CN111230652A - 一种气压可控柔性磨抛系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气压可控柔性磨抛系统，包括轮式气囊磨抛工具和气压控制装置，轮式气囊磨抛工具包括设置在主轴外壳内设有中空电机，中空电机中穿过一相对主轴外壳转动的中空旋转主轴，中空旋转主轴的两端连接气动旋转接头和气囊磨抛轮部件；气压控制装置包括气泵、电气比例阀、数据采集卡、计算机和设置在气囊磨抛轮部件内的压力传感器，开启气泵后，气体到达气囊磨抛轮部件内部，压力传感器将轮式气囊内部的气压信息实时反馈至数据采集卡，计算机实时控制电气比例阀输出气压。本发明不仅可以实现深腔异型面的快速研磨抛光加工，并且通过气囊磨抛轮与深腔异型面柔性接触的特点，从而保证了一定的加工精度。

Description

一种气压可控柔性磨抛系统
技术领域
本发明涉及一种机械制造领域的自由曲面研磨抛光系统，尤其涉及一种气压可控柔性磨抛系统。
背景技术
近年来，随着现代光学和光电子技术的飞速发展，光学元件以及光电子仪器也随着发生着深刻的变化。普通光学元件已经难以满足现代光学工程和光电子技术的发展需求。新型光学元件开始不断的被应用在各种光学仪器以及光电传感器当中，使得光学仪器更加集成化、小型化和阵列化。由于其具备独有的优点，被广泛的应用与航空航天、微电子系统、导航制导以及军事防御等当中。深腔异型光学元件作为新型光学元件的一种，普遍被应用于激光陀螺等新一代光学传感器当中。为了保证激光陀螺等新一代光学传感器的工作精度以及可靠性，在加工过程中，对于激光陀螺等新一代光学传感器对深腔异型表面质量要求极为严格。这就导致了在加工过程中，对于激光陀螺等深腔异型结构光学元件的深腔异型表面的精密加工包括研磨和抛光等过程的加工精度以及加工效率提出了越来越高的要求。因此，如何实现高质量、高精度以及高效率的深腔异型光学元件的精密加工成为新型光学元件加工制造领域待已解决的问题。
虽然目前对于光学元件的超精密加工已经存在计算机控制小工具抛光(CCOS)、磁流变抛光、射流抛光以及气囊抛光等优秀的超精密加工方法，虽然这些抛光方法具有加工精度高、抛光区域可控、去除效果稳定等优点，但是这些精密抛光方法仍然具有局限性，通常只能针对于平面或者非球面等外表面进行精密抛光，然而对于具有深腔异型结构的特殊光学元件，很难通过上述精密抛光方法对其深腔异型面进行加工。而目前对于深腔异型面的抛光方法通常有磨料流抛光和超声辅助振动抛光。磨料流抛光的工作原理使通过压力的作用将含有细微磨粒的粘弹性抛光液挤压通过内腔，通过磨粒对内腔表面的刮擦，实现材料去除。但是由于粘弹性抛光液流速低的缺点，将会导致整体抛光效率下降，同时对于深腔异型面表面粗糙度的下降具有一定的局限性。超声波振动辅助抛光是在普通旋转研磨的基础之上，对抛光头施加了上下高频振动，通过抛光液中的磨粒和深腔异型面相互接触、摩擦和碰撞实现材料的去除。虽然超声波振动辅助抛光在一定程度上提高了加工效率，并且具有较好的加工精度。但是，由于抛光头长时间与内腔表面接触、摩擦，导致抛光头的磨损现象十分严重，从而导致抛光精度和抛光效率的下降。
发明内容
针对上述现有技术光学元件中深腔异型光学元件加工难、加工精度低和效率不高等问题，本发明提出了一种用于深腔异型面的气压可控柔性磨抛系统，不仅可以实现深腔异型面的快速研磨抛光加工，并且通过气囊磨抛轮与深腔异型面柔性接触的特点，从而保证一定的加工精度。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种气压可控柔性磨抛系统，包括磨抛工具和气压控制装置，所述磨抛工具为轮式气囊磨抛工具；所述轮式气囊磨抛工具包括壳体，所述壳体包括主轴外壳和底端盖，所述主轴外壳内设有中空电机，所述中空电机中穿过有一中空旋转主轴，所述中空旋转主轴与所述壳体相对转动；所述中空旋转主轴的上端设有气动旋转接头，所述中空旋转主轴的下端与一中空金属杆的上端连接，所述中空金属杆的下端连接有气囊磨抛轮部件，所述气囊磨抛轮部件包括轮式气囊和磨抛垫，所述金属中空杆的下端设有多个径向出气通孔，所述磨抛垫粘贴在所述轮式气囊的外表面上；所述轮式气囊磨抛工具通过固定夹具与加工设备相连；所述气压控制装置包括气泵、电气比例阀、数据采集卡、计算机和设置在所述轮式气囊内的压力传感器，所述气泵通过连接管路与所述气动旋转接头相连，所述电气比例阀设置在该连接管路上；所述压力传感器、所述电气比例阀和所述气动旋转接头均与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述计算机相连；开启气泵后，气体通过连接管路经过所述气动旋转接头后依次经过所述中空旋转主轴、金属中空杆和径向出气通孔至轮式气囊；所述压力传感器将轮式气囊内部的气压信息实时反馈至数据采集卡，所述计算机根据压力传感器实时反馈的气压信息调节所述电气比例阀输出气压。
进一步讲，本发明所述的气压可控柔性磨抛系统，其中，所述气泵与所述气动旋转接头之间的连接管路上设有储气罐和气源过滤器。
所述径向出气通孔的个数为4个，所述径向出气通孔为圆孔。
所述中空旋转主轴与所述主轴外壳的上部之间、所述中空旋转主轴与所述底端盖之间分别设有滚动轴承。
所述底端盖与所述主轴外壳之间设有密封圈。
所述中空金属杆与中空旋转主轴可为螺纹连接、ER接头连接、BT接头连接等标准连接。
所述轮式气囊由弹性橡胶层与金属旋转轮轴密封粘结构成。
所述金属中空杆与所述金属旋转轮轴之间为可拆卸连接或是不可拆卸连接。
所述磨抛垫为无纺布垫、发泡聚氨酯垫、阻尼布垫和固结磨料垫等研磨或者抛光垫。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中，气动旋转接头可将外部压缩空气运输至装置中，并避免了气管缠绕。
(2)本发明中，可通过气压控制装置实时反馈和调节气囊内部气压，从而可保证气囊磨抛轮部件内部具有稳定的合适的气压。
(3)本发明通过固定夹具与加工设备(数控机床或工业机器人)进行连接，控制磨抛移动轨迹。
(4)本发明适用于磨抛各种平面、非球面、自由曲面等，尤其适用于深腔异型面加工。
(5)本发明适用于磨抛加工各种金属、非金属材料、硬脆材料等。
附图说明
图1为本发明气压可控柔性磨抛系统构成示意图；
图2为本发明中的轮式磨抛工具主视图；
图3为图2中所示A-A位置的剖视图；
图4为本发明气压可控柔性磨抛系统的气压控制流程图。
图中：
1-气动旋转接头 21-主轴外壳 22-底端盖 3-固定夹具
4-中空金属杆 41-径向出气通孔 5-上滚动轴承 6-中空旋转主轴
7-中空电机 8-下滚动轴承 91-金属旋转轮轴 92-气囊
93-磨抛垫 10-深腔异型工件 11-气泵 12-储气罐
13-气源过滤器 14-电气比例阀 15-压力传感器 16-数据采集卡
17-计算机
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，本发明提出的一种气压可控柔性磨抛系统，包括磨抛工具和气压控制装置。
所述磨抛工具为轮式气囊磨抛工具，如图2和图3所示，所述轮式气囊磨抛工具包括壳体，所述壳体包括主轴外壳21和底端盖22，所述主轴外壳21内设有中空电机7，所述中空电机7中穿过有一中空旋转主轴6，所述中空旋转主轴6与所述壳体相对转动，即在所述中空旋转主轴6与所述主轴外壳21的上部之间设有上滚动轴承5，所述中空旋转主轴6与所述底端盖22之间设有下滚动轴承8，所述底端盖22与所述主轴外壳21之间设有密封圈。所述中空旋转主轴6的上端设有气动旋转接头1，所述中空旋转主轴6的下端与一中空金属杆4的上端通过标准件或者螺纹密封固定连接，标准件可为BT接头、ER接头或者其它接头；所述中空金属杆4的下端连接有气囊磨抛轮部件，所述气囊磨抛轮部件包括轮式气囊和磨抛垫93，所述轮式气囊由弹性橡胶层92与金属旋转轮轴91密封粘结构成。所述金属中空杆4与所述金属旋转轮轴91之间为可拆卸连接或是不可拆卸连接，可以设计有凹槽形腔体与轮式气囊连接，所述金属中空杆4的下端设有多个径向出气通孔41，所述中空金属杆4的内部用于运输压缩气体，根据不同长度和不同直径的深腔异型工件的加工需求，更换相应尺寸的气囊磨抛轮部件。本实施例中，所述径向出气通孔41的个数为4个，所述径向出气通孔41为圆孔。所述磨抛垫92粘贴在所述轮式气囊的外表面上，所述磨抛垫93是研磨垫或者抛光垫，为无纺布垫、发泡聚氨酯抛光垫、阻尼布垫和固结磨料垫中的任何一种，根据不同的加工精度需求进行相应更换。加工时，将研磨液或抛光液注入轮式气囊磨抛工具与深腔异型工件内外表面的接触区域，并且可根据不同的加工精度需求使用不同粒度的研磨液或磨抛液。
所述中空电机7通过中空旋转主轴6，为轮式气囊磨抛轮提供高速回转运动，通过气囊磨抛轮做高速回转运动以及紧贴着深腔异形内外表面做确定性轨迹运动，从而实现深腔异型工件内外表面的确定性研磨、抛光工艺。所述轮式气囊磨抛工具通过固定夹具3与加工设备相连，即所述中空旋转主轴6通过固定夹具3安装在数控机床的主轴箱或者工业机器人机器臂上，以此控制柔性磨抛工具机械运动，通过控制移动平台实现磨抛系统末端的气囊磨抛轮紧贴着深腔异形内外表面做确定性轨迹运动。在柔性磨抛过程中，将研磨液或抛光液均匀喷洒至气囊磨抛轮9与深腔异型面接触区域。
如图1和图4所示，所述气压控制装置为轮式气囊磨抛工具内部提供稳定气压，气压控制装置包括气泵11、电气比例阀14、数据采集卡16、计算机17和设置在所述轮式气囊内的压力传感器15，所述气泵11通过连接管路与所述气动旋转接头1相连，为装置内部运输一定气压的压缩空气，压缩空气运输经过中空旋转主轴6，最终到达轮式气囊。
所述电气比例阀14设置在该连接管路上，本实施例中，所述气泵11与所述气动旋转接头1之间的连接管路上还设有储气罐12和气源过滤器13。所述压力传感器15、所述电气比例阀14和所述气动旋转接头1均与所述数据采集卡16相连，从而控制电气比例阀14输出气压，实现对轮式气囊内部气压实时控制，从而控制和稳定气囊磨抛轮与深腔异型面的接触面积，以实现可控确定性柔性研磨抛光。所述数据采集卡16与所述计算机17相连，计算机17中有相应的软件部分，如图2和图3所示，开启气泵11后，气体通过连接管路经过所述气动旋转接头1后依次经过所述中空旋转主轴6、金属中空杆4和径向出气通孔41至轮式气囊；如图1和图4所示，所述压力传感器15将轮式气囊内部的气压信息实时反馈至数据采集卡16，所述计算机17根据压力传感器15实时反馈的气压信息调节所述电气比例阀14输出气压。经过气压控制装置调节后的压缩气体通过气动旋转接头1进入中空电主轴6内，然后经过金属中空杆4导入轮式气囊腔体内；同时，中空电机7带动中空旋转主轴6以驱动轮式气囊旋转。由中空旋转主轴6和设备的移动平台为轮式气囊磨抛工具提供旋转运动和确定性轨迹运动；由气压控制装置为轮式气囊磨抛工具内部提供稳定气压；通过轮式气囊外侧的磨抛垫与被加工工件表面柔性接触，实现研磨抛光加工。
在加工过程中，气压控制装置根据预设气压值调节电气比例阀14输出气压值，同时根据压力传感器15实时反馈的内部气压信息以及电气比例阀14出口气压信息实时控制电气比例阀14输出气压值，以实现对轮式气囊内部气压实时控制，保证轮式气囊磨抛工具内部气压稳定，从而实时控制和稳定气囊磨抛轮与深腔异型面的接触面积。
软件部分的设计属于本领域技术人员为实现控制目的而采取的惯用的技术手段，如图4所示，包括数据采集、数据处理、控制决策、数据转换和数据输出等环节。数据采集环节中，将轮式气囊磨抛工具内部的气压信号通过气压传感器转换为气压模拟信号，通过AD-DA转换模块将气压模拟信号转换成气压数字信号，从而通过数据采集、数据处理将轮式气囊磨抛工具的实时气压反馈至控制决策中，与预设气压进行对比，继而决策出调节气压数字信号，通过数据转换、数据输出获得调节气压模拟信号，从而控制电气比例压力阀输出气压，完成对气囊抛光装置内部气压的实时调节和稳定，从而可调节和稳定气囊磨抛轮外表面与深腔异型面的接触面积，实现确定性可控柔性加工。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种气压可控柔性磨抛系统，包括磨抛工具和气压控制装置，其特征在于，所述磨抛工具为轮式气囊磨抛工具；
所述轮式气囊磨抛工具包括壳体，所述壳体包括主轴外壳(21)和底端盖(22)，所述主轴外壳(21)内设有中空电机(7)，所述中空电机(7)中穿过有一中空旋转主轴(6)，所述中空旋转主轴(6)与所述壳体相对转动；所述中空旋转主轴(6)的上端设有气动旋转接头(1)，所述中空旋转主轴(6)的下端与一中空金属杆(4)的上端连接，所述中空金属杆(4)的下端连接有气囊磨抛轮部件，所述气囊磨抛轮部件包括轮式气囊和磨抛垫(93)，所述金属中空杆(4)的下端设有多个径向出气通孔(41)，所述磨抛垫(92)粘贴在所述轮式气囊的外表面上；所述轮式气囊磨抛工具通过固定夹具(3)与加工设备相连；
所述气压控制装置包括气泵(11)、电气比例阀(14)、数据采集卡(16)、计算机(17)和设置在所述轮式气囊内的压力传感器(15)，所述气泵(11)通过连接管路与所述气动旋转接头(1)相连，所述电气比例阀(14)设置在该连接管路上；所述压力传感器(15)、所述电气比例阀(14)和所述气动旋转接头(1)均与所述数据采集卡(16)相连，所述数据采集卡(16)与所述计算机(17)相连；开启气泵(11)后，气体通过连接管路经过所述气动旋转接头(1)后依次经过所述中空旋转主轴(6)、金属中空杆(4)和径向出气通孔(41)至轮式气囊；
所述压力传感器(15)将轮式气囊内部的气压信息实时反馈至数据采集卡(16)，所述计算机(17)根据压力传感器(15)实时反馈的气压信息调节所述电气比例阀(14)输出气压。
2.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述气泵(11)与所述气动旋转接头(1)之间的连接管路上设有储气罐(12)。
3.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述气泵(11)与所述气动旋转接头(1)之间的连接管路上设有气源过滤器(13)。
4.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述径向出气通孔(41)的个数为4个，所述径向出气通孔(41)为圆孔。
5.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述中空旋转主轴(6)与所述主轴外壳(21)的上部之间、所述中空旋转主轴(6)与所述底端盖(22)之间分别设有滚动轴承。
6.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述底端盖(22)与所述主轴外壳(21)之间设有密封圈。
7.根据权利要求1所述的新型轮式气囊抛光装置，其特征在于，所述中空金属杆(4)与中空旋转主轴(6)之间的连接为螺纹连接、ER接头连接、BT接头连接中的一种。
8.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述轮式气囊由弹性橡胶层(92)与金属旋转轮轴(91)密封粘结构成。
9.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述金属中空杆(4)与所述金属旋转轮轴(91)之间为可拆卸连接或是不可拆卸连接。
10.根据权利要求1所述的气压可控柔性磨抛系统，其特征在于，所述磨抛垫(93)为无纺布垫、发泡聚氨酯垫、阻尼布垫和固结磨料垫中的任何一种。
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