CN110919519B - 一种可自倾斜气囊抛光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自倾斜气囊抛光加工装置。其特征在于：通过调节安装于安装基座和倾斜底座之间的电推杆的伸缩量，使倾斜底座绕球轴承旋转中心发生二维转动倾斜；倾斜底座的倾斜使工具基座和气囊工具头发生同样的倾斜，使气囊工具头加工轴线与待加工点法线重合；移动数控机床三个直线运动轴，使本发明装置的倾斜底座的旋转中心与待加工点法线重合，且距待加工点距离为一定值，使气囊与加工点接触；通过控制气囊工具头的转速和内部气压，实现对光学表面的材料去除。本发明提及的装置能够实现工具头的二维倾斜，只需要数控机床具备三个正交直线运动轴就可以实现对光学非球面或自由曲面法线的追踪，降低了对五轴数控机床或精密机器手的依赖，减小了固定成本投入，是一种低成本、高精度的光学非球面和自由曲面加工装置。

Description

一种可自倾斜气囊抛光加工装置

技术领域

本发明涉及一种可自倾斜气囊抛光加工装置，特别涉及对具有复杂光学表面或其它材料表面的抛光加工装置，属于超精密加工领域。

背景技术

随着科技的不断进步，传统的平面或球面光学元件解决方案已经很难满足不断提高的光学系统性能需求，或者会使得系统变得更加复杂。与只使用球面和平面的传统解决方案相比，使用非球面、自由曲面等复杂曲面，可为设计人员提供更多的设计自由度，矫正多种像差，扩大视场，改善成像质量，提高其光学性能；甚至替代多个球面，达到简化仪器结构，降低成本，减轻仪器质量，降低系统的复杂性的目的。目前，非球面或自由曲面已经在在天文观测、空间遥感、高能激光武器、激光核聚变、空间望远镜、VR等诸多领域。

相比球面或平面元件的加工，非球面和自由曲面元件的加工难度更大。球面元件仅需指定其曲率半径一个变量，且由于其轴对称性，使用简单的机床即可完成。非球面和自由曲面往往由多个几何参数控制(如非球面要控制顶点曲率半径，二次项系数，高次项系数、离轴量等)，这要求在制造过程中专用工具必须与光学曲面任意位置的法线和曲面重合。因此，非球面和自由曲面需要精密的五轴机床进行五轴联动才能完成。

随着全球范围内的技术竞争和市场对新型光学元件的需求，先进光学制造技术得到了长足的进步和发展，实现了从传统工艺到计算机控制确定性加工的转变。目前，世界各国科技工作者开展了相关的制造研究并形成了诸如计算机控制表面成形技术、应力盘加工技术、化学机械抛光技术、磁流变抛光技术，磁射流技术，气囊抛光技术，离子束抛光技术等确定性光学表面制造技术。

气囊抛光是20世纪90年代伦敦大学光学实验室提出来的一种新型精密超精密光学加工方法，在原理上可适用于抛光任何几何形状的光学零件，是获得超光滑精密光学表面的理想工艺，是一种很有前途的确定性抛光方法。其优势在于解决边缘无法直接加工的问题，可以主动控制元件边缘质量；气囊变形后与被加工工件表面形成较大面积的仿形接触，约为工具直径的1/3；能适应非球面曲率的变化，有较高的材料去除率，可有效地提高抛光效率，缩短生产周期；能适应快速和精密抛光，甚至自由曲面的抛光和修整。

伦敦大学光学实验室采用一个气压在线可控的柔性气囊，气囊外覆盖抛光布，内置电机驱动抛光头旋转，通过调节气囊的进给深度和气囊气压，通过机械手结构控制气囊在待加工表面的位置，改变抛光接触区的面积及抛光压力，从而得到较大的抛光面积和材料去除量。2000年，英国伦敦大学光学实验室和Zeeko公司合作生产了第一台抛光机床IRP-200，加工面形精度达80nm(PV)、表面粗糙度达3nm(Ra)，粗抛光的材料去除率可达2mm3/min，可用于抛光光学玻璃、镀镍铝、不锈钢、石墨纤维等。随后相继研制了IRP系列抛光机床，加工范围从10mm到3000mm。该技术已成功应用于Euro-50大型天文望远镜，Euro-50的主镜镜片组跨径是50m，由618面跨径约为2m的六边形镜片组成，采用气囊抛光工具抛光得到了5nm(Ra)的表面，每片镜片的抛光时间仅需要15～18小时，抛光效率得到改善。国内哈尔滨工业大学、北京理工大学、厦门大学等研究机构跟踪国外进展也进行了相关的理论和实验研究，并取得了一定成果：试制了气囊抛光样机，但总体与国外技术相差较大。

由于非球面和自由曲面的特点，使用气囊抛光技术时要求加工轴线须于光学表面的法线方向重合。国内外通常采用机器手或者五轴机床的方式以适应复杂曲面的制造，这对制造设备及其控制提出了较高的要求。

本发明一种可自倾斜气囊抛光加工装置，不需要机器手或者五轴机床倾斜轴，就可实现气囊工具头的自动倾斜，使气囊加工轴线与待加工的光学曲面表面法线重合，从而实现对非球面或自由曲面光学元件的精密制造，降低对高精度五轴机床或机器手设备的依赖。

发明内容：

本发明提供了一种可自倾斜气囊抛光加工装置，可以通过调整电推杆的伸缩量实现倾斜底座的二维方向倾斜精度调整，保证气囊工具头加工轴线与待加工光学非球面和自由曲面的法线方向成固定夹角。本发明装置只需要数控机床具备三个直线运动轴就可以实现对光学非球面或自由曲面的加工，降低了对五轴数控机床的依赖，减小了固定成本投入。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，包括旋转电机、电机基座、第一伞齿轮、旋转接头，第二伞齿轮、安装基座、电推杆、转动轴、万向节传动机构、倾斜底座、气囊工具头、球铰座、软管、第一轴承、工具基座、第二轴承、球轴承、第三轴承、第一轴承端盖、万向节前轴、万向节后轴、十字传动架、第二轴承端盖、橡胶圈槽、推杆套筒、推杆、推杆小电机、球铰底座，球铰连接头。

所述安装基座固定在精密数控机床上，用于实现装置的整体三维运动；旋转电机通过螺钉固定在电机基座上，通过销柱和第一伞齿轮连接；电机基座通过螺钉固定在安装基座上；第二伞齿轮通过销柱固定在转动轴上端，与第一伞齿轮精密配合，实现齿轮传动；转动轴上端接旋转接头，下端与万向节传动机构中的万向节前轴相联，并通过第三轴承和第二轴承端盖固定在安装基座上；电推杆上端通过球铰座固定在安装基座下表面，下端通过球铰座与倾斜底座上表面相连；万向节传动机构包括万向节前轴、十字传动架和万向节后轴，其中万向节前轴和万向节后轴通过十字传动架相连；第一轴承端盖将第一轴承固定在万向节后轴上，然后通过球轴承固定在倾斜底座上；软管上与转动轴相连，下与万向节后轴相连。

所述旋转电机的转动，通过第一伞齿轮、第二伞齿轮带动转动轴转动，转动轴带动万向节传动机构转动，从而带动工具基座和安装在其上的气囊工具头转动。

所述的倾斜底座通过6个球铰座分别与6个电推杆倾斜相连，电推杆分别通过6个球铰座与安装基座相连；通过控制6个电推杆的伸缩量，可使倾斜底座绕球轴承实现二维方向的倾斜调整；其中球铰座两两一组，成正三角形排布。

所述第一伞齿轮和第二伞齿轮通过齿轮啮合，可根据实际需要选择不同的齿数比，达到改变减速比，适用不同类型加工曲面的效果。

所述气囊工具头中使用的气体由外部气泵产生，经由旋转接头、转动轴、软管、万向节传动机构、工具基座，到达气囊工具头内部，实现气囊内气压的控制和调节。

所述工具基座与倾斜底座之间通过第二轴承相连，当倾斜底座发生倾斜时，可通过第二轴承推动工具基座倾斜相同的角度。

所述旋转接头具有一定转动能力，所述旋转接头在转动过程中需要承受1MPa的气压。

所述电推杆在推杆小电机的作用下，可以实现定量的伸缩；正常情况下，倾斜底座与安装基座平行，当电推杆相应的伸长或缩短一定量时，倾斜底座发生相应的二维倾斜。

所述软管与转动轴连接处、软管与万向节后轴连接处、旋转接头与主轴连接处应密封。

所述气囊工具头的转速由旋转电机的转速，以及第一伞齿轮和第二伞齿轮之间的齿数比决定；加工过程中通过改变电机转速控制气囊工具头转速。

本发明所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置的加工过程如下：根据光学非球面或自由曲面上待加工点的法线，获得气囊工具头转轴相对于水平面的二维倾斜角；调整安装基座和倾斜底座之间电推杆的伸缩量，使倾斜底座倾斜，且使气囊工具的加工轴线与待加工点的法线重合；利用精密数控机床移动本发明装置直至倾斜底座的旋转球心与待加工点的法线重合，且距待加工点的距离为气囊半径减去下压量，实现气囊工具头与待加工点的接触；旋转电机过第一伞齿轮带动第二伞齿轮转动，第二伞齿轮带动转动轴、万向节传动机构、工具基座和气囊工具头一起转动；压缩气体通过旋转接头、转动轴、软管、万向节后轴、工具基座，到达气囊工具头内部，实现气压的在线控制；由于气囊工具头与待加工点的相对运动和相对压力，实现对工件表面材料的去除加工。

有益效果：

本发明的优点在于通过调节电推杆的伸缩量改变倾斜底座的二维倾斜，使安装在倾斜底座上的气囊工具产生相应的二维倾斜量；使得在加工过程中，即使光学表面的法线方向发生变化，也能通过调整推杆伸缩量的方法，使气囊工具头的加工轴线与待加工光学表面的法线成固定夹角。

本发明装置依靠电推杆实现气囊工具头的倾斜调整，因此只需要数控机床具备三个直线运动轴就可以实现对光学非球面或自由曲面的加工，降低了对五轴数控机床或机器手的依赖，减小了固定成本投入。

本发明装置的工具基座上可以安装气囊抛光头，其内部气体可通过旋转接头，转动轴、软管、工具基座到达气囊；也可以安装使用其它抛光工具比如传统沥青工具盘等。

本发明装置在实现气囊工具头二维倾斜运动的同时，还可实现绕抛光工具轴的自转运动；结合三自由度精密数控机床，可以实现对光学非球面或自由曲面的去除加工。

附图说明

图1为本发明一种可自倾斜气囊抛光加工装置的整体结构示意图。

图2为本发明装置的剖面示意图。

图3为本发明装置的倾斜底座剖面图。

图4为本发明装置的万向节传动机构剖面图。

图5为本发明装置的转动轴顶视图和剖面图。

图6为本发明装置的安装基座和倾斜底座上球铰安装示意图。

图7为本发明装置的电推杆三维图。

图8为本发明装置的球铰座三维图和剖面图。

图9为本发明装置的安装基座三维图。

图10为本发明装置工具基座三维图。

图11为本发明装置电机基座三维图。

其中，1－旋转电机、2－电机基座、3－第一伞齿轮、4－旋转接头，5－第二伞齿轮、6－安装基座、7－电推杆、8－转动轴、9－万向节传动机构、10－倾斜底座、11－气囊工具头、12－球铰座、13－软管、14－第一轴承、15－工具基座、16－第二轴承、17－球轴承、18－第三轴承、19－第一轴承端盖、20－万向节前轴、21－万向节后轴、22－十字传动架、23－第二轴承端盖、24－橡胶圈槽、25－推杆套筒、26－推杆、27－推杆小电机、28－球铰底座，29－球铰连接头。

具体实施方案

下面结合附图对本发明装置做进一步的说明。

图1为本发明的一种可自倾斜气囊抛光加工装置的整体结构示意图，包括旋转电机1、电机基座2、第一伞齿轮3、旋转接头4、第二伞齿轮5、安装基座6，电推杆7、转动轴8、万向节传动机构9、倾斜底座10、气囊工具头11、球铰座12、软管13、第一轴承14、工具基座15、第二轴承16、球轴承17、第三轴承18、第一轴承端盖19、万向节前轴20、万向节后轴21、十字传动架22、第二轴承端盖23、橡胶圈槽24、推杆套筒25、推杆26、推杆小电机27。

其中，通过安装基座2将整个装置固定在精密数控机床上实现装置的整体运动；旋转电机1通过螺钉固定在电机基座2上，通过销柱与第一伞齿轮3相连；电机基座通过螺钉固定在安装基座6上；第二伞齿轮5通过销柱固定在转动轴8上端，与第一伞齿轮3精密配合，实现齿轮传动；转动轴8上端接旋转接头4，下端与万向节传动机构9中的万向节前轴20相联，并通过第三轴承18和第二轴承端盖固定在安装基座6上；电推杆7上端通过球铰座12固定在安装基座6下表面，下端通过球铰座12与倾斜底座10上表面相连，可使倾斜底座的发生二维倾斜；软管13上与转动轴8相连，下与万向节后轴21相连。

所述旋转电机1的转动，通过第一伞齿轮3、第二伞齿轮5带动转动轴8转动，转动轴8带动万向节传动机构9转动，从而带动工具基座15和安装在其上的气囊工具头11转动。

所述的倾斜底座10通过6个球铰座12分别与6个电推杆7倾斜相连，6个电推杆7分别通过6个球铰座12与安装基座6相连，通过控制6个电推杆的伸长量，可使倾斜底座10绕球轴承17实现二维方向的倾斜调整。

所述第一伞齿轮3和第二伞齿轮5通过齿轮啮合，可根据实际需要选择不同的齿数比，达到改变减速比，以适用不同类型加工曲面的效果。

图2为本发明装置的剖面示意图，包括软管13、第一轴承14、工具基座15、第二轴承16、球轴承17、第三轴承18、第二轴承端盖23。图示为正面视角，轴承端盖23将第三轴承18固定在转动轴8上端，转动轴8与安装基座6相连；倾斜底座10通过球轴承17和第一轴承14相连；工具基底15通过第二轴承16与倾斜底座10接触。

所述气囊工具头11中使用的气体由外部气泵产生，经由旋转接头4、转动轴8、软管13、万向节传动机构9、工具基座15，到达气囊工具头11内部，实现气压的控制和调节。

所述工具基座15与倾斜底座10之间通过第二轴承16相连，当倾斜底座10发生倾斜时，可通过第二轴承16使工具基座15倾斜相同的角度。

图3为本发明装置的倾斜底座剖面图，包括第一轴承14、第二轴承16、球轴承17。倾斜底座10通过球轴承17和第一轴承14相连；当倾斜底座10在发生倾斜时，会绕球轴承17发生定心转动。

图4为本发明装置的万向节传动机构剖面图，包括万向节前轴20、万向节后轴21、十字传动架22、第一轴承端盖19、橡胶圈槽24。其中万向节前轴20和万向节后轴21之间通过十字传动架22相连，可实现空间任意方向的传动；第一轴承端盖19将第一轴承14固定在万向节后轴21上；橡胶圈槽24用于固定O形橡胶圈，起到气体密封作用。

图5为本发明装置的转动轴顶视图和剖面图。转动轴8中间有纵向不通透的长孔，长孔内侧连有横向小孔，使得转动轴8前端与侧面连通。

图6为本发明装置的安装基座和倾斜底座上球铰安装示意图。12个球铰座12分别安装在倾斜底座10和安装基座6上，分别连接6个电推杆7的上下端。

所述球铰座12在倾斜底座10和安装基座6上，两两一组，每个表面安装三组，成正三角形排布。

图7为本发明装置的电推杆三维图，包括推杆套筒25、推杆26、推杆小电机27。推杆小电机27带动位于推杆套筒25内的推杆26做伸缩运动。

图8为本发明装置的球铰座三维图和剖面图，包括球铰底座28和球铰连接头29。球铰连接头29通过前端球头与球铰底座28球接触相连，可实现空间自由旋转。

图9为本发明装置的安装基座三维图。安装基座6通过侧面通过安装孔与数控机床连接；水平面上定位安装孔用于安装电机基座2；水平面上的中孔用于定位第三轴承18和转动轴8。

图10为本发明装置工具基座三维图。工具基座15下部与气囊工具头11连接，上端连接第二轴承16，通过螺纹连接在与转动轴8连接；气体可以通过工具基座的中孔到达气囊工具头11。

图11为本发明装置电机基座三维图。电机基座2通过侧面安装孔固定在安装基底6上，水平面上的定位安装孔用于安装旋转电机1。

Claims (10)

1.一种可自倾斜气囊抛光加工装置，包括旋转电机、电机基座、第一伞齿轮、旋转接头，第二伞齿轮、安装基座、电推杆、转动轴、万向节传动机构、倾斜底座、气囊工具头、球铰座、软管、第一轴承、工具基座、第二轴承、球轴承、第三轴承、第一轴承端盖、万向节前轴、万向节后轴、十字传动架、第二轴承端盖、橡胶圈槽、推杆套筒、推杆、推杆小电机、球铰底座和球铰连接头；

上述组成部分的连接关系为：

安装基座固定在精密数控机床上实现装置的整体运动；旋转电机通过螺钉固定在电机基座上，通过销柱与第一伞齿轮相连；电机基座通过螺钉固定在安装基座上；第二伞齿轮通过销柱固定在转动轴上端，与第一伞齿轮精密配合，实行齿轮传动；转动轴上端接旋转接头，下端与万向节传动机构中的万向节前轴相联，并通过第三轴承和第二轴承端盖固定在安装基座上；安装基座下表面和倾斜底座上表面分别安装有六个球铰座，两两一组，每个表面安装三组成正三角形排布；六个电推杆倾斜排布在安装基座和倾斜底座之间，上端与安装基座下表面的球铰座连接，下端与倾斜底座上表面上相邻的球铰座连接；万向节传动机构包括万向节前轴、十字传动架和万向节后轴，其中万向节前轴和万向节后轴通过十字传动架榜相连，第一轴承端盖将第一轴承固定在万向节后轴上，然后通过球轴承固定在倾斜底座上；软管上端与转动轴相连，下端与万向节后轴相连；轴承端盖将第三轴承固定在转动轴上端，转动轴与安装基座相连；倾斜底座通过球轴承和第一轴承相连；工具基底通过第二轴承与倾斜底座接触；

所述的可自倾斜气囊抛光加工装置的工作过程如下：

根据光学非球面或自由曲面上待加工点的法线，获得气囊工具头转轴相对于水平面的二维倾斜角；调整安装基座和倾斜底座之间每个电推杆的伸缩量，使倾斜底座产生绕球轴承的旋转，实现倾斜底座二维倾斜，然后通过第二轴承使工具基座发生同样的倾斜，最终使安装在倾斜底座上的气囊工具转轴倾斜，并与光学表面待加工点的法线重合；利用精密数控机床移动所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，直至倾斜底座的旋转球心与待加工点的法线重合，且距待加工点的距离为气囊半径减去下压量，实现气囊工具头与待加工点的接触；旋转电机过第一伞齿轮带动第二伞齿轮转动，第二伞齿轮带动转动轴、万向节传动机构、工具基座和气囊工具头一起转动；压缩气体通过旋转接头、转动轴、软管、万向节后轴、工具基座，到达气囊工具头内部，实现气压的在线控制；由于气囊工具头与待加工点的相对运动和相对压力，实现对工件表面材料的去除加工。

2.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述电推杆安装于安装基座和倾斜底座之间，通过调节电推杆的伸缩量，使倾斜底座产生绕球轴承的旋转，实现倾斜底座的二维倾斜。

3.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述倾斜底座可以实现二维方向的倾斜，然后通过第二轴承使工具基座发生同样的倾斜，最终使安装在工具基座上的气囊工具头转轴倾斜，并与光学表面上的待加工点法线重合。

4.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述第一伞齿轮和第二伞齿轮具有相同的模数和齿形；第一伞齿轮固定在旋转电机轴上，第二伞齿轮固定在转动轴上端；根据需要选择不同的齿数比，达到改变减速比，适用不同类型加工曲面的效果。

5.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述气囊工具头中使用的气体由外部气泵产生，经由旋转接头、转动轴、软管、万向节后轴、工具基座，到达气囊工具头内部，实现气囊内部气压的控制和调节。

6.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述气囊工具头中气囊半径与球轴承的旋转中心重合，可以简化所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置的控制方法，降低控制难度。

7.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述工具基座安装气囊抛光工具，或传统沥青盘抛光工具。

8.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述万向节后轴上的橡胶圈槽用于固定O形橡胶密封圈，起到气体密封作用，减小气体泄露。

9.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述球铰座分别安装在安装基座下表面和倾斜底座上表面，两两一组，每个表面安装三组，成正三角形排布。

10.根据权利要求1所述的一种可自倾斜气囊抛光加工装置，其特征在于：所述软管与转动轴和万向节后轴连接处应密封，软管应能承受1MPa压强。

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