布2-6个直线进给机构(12)。

5.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的夹具(22)位于配重环(9)的下方，夹具(22)顶部中心设有凹槽结构，所述的凹槽结构与自转轴(10)底端球头结构组成球铰式配合(21)。

6.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的夹具(22)上方堆叠多个配重环(9)。

7.根据权利要求1所述的一种用于微水雾抛光的多工位自适应执行装置，其特征在于：所述的直线进给机构(12)包括丝杠(23)、滑台(24)和轴承座(25)；所述的轴承座(25)有两个，分别位于丝杠(23)的两端；所述的丝杠(23)穿过滑台(24)组成滑台(24)丝杠(23)移动副；当丝杠(23)转动时滑台(24)沿丝杠(23)进行直线进给运动。