CN110497287A - 一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，属于精密自由曲面加工领域。公转驱动单元固定在壳体单元上部，自转驱动单元固定在公转驱动单元下方，工具驱动单元固定在自转驱动单元下方，气囊抛光工具单元固定在工具驱动单元上，气压控制单元整合在公转驱动单元和工具驱动单元中。优点是气囊在工件表面做公自转双自由度运动，形成类高斯型去除函数，单电机驱动双自由度气囊抛光运动，不仅减少了结构冗余改善驱动链堆叠问题，还有助于维持稳定的公自转速度比，增加装置去除函数的稳定性。

Description

一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置

技术领域

本发明涉及一种气囊抛光装置，尤其是涉及一种单电机驱动双自由度轮式气囊抛光装置，属于精密自由曲面加工领域。

背景技术

光学元件在民用，航空航天，天文探索以及军事信息化等众多领域中都是关键零件，其面形精度和表面质量的提高对改善设备光学性能具有重要意义。20世纪末期，随着世界各国争相修建大型天文望远镜，以及卫星导航系统，市场对大口径超精密光学元件的需求进一步增加，以计算机控制光学表面成型技术为基础的小工具抛光、应力盘加工和气囊抛光等技术在光学元件的加工中得到很好的应用。基于柔性抛光头能够快速适应自由曲面与非球面局部曲率变化的特点，伦敦大学和英国Zeeko公司联合提出了曲面气囊抛光技术。该技术以气囊为基体，利用气囊充气后具有弹性的特点，自动适应工件的曲面形状，与工件表面的接触力分布均匀，可得到类高斯状去除函数，在非球面和自由曲面光学表面加工中，可以取得很高的表面质量，且具有控制复杂度低的特点。

传统的气囊抛光存在抛光模线速度较小，去除率低的问题。研究者在其基础上提出了很多变形设计和优化方案。球形气囊公自转抛光技术便是其中之一，该抛光技术中球形气囊除绕水平方向的自转轴线旋转外，同时绕垂直方向的公转轴线旋转，形成正交式公自转运动。该技术具有去除函数束径相对较小，去除函数稳定性较强，定点修形对周围区域产生影响较小等优点。中国专利申请《一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置》，公开号为CN 103465131A，该装置通过两个电机以各自独立的传动链驱动气囊做双自由度运动。此装置存在三个缺陷，第一需要两台电机造成了结构冗余，第二该装置两条运动链在中间部分堆叠在一起不易拆卸和替换，第三公自转运动之间的配合要求两台电机必须保持配合增加了控制难度，难以维持稳定的去除模型。

发明内容

本发明提供一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，以解决双电机轮式气囊抛光装置结构冗余、驱动链堆叠以及公自转速度比不稳定的问题。

本发明采取的技术方案是：公转驱动单元固定在壳体单元上部，自转驱动单元固定在公转驱动单元下方，工具驱动单元固定在自转驱动单元下方，气囊抛光工具单元固定在工具驱动单元上，气压控制单元整合在公转驱动单元和工具驱动单元中；

转接板与壳体单元上部外侧固定连接；

所述壳体单元分为上壳体、下壳体和轨道壳体，上壳体、下壳体和轨道壳体之间通过螺栓相连；

所述公转驱动单元包括电机、第一公转驱动齿轮、公转轴端盖、公转套筒、第二公转驱动齿轮、公转轴、公转轴承、自转轴支架、工具轴支架，其中公转轴通过公转轴端盖、公转套筒和公转轴承固定在壳体单元内的上部，电机通过第一公转驱动齿轮和第二公转驱动齿轮驱动公转轴公转，自转轴支架通过螺栓固定在公转轴下方，工具轴支架和自转轴支架下方固定连接，随公转轴公转；

所述的自转驱动单元包括小齿圈、中齿圈、大齿圈、自转齿轮、自转轴、第一自转轴承、自转轴端盖、自转轴套、自转轴键、第二自转轴承、球关节、伸缩气缸，其中大齿圈、中齿圈和小齿圈固定在下壳体上，自转轴套通过自转轴端盖、第一自转轴承和第二自转轴承固定在自转轴支架上，自转轴插在自转轴套中通过自转轴键与自转轴套连接，自转齿轮固定在自转轴一侧，伸缩气缸固定在另一侧，球关节连接在伸缩气缸后部，伸缩气缸可推动自转轴进而推动自转齿轮与不同的大齿圈、中齿圈和小齿圈啮合。

所述自转齿轮分别于大齿圈、中齿圈、小齿圈啮合时，其公自转比率分别为1:20,1:10和1:5，当公自转比率为1:20和1:10，去除函数为类高斯型；当公自转比率为1:5时，去除函数为类圆台形；

所述的大齿圈、中齿圈、小齿圈以同心圆的形式固定在下壳体底部，半径不同，齿数不同，模数一致；

所述工具驱动单元包括第一皮带轮组件、工具轴端盖、工具轴、第一工具轴承、第二皮带轮组件、第二工具轴承，其中工具轴通过工具轴端盖、第一工具轴承和第二工具轴承固定在工具轴支架内，通过第一皮带轮组件和第二皮带轮组件与自转轴套相连。

所述的气囊抛光工具单元包括第一插销、第一弹簧、第一夹板、第二弹簧、气囊膜、气囊底座、第二插销、第二夹板，其中气囊底座通过第一插销、第二插销、第一弹簧和第二弹簧组成的卡簧固定在工具轴上，气囊膜通过第一夹板和第二夹板夹紧在气囊底座上，充入气体后形成轮式气囊表面。

所述的气压控制单元包括进气管、第一导气旋转接头、固定导气接头、导气管、第二导气旋转接头，其中第一导气旋转接头固定在中空公转轴上方，固定导气接头固定在中空公转轴下方，通过导气管与第二导气旋转接头相连，第二导气旋转接头固定在工具轴中空端。

本发明在保持轮式气囊抛光装置加工模式的基础上，优化其驱动结构，且公自转速度比可调的轮式气囊抛光装置。该工具通过单电机驱动双自由度运动，具有清晰的串联驱动链，可以保持稳定的公自转速度比，形成固定的类高斯型去除函数，实现对光学元件的精密定点修形。解决了双电机轮式气囊抛光装置存在的部件冗余、驱动链堆叠和公自转速度协同问题，降低拆卸维修难度，降低控制难度，提升去除函数稳定性。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过单电机驱动轮式气囊双自由度运动，减少了一个电机，公转驱动单元和自转驱动单元相互独立，构成了一条清晰的串联驱动链，减少了结构冗余，方便装卸和维修。

2、本发明采用单电机驱动轮式气囊双自由度运动，通过公转带动自转的机械传动方法，实现了原本需要双电机配合完成的运动，降低了装置控制难度，且能维持更稳定的去除函数。

3、本发明通过伸缩气缸推动自转齿轮与不同的齿圈啮合，从而改变公自转速度比，可以提供两种不同的去除函数和三种去除效率，类高斯型去除函数适用于精密定点修形，对周围区域产生影响较小，圆台形去除函数对于改变加工纹路，平滑划痕的效果更好。

4、本发明采用可拆卸气囊，夹板与气囊底座夹紧气囊膜在充入气体后形成轮式气囊，相较于传统的球形气囊和环形气囊，成本更低，装卸更加方便，夹紧效果更好，不易在加工过程中打滑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的爆炸图；

图5是本发明公转驱动单元、自转驱动单元、工具驱动单元、气囊抛光工具单元和气压控制单元的剖视图；

图6是本发明气囊抛光工具单元及与其配合的工具轴的装配图；

图7是本发明三种不同公自转速度比的去除函数二维形状图；

图8是本发明三种不同公自转速度比的去除效率二维模型图；

图9是本发明的加工状态示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，公转驱动单元2固定在壳体单元1上部，自转驱动单元3固定在公转驱动单元2下方，工具驱动单元4固定在自转驱动单元3下方，气囊抛光工具单元5固定在工具驱动单元4上，气压控制单元6整合在公转驱动单元2和工具驱动单元4中；

转接板7与壳体单元1上部外侧固定连接；

如图4所示：

所述壳体单元1分为上壳体101、下壳体102和轨道壳体103，各壳体之间通过螺栓相连；

所述公转驱动单元2包括电机201、第一公转驱动齿轮202、公转轴端盖203、公转套筒204、第二公转驱动齿轮205、公转轴206、公转轴承207、自转轴支架208、工具轴支架209，其中公转轴206通过公转轴端盖203、公转套筒204和公转轴承207固定在壳体单元内的上部，电机201通过第一公转驱动齿轮202和第二公转驱动齿轮205驱动公转轴206公转，自转轴支架208通过螺栓固定在公转轴206下方，工具轴支架209和自转轴支架208下方固定连接，随公转轴206公转；

所述的自转驱动单元3包括小齿圈301、中齿圈302、大齿圈303、自转齿轮304、自转轴305、第一自转轴承306、自转轴端盖307、自转轴套308、自转轴键309、第二自转轴承310、球关节311、伸缩气缸312，其中大齿圈301、中齿圈302和小齿圈303固定在下壳体102上，自转轴套308通过自转轴端盖307、第一自转轴承306和第二自转轴承310固定在自转轴支架208上，自转轴305插在自转轴套308中通过自转轴键309与自转轴套308连接，自转齿轮304固定在自转轴305一侧，伸缩气缸312固定在另一侧，球关节311连接在伸缩气缸312后部，伸缩气缸312可推动自转轴305进而推动自转齿轮304与不同的大齿圈303、中齿圈302和小齿圈301啮合。

所述自转齿轮304分别于大齿圈303、中齿圈302、小齿圈301啮合时，其公自转比率分别为1:20,1:10和1:5，当公自转比率为1:20和1:10，去除函数为类高斯型；当公自转比率为1:5时，去除函数为顶端较平的类圆台形；

所述的大齿圈303、中齿圈302、小齿圈301以同心圆的形式固定在下壳体102底部，半径不同，齿数不同，模数一致；

所述工具驱动单元4包括第一皮带轮组件401、工具轴端盖402、工具轴403、第一工具轴承404、第二皮带轮组件405、第二工具轴承406，其中工具轴403通过工具轴端盖402、第一工具轴承404和第二工具轴承406固定在工具轴支架209内，通过第一皮带轮组件401和第二皮带轮405组件与自转轴套308相连。

所述的气囊抛光工具单元5包括第一插销501、第一弹簧502、第一夹板503、第二弹簧504、气囊膜505、气囊底座506、第二插销507、第二夹板508，其中气囊底座506通过第一插销501、第二插销507、第一弹簧502和第二弹簧504组成的卡簧固定在工具轴403上，气囊膜505通过第一夹板503和第二夹板508夹紧在气囊底座506上，充入气体后形成轮式气囊表面。

所述的气压控制单元6包括进气管601、第一导气旋转接头602、固定导气接头603、导气管604、第二导气旋转接头605，其中第一导气旋转接头602固定在中空公转轴206上方，固定导气接头603固定在中空公转轴206下方，通过导气管604与第二导气旋转接头605相连，第二导气旋转接头605固定在工具轴403中空端。

工作过程：

如图9所示，该装置整体连接在数控机床上或由机械手臂夹持，运动到工件8的指定加工位置并调整姿态，即可对该位置进行高精度的确定性加工，加工过程中：

通过数控机床或机械手臂将该抛光装置移动到待加工点，依照自由曲面的曲率调整抛光装置姿态，使工具的公转轴与曲面切平面垂线重合，沿该方向移动抛光工具，使气囊与曲面表面接触并下压一定距离。开启气泵，气体通过气压控制单元6调节气囊压力，进而控制抛光压力。电机201通过公转驱动单元2驱动公转轴206旋转，进而带动自转轴支架208和工具轴支架209及其上的自转驱动单元3、工具驱动单元4和气囊抛光工具单元5公转。自转驱动单元3中的自转齿轮304与下壳体102上的齿圈啮合转动，在公转运动带动下转动从而产生自转运动，自转运动通过自转驱动单元3和工具驱动单元4最终带动气囊抛光工具单元5产生自转运动；气囊抛光工具单元5做公自转双自由度运动，在加工点附近表面形成类高斯型去除函数。数控机床或机械手臂夹持该抛光装置按照计算机规划的抛光路径和驻留时间进行运动，依次对光学曲面各处进行定点修形。

下边结合附图5对本发明的工作原理作进一步说明。

公转运动，由电机201产生，经过第一公转驱动齿轮202和第二公转驱动齿轮205传动，带动公转轴206旋转，进而带动固定在公转轴206上的自转轴支架208和工具轴支架209，最终带动工具轴403上的气囊抛光工具单元5绕竖直轴做公转运动。

自转运动，动力来自于上述的公转运动，自转驱动单元3固定在自转轴支架209上随其做公转运动，其上的自转齿轮304与固定在下壳体102上的各齿圈啮合，在公转运动驱动下滚动产生自转运动，自转齿轮304带动自转轴305旋转，自转轴305通过自转轴键309带动自转轴套308旋转，自转轴套308通过第一皮带轮401、第二皮带轮405带动工具轴403旋转，最终带动气囊抛光工具单元5绕水平轴做自转运动。

气囊抛光工具单元5在光学元件表面做公自转双自由度运动，根据材料去除函数通用的普林斯顿方程，结合加工工具实际参数可建立去除函数如下：

式中，R为单位时间的材料去除量，r为该点到加工接触表面中心点的距离，k_w为材料去除比例常数，F_α为加工接触表面中心点压力，a是接触面椭圆的半长轴，w_y0为自转速度，w_z0为公转速度，R_p为接触轮半径，Ω₀加工一个周期磨工具公转角度，当自转速度远大于公转速度时，其去除函数为类高斯型。

公、自转速度比变化通过调整自转齿轮304与不同大小的齿圈301-303啮合来实现，公自转速度对去除函数形状会造成一定的影响。装置中自转齿轮304分别于大、中、小三个齿圈303、302、301啮合，其公自转比率分别为1:20,1:10和1:5，当公自转比率为1:20和1:10，公转速度远低于自转速度，根据上式计算去除函数为类高斯型，具有去除函数束径相对较小，去除函数稳定性较强，定点修形对周围区域产生影响较小等优点。当公自转比率为1:5时，去除函数为顶端较平的类圆台形，公转速度较快，可以改变加工纹路，平滑划痕并降低表面粗糙度，在相同公转速度驱动下，公自转速度比越低，则自转速度越快，去除效率就高；

进一步，所述的伸缩气缸312推动自转轴305在自转轴套308内运动，进而推动自转齿轮304与不同的齿圈啮合，自转轴305与自转轴套308通过自转轴键309连接，传动旋转运动，而不传递轴向运动。

进一步，所述的三个齿圈301、302、303以同心圆的形式固定在下壳体102底部，半径不同，齿数不同，但模数一致，各齿圈在指定位置齿形重合，自转齿轮304可由伸缩气缸312推动在此处变轨。

进一步，所述的伸缩气缸312通过球关节311固定在下壳体102与轨道壳体103形成的环形轨道上，可以随自转轴305自转并随自转驱动单元3公转，在不影响其公自转运动的前提下，对伸缩气缸312提供支撑力。

进一步，所述的工具轴403与自转轴套308平行，通过第一皮带轮组件401和第二皮带轮组件405传动，为安装不同尺寸气囊预留空间，同时减少主体驱动部分振动对气囊抛光工具单元5的影响，而且为抛光装置提供了过载保护的能力。

进一步，所述的公转驱动单元2、自转驱动单元3和工具驱动单元4处于壳体1的不同空腔内，形成一条清晰的串联驱动链，互相独立并通过螺栓连接，方便拆卸分别维修或替换。

进一步，所述的气压控制单元6，气体从进气管601经过第一导气旋转接头602进入中空的公转轴206，随后经过固定导气接头603、导气管604和第二导气旋转接头605进入工具轴403空腔，再经过气囊底座506的气孔进入气囊膜505中，气囊压力可以得到实时调节。

进一步，所述的气囊抛光工具单元5中气囊由第一夹板503、第二夹板508和气囊底座506夹紧气囊膜505组成，通过充入气体并调节气压形成轮式气囊，相较于传统环形气囊嵌套方案成本更低，不易在加工过程中打滑。

进一步，所述的气囊底座506通过第一插销501、第二插销507和第一弹簧502、第二弹簧504组成的卡簧固定,插销一面为斜面，拆卸时将气囊底座506向插销斜面方向推动，下压插销后转动气囊底座506即可将之卸下，拆卸简便，免除了传统环形气囊安装过程中对齐出气口的操作。

图6为本发明气囊抛光工具单元5及其配合工具轴403结构图，该部分通过第一夹板503，第二夹板508夹紧外表面具有抛光能力的弹性材料气囊膜505，气体通过进气口进入膜中形成轮式气囊结构。气囊底座506与工具轴403通过弹簧插销结构连接，安装时气囊底座506对插销斜面施加压力使其压缩弹簧，缩入工具轴内部，当气囊底座506的定位孔与插销对齐时靠弹簧弹性弹出，在加工过程中公自转运动受力都不会导致气囊脱离。在拆卸时推动气囊底座506沿其安装方向运动，底座再次对插销斜面施加压力使其缩入工具轴内部，将气囊底座506旋转沿安装的反方向拔出。

图7为本发明的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置三种不同公自转速度比的去除函数二维形状，当公自转速度为1:20和1：10时，接触区域内任意点的自转线速度远大于公转线速度，除函数曲线趋于“高斯型”且区别不大，该状态下去除函数趋于稳定，具有最好的定点精密去除能力，改变公自转速度比主要用于改变材料去除效率，当表面曲率复杂进给速度较慢时可以切换低去除率状态进行抛光；当公自转速度为1:5时，在接近中心点的区域内，自转线速度的降低以及压力减少带来的材料去除量减少通过公转线速度增加得到补充，材料去除量降低趋势平缓，形成趋于“平顶型”的去除函数，由于公转速度的提升，其光整能力更强；

图8为本发明的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置三种不同公自转速度比的去除效率二维模型，图中去除函数曲线与X轴围成的封闭区域的面积可以作为装置在该条件下对材料体积去除的一个参考因子，在公转速度不变的情况下，提高自转速度能显著提升材料去除率。

Claims (10)

1.一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：公转驱动单元固定在壳体单元上部，自转驱动单元固定在公转驱动单元下方，工具驱动单元固定在自转驱动单元下方，气囊抛光工具单元固定在工具驱动单元上，气压控制单元整合在公转驱动单元和工具驱动单元中。

2.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：转接板与壳体单元上部外侧固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述壳体单元分为上壳体、下壳体和轨道壳体，上壳体、下壳体和轨道壳体之间通过螺栓相连。

4.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述公转驱动单元包括电机、第一公转驱动齿轮、公转轴端盖、公转套筒、第二公转驱动齿轮、公转轴、公转轴承、自转轴支架、工具轴支架，其中公转轴通过公转轴端盖、公转套筒和公转轴承固定在壳体单元内的上部，电机通过第一公转驱动齿轮和第二公转驱动齿轮驱动公转轴公转，自转轴支架通过螺栓固定在公转轴下方，工具轴支架和自转轴支架下方固定连接，随公转轴公转。

5.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述的自转驱动单元包括小齿圈、中齿圈、大齿圈、自转齿轮、自转轴、第一自转轴承、自转轴端盖、自转轴套、自转轴键、第二自转轴承、球关节、伸缩气缸，其中大齿圈、中齿圈和小齿圈固定在下壳体上，自转轴套通过自转轴端盖、第一自转轴承和第二自转轴承固定在自转轴支架上，自转轴插在自转轴套中通过自转轴键与自转轴套连接，自转齿轮固定在自转轴一侧，伸缩气缸固定在另一侧，球关节连接在伸缩气缸后部，伸缩气缸可推动自转轴进而推动自转齿轮与不同的大齿圈、中齿圈和小齿圈啮合。

6.根据权利要求5所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述自转齿轮分别于大齿圈、中齿圈、小齿圈啮合时，其公自转比率分别为1:20,1:10和1:5，当公自转比率为1:20和1:10，去除函数为类高斯型；当公自转比率为1:5时，去除函数为类圆台形。

7.根据权利要求5或6所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述的大齿圈、中齿圈、小齿圈以同心圆的形式固定在下壳体底部，半径不同，齿数不同，模数一致。

8.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述工具驱动单元包括第一皮带轮组件、工具轴端盖、工具轴、第一工具轴承、第二皮带轮组件、第二工具轴承，其中工具轴通过工具轴端盖、第一工具轴承和第二工具轴承固定在工具轴支架内，通过第一皮带轮组件和第二皮带轮组件与自转轴套相连。

9.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述的气囊抛光工具单元包括第一插销、第一弹簧、第一夹板、第二弹簧、气囊膜、气囊底座、第二插销、第二夹板，其中气囊底座通过第一插销、第二插销、第一弹簧和第二弹簧组成的卡簧固定在工具轴上，气囊膜通过第一夹板和第二夹板夹紧在气囊底座上，充入气体后形成轮式气囊表面。

10.根据权利要求1所述的一种单电机双自由度变速轮式气囊抛光装置，其特征在于：所述的气压控制单元包括进气管、第一导气旋转接头、固定导气接头、导气管、第二导气旋转接头，其中第一导气旋转接头固定在中空公转轴上方，固定导气接头固定在中空公转轴下方，通过导气管与第二导气旋转接头相连，第二导气旋转接头固定在工具轴中空端。