CN111070024A - 一种h30立式精密球面加工装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H30立式精密球面加工装置及操作方法，包括工作台、研磨液箱和连接件，研磨液箱呈对称设置于工作台两侧，并与工作台通过黏胶粘合；研磨液箱的一侧设有供液泵，且供液泵与研磨液箱连通；工作台顶部设有向该工作台内凹陷的研磨液槽，研磨液槽与供液泵通过管道连通；研磨液箱的顶部分别设有直通管和蛇形软管，且直通管底端与研磨液箱连通，直通管顶端与蛇形软管底端连通；研磨液槽中心位置安装有直立状伺服电机，具有多种加工研磨方式，有效根据球面磨削去量，从而大大提高了磨削效率，同时打磨球面不易塌边，也不会造成磨料浪费。

Description

一种H30立式精密球面加工装置及操作方法

技术领域

本发明涉及加工装置技术领域，具体讲是一种H30立式精密球面加工装置及操作方法。

背景技术

一般球面精密球面研磨大都采用成型法技术，即用同样大小尺寸的球头研磨凹球面，用同样熊尺寸的球碗研磨凸球面，此研具俗称球托，球面磨头按余弦规律磨削去量，优点是效率高，缺点是应力大，需要用大量的球头、球碗研具，一般研磨一个高精度的球面需要几十个研具，研具还要经常修复，加工成本极高。和光学透镜加工用球面研磨机相比较，由于光学透镜球面研磨机采用了近似球面摇摆法，不具备范成法原理，球面极易塌边，但在光学透镜修边工序中，可将球面塌边部分去掉，目前，在光学透镜球面加工中还在采用。

精密珩磨是从精密研磨的基础上发展起来的，目前国内高精度精密球面加工主要还是以研磨为主，精密球面珩磨机较少。研磨是一种重要的超精密加工方法，目前精密球面普遍采用的传统研磨方法是散粒磨料研磨，主要优点是加工精度高，表面质量高，几乎可以加工任何固态的材料。随着社会的进步，人们对产品性能的要求日益提高(产品性能的主要因素包括其构件的加工精度和加工质量)，研磨加工以其加工精度和加工质量高而再次受到人们的关注。特别是近几年信息技术、光学技术的发展，对光学零件不仅需求量增大，而且对其质量、精度都提出了很高的要求，而研磨作为精密零件、光学零件一种重要的加工方法，起着不可替代的作用。因此许多从事研磨加工技术研究，其宗旨都是进一步提高研磨加工效率、加工精度、减低加工成本。但研磨也存在着一些缺点，如：

a)磨粒散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效率低。

b)磨料与从工件磨下的碎削混淆在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高效率还要经常将磨料与碎削一起清洗掉，这既浪费了能源，又浪费了磨料。

c)磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度不确定因素，降低了加工精度的稳定性。

d)在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，既磨料磨磨料，加重了磨料和能源的浪费。

e)在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为提高工件表面质量，散粒研磨对磨料的尺寸均匀性要求较高。

f)研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。

g)在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘要求三个磨盘相互对研，既费事麻烦，又对工人操作技术水平要求高。

h)为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研加工中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗。

i)污染环境。

j)工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。

k)压砂效应：较硬的磨粒容易嵌入较软的工件表面内，影响工件的使用性能。

l)研磨是一个复杂的物理化学过程，在工件表面容易起化学反应，产生变质层，对有功能要求的表面会影响工件性能。

传统的散粒磨料研磨正是因为存在着上述这些缺点，使得应用受到了一定的限制。高精度球面数控珩磨机是将微粒磨料固结起来，制成专用磨具，所用的专用磨具是根据工件的材料、工件的要求，用不同的磨料制成专用磨具，或用磨料制成精磨片，再用精磨片制成不同形状的磨具。精密珩磨较好的解决了传统的散粒磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能提高研磨加工效率，而研磨效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍。

随着科学技术的进步，精密球面零件的应用越来越广泛，精度越来越高，对加工效率的要求越来越高。依据市场需求，研发一种高精度、高效、全自动化的精密球面加工单元势在必行。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种H30立式精密球面加工装置及操作方法，具有多种加工研磨方式，有效根据球面磨削去量，从而大大提高了磨削效率，同时打磨球面不易塌边，也不会造成磨料浪费。

本发明是这样实现的，构造一种H30立式精密球面加工装置，包括工作台、研磨液箱和连接件，研磨液箱呈对称设置于工作台两侧，并与工作台通过黏胶粘合；研磨液箱的一侧设有供液泵，且供液泵与研磨液箱连通；工作台顶部设有向该工作台内凹陷的研磨液槽，研磨液槽与供液泵通过管道连通；研磨液箱的顶部分别设有直通管和蛇形软管，且直通管底端与研磨液箱连通，直通管顶端与蛇形软管底端连通；研磨液槽中心位置安装有直立状伺服电机，且伺服电机的电机轴套接有夹持头；连接件一侧设有夹具，且夹具内嵌入卡接有刀具，刀具的表面嵌套设置有千分表支架，且千分表支架的表面嵌入设置有千分表，刀具的研磨头为圆筒形结构。

进一步的，伺服电机与外部工业交流电源电连接，通过外部电源启动伺服电机使电机轴稳定带动夹持头转动，同时夹持头能够有效将待加工件进行夹持。

进一步的，直通管的一侧安装有水阀，通过设置的水阀能够控制研磨液的通量，同时供液泵设有两个通管，一个用于将研磨液箱中的研磨液抽入直通管中，另一个将研磨液槽中的研磨液抽入研磨液箱中。

进一步的，蛇形软管的底端连接有喷头，通过设置的喷头用于将研磨液喷洒于工件表面，防止工件因研磨发热而造成损坏。

进一步的，连接件的一侧设有与外部机械臂连接的轴套，通过设置的轴套将连接件与机械手臂进行稳定连接，通过自动控制机械手控制刀具的行走。

本发明通过改进在此提供一种H30立式精密球面加工装置，与现有H30立式精密球面加工装置相比，具有如下优点：具有多种加工研磨方式，有效根据球面磨削去量，从而大大提高了磨削效率；打磨球面不易塌边，也不会造成磨料浪费。具体体现为：

优点1：本发明采用了先进的范成法球面弹性展成原理，设计、研发了精密球面加工装置，用少量的磨头可以成批量的研磨出高精度球面，极大地减小了研磨加工成本，提高了精密球面加工精度。为了保证高精度和高效率。

优点2：设计了两套研磨液循环系统，依据现代精密球面研磨技术发展，实现了以研磨替代研磨技术，开发了既能研磨又能研磨，珩研兼顾的H30立式精密球面珩研加工中心，提高了球面加工的技术先进性。

优点3：设计了自动精密球面弓高弦长相对测量装置，解决了精密球面珩研磨加工过程中的自动在线测量问题，显著提高了球面加工效率，精密研磨是从精密研磨的基础上发展起来的，目前国内高精度精密球面加工主要还是以研磨为主，精密球面研磨机较少。研磨是一种重要的超精密加工方法，目前精密球面普遍采用的传统研磨方法是散粒磨料研磨，主要优点是加工精度高，表面质量高，几乎可以加工任何固态的材料。

附图说明

图1是本发明的H30立式精密球面加工装置结构示意图；

图2是本发明的H30立式精密球面加工装置的加工示意图之一；

图3是本发明的H30立式精密球面加工装置的加工示意图之二；

图中所示序号：工作台1、研磨液槽101、伺服电机102、研磨液箱2、供液泵201、直通管 202、蛇形软管203、喷头204、水阀205、连接件3、夹具301、刀具4、夹持头5、千分表6和千分表支架601。

具体实施方式

下面将结合附图1-图3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”“上、下、左、右”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；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。

本发明通过改进在此提供一种H30立式精密球面加工装置，如图1-图3所示，可以按照如下方式予以实施；包括工作台1、研磨液箱2和连接件3，研磨液箱2呈对称设置于工作台 1两侧，并与工作台1通过黏胶粘合；研磨液箱2的一侧设有供液泵201，且供液泵201与研磨液箱2连通；工作台1顶部设有向该工作台1内凹陷的研磨液槽101，研磨液槽101与供液泵201通过管道连通；研磨液箱2的顶部分别设有直通管202和蛇形软管203，且直通管 202底端与研磨液箱2连通，直通管202顶端与蛇形软管203底端连通；研磨液槽101中心位置安装有直立状伺服电机102，且伺服电机102的电机轴套接有夹持头5；连接件3一侧设有夹具301，且夹具301内嵌入卡接有刀具4，刀具4的表面嵌套设置有千分表支架601，且千分表支架601的表面嵌入设置有千分表6，刀具4的研磨头为圆筒形结构。

本发明中，伺服电机102与外部工业交流电源电连接，通过外部电源启动伺服电机102 使电机轴稳定带动夹持头5转动，同时夹持头5能够有效将待加工件进行夹持；直通管202 的一侧安装有水阀205，通过设置的水阀205能够控制研磨液的通量，同时供液泵201设有两个通管，一个用于将研磨液箱2中的研磨液抽入直通管202中，另一个将研磨液槽101中的研磨液抽入研磨液箱2中；蛇形软管203的底端连接有喷头204，通过设置的喷头204用于将研磨液喷洒于工件表面，防止工件因研磨发热而造成损坏；连接件3的一侧设有与外部机械臂连接的轴套，通过设置的轴套将连接件3与机械手臂进行稳定连接，通过自动控制机械手控制刀具4的行走。

实施例一：范成法弹性自动跟踪球面展成原理图2所示，说明书附图2中刀具4、球面零件、夹持头5，α主轴角速度、β摆动角速度、γ磨头角速度、F珩研磨压力、X磨头进给位移。范成法是指模拟球面运动轨迹，弹性自动跟踪球面展成是指在弹性力作用下保证球面展成的一致性，即精度稳定性，一方面在弹性力作用条件下保证了磨头始终保持压在球面上与保证了与球面的可靠贴合，另一方面当运动机构产生误差时弹性加载力迫使磨头随运动误差而随动，消除了由于运动机构误差对超精密球面加工精度的影响，刀具4为一圆筒形结构，当刀具4圆筒口部与球面零件的球面稳定、可靠的接触时，接触面为一圆，在研磨加工时，在磨粒的作用下，刀具4圆筒口逐渐被研磨为一个球面圆环，球面圆环即为球面上的一个微分球面圆环，在α、β、γ三个运动方式驱动下，在始终指向球心的弹性加载力F的作用下，磨头按照球面运动轨迹运动，实现了范成法弹性自动跟踪超精密球面展成原理，X为磨头自动进给位移，以便于磨头自动施加珩研磨压力F，卸除珩研磨压力F，从加工原理上保证了超精密球面加工的高精度和先进性。

实施例二：在线精密球径自动测量装置包括有千分表6、千分表支架601、球面零件、夹持头5；其中，千分表6固定在千分表支架601上，由气动元件自动驱动进给，进给位移Z，进给力Fq，驱使千分表支架601的孔口压在被测量球面零件的球面上，同时千分表6的测头压在被测量球面零件的球面上，读取实千分表6的读数即为弓高值，千分表支架601的孔口直径Φ即为弦长，此处弦长为常值，弦长误差为零，现了自动精密球面弓高弦长法球径测量：依据相交弦定律由R＝(h2-L2)/2h，公式1；

式中L＝Φ/2；

其误差模型为ΔR＝Δh{cos(α/2)/[cos(α/2)-1]}+ΔLcot(α/4)公式2；

由于弦长为孔口直径，可视为常值，即ΔL＝0；

则有ΔR＝Δh{cos(α/2)/[cos(α/2)-1]}公式3；

从公式3可见，当α/2＝90°时ΔR为0，由于结构的限制，一般取α/2＝60°；

则有ΔR＝—Δh，这里“－”表示在测量球面时，h值增大时R值减小，h值减小时R值增大。在精密加工过程中，先用标准的工件定标并定为零位，依据球径公差要求，设置上限界限，在界限内的为合格，反之为不合格。

通过大量工艺试验和工艺研究，提出了专用精密珩研磨工艺，实现了高精度、高效率的精密球面加工，通过创建精密加工误差数学模型和工艺试验，创建了针对不同材料、结构、精度、尺寸的精密球面加工最佳工艺参数组合序列。例如最佳工艺参数组合中第7序列组合为柱塞球头珩研磨的工艺参数组合，见表1。表1中的工艺参数均可在操作界面上设置，磨头参数是在磨头制作过程中按表1的磨头参数制作好的，直接选用即可。

表1最佳工艺参数组合序列07(柱塞球头)

该种H30立式精密球面加工装置的工作原理：先将加工件通过夹持头5进行夹持，并将刀具4通过夹具301进行夹紧，随后将连接件3与机械手臂进行稳定连接，通过自动控制机械手操作刀具4行走，随后外部电源启动伺服电机102使电机轴稳定带动夹持头5转动，在加工过程中，将供液泵201的电源接通，打开水阀205使研磨液箱2中的研磨液抽入直通管202中并通过蛇形软管203从喷头204喷出，喷洒于工件表面，防止工件因研磨发热而造成损坏。

综上；本发明H30立式精密球面加工装置，与现有H30立式精密球面加工装置相比，具有多种加工研磨方式，有效根据球面磨削去量，从而大大提高了磨削效率，同时打磨球面不易塌边，也不会造成磨料浪费。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种H30立式精密球面加工装置，包括工作台（1）、研磨液箱（2）和连接件（3），其特征在于：所述研磨液箱（2）呈对称设置于工作台（1）两侧，并与工作台（1）通过黏胶粘合；所述研磨液箱（2）的一侧设有供液泵（201），且所述供液泵（201）与研磨液箱（2）连通；所述工作台（1）顶部设有向该工作台（1）内凹陷的研磨液槽（101），所述研磨液槽（101）与供液泵（201）通过管道连通；所述研磨液箱（2）的顶部分别设有直通管（202）和蛇形软管（203），且所述直通管（202）底端与研磨液箱（2）连通，所述直通管（202）顶端与蛇形软管（203）底端连通；所述研磨液槽（101）中心位置安装有直立状伺服电机（102），且所述伺服电机（102）的电机轴套接有夹持头（5）；所述连接件（3）一侧设有夹具（301），且所述夹具（301）内嵌入卡接有刀具（4），所述刀具（4）的表面嵌套设置有千分表支架（601），且所述千分表支架（601）的表面嵌入设置有千分表（6），所述刀具（4）的研磨头为圆筒形结构。

2.根据权利要求1所述的H30立式精密球面加工装置，其特征在于：所述伺服电机（102）与外部工业交流电源电连接。

3.根据权利要求1所述的H30立式精密球面加工装置，其特征在于：所述直通管（202）的一侧安装有水阀（205）。

4.根据权利要求1所述的H30立式精密球面加工装置，其特征在于：所述蛇形软管（203）的底端连接有喷头（204）。

5.根据权利要求1所述的H30立式精密球面加工装置，其特征在于：所述连接件（3）的一侧设有与外部机械臂连接的轴套。

6.H30立式精密球面加工装置的操作方法，其特征在于：模拟球面运动轨迹，在弹性力作用下保证球面展成的一致性，在弹性力作用条件下保证了磨头始终保持压在球面上与保证了与球面的可靠贴合，当运动机构产生误差时弹性加载力迫使磨头随运动误差而随动，当刀具（4）圆筒口部与球面零件的球面稳定、可靠的接触时，接触面为一圆；在研磨加工时，在磨粒的作用下，刀具（4）圆筒口逐渐被研磨为一个球面圆环，球面圆环即为球面上的一个微分球面圆环，在α主轴角速度、β摆动角速度、γ磨头角速度三个运动方式驱动下，在始终指向球心的弹性加载力F的作用下，磨头按照球面运动轨迹运动，X为磨头自动进给位移，便于磨头自动施加珩研磨压力F，卸除珩研磨压力F。

7.H30立式精密球面加工装置的操作方法，其特征在于：千分表（6）由气动元件自动驱动进给，进给位移Z，进给力Fq，驱使千分表支架（601）的孔口压在被测量球面零件的球面上，同时千分表（6）的测头压在被测量球面零件的球面上，读取实千分表（6）的读数即为弓高值，千分表支架（601）的孔口直径Φ即为弦长，此处弦长为常值，弦长误差为零；依据相交弦定律由R=（h2-L2）/2h，公式1；式中L=Φ/2；

其误差模型为ΔR=Δh｛cos(α/2)／［cos(α/2)-1］｝+ΔLcot（α/4）公式2；

由于弦长为孔口直径，可视为常值，即ΔL=0；

则有ΔR=Δh｛cos(α/2)／［cos(α/2)-1］｝公式3；

从公式3可见，当α/2=90°时ΔR为0，由于结构的限制，一般取α/2=60°；

则有ΔR=—Δh，这里“－”表示在测量球面时，h值增大时R值减小，h值减小时R值增大；在精密加工过程中，先用标准的工件定标并定为零位，依据球径公差要求，设置上限界限，在界限内的为合格，反之为不合格。

8.根据权利要求6或7所述的H30立式精密球面加工装置的操作方法，其特征在于,粗珩过程中，粗珩α主轴角速度61r/min、粗珩β摆动角速度57r/min、粗珩摆幅±45°、粗珩γ磨头角速度500r/min、粗珩F珩研磨压力50N、粗珩时间80s。

9.根据权利要求6或7所述的H30立式精密球面加工装置的操作方法，其特征在于,精珩过程中，精珩α主轴角速度30r/min、精珩β摆动角速度57r/min、精珩摆幅±45°、精珩γ磨头角速度1200r/min、精珩F珩研磨压力20N、精珩时间10s。

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