CN111958394A - 一种用于抛光的精密力位控制装置 - Google Patents

一种用于抛光的精密力位控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抛光的精密力位控制装置，包括安装底板、导轨底座、交叉滚柱导轨、滑板、光栅、光栅读数头、读数头座、角度传感器、音圈电机磁钢、磁钢底座、音圈电机线圈、压力传感器底座、抛光力传感器、称重传感器、称重传感器底座、测力传感器底座、测力传感器、球铰连接件、电缸滑杆、电缸缸体、制动片以及制动卡钳。该装置设计为纵向使用，具备自重称重功能、平衡自身重量功能、运动位移速度测量功能、压力精密输出功能、抛光压力检测反馈功能、位置闭环功能、姿态监测功能以及快速制动功能等。该装置能够不仅可以输出稳定的抛光压力，还能实现位置闭环控制，以及压力和位置控制的任意切换，有利于提高精密光学加工零件的面形精度。

Description

一种用于抛光的精密力位控制装置
技术领域
本发明属于精密光学加工领域，具体涉及一种用于抛光的精密力位控制装置。
背景技术
目前，精密光学加工领域对光学零件的制造精度提出更苛刻的要求，除了对面形精度与表面粗糙度的高要求以外，还要求光学零件的尺寸尽量更小，这就对加工过程中光学零件边缘效应的控制能力提出了更高的要求。
光学零件加工中的边缘效应问题一直以来都是研制人员重点关注的技术难题，针对不同的加工形式尝试提出了多种解决方案，主要的解决思路之一就是采用可变去除函数来实现边缘局部去除量的控制，并取得了一定的效果。在此，针对接触式抛光技术，发明一种具备可切换压力-位置工作模式的抛光装置，凭此抛光装置可实现精密控制加工外延量的加工方法，即在不对去除函数进行改变的前提下，少量扩大加工范围来间接实现边缘效应的控制。采用该抛光装置可以极小的外形尺寸代价来实现边缘效应的有效抑制。
发明内容
本发明为解决现有接触抛光工具加工零件时边缘效应影响区较宽的问题，提出一种压力和位置工作模式可以相互切换的抛光工具，抛光工具可以输出稳定的抛光压力，抛光工具的运动部分可以实现位置闭环控制，两种模式可以根据需要进行切换，结合精密可控外延量的方法来实现边缘效应的有效抑制。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种用于抛光的精密力位控制装置，具体包括：安装底板、导轨底座、交叉滚柱导轨、滑板、光栅、光栅读数头、读数头座、角度传感器、音圈电机磁钢、磁钢底座、音圈电机线圈、压力传感器底座、抛光力传感器、称重传感器、称重传感器底座、测力传感器底座、测力传感器、球铰连接件、电缸滑杆、电缸缸体、制动片以及制动卡钳等。其中，安装底板上固定安装导轨底座，导轨底座上安装交叉滚柱导轨，交叉滚柱导轨上安装执行直线运动的滑板，滑板在其内部通过螺钉连接固定抛光力传感器，抛光力传感器固定在压力传感器底座，压力传感器底座通过螺钉连接固定音圈电机线圈，音圈电机线圈装配在音圈电机磁钢内部，音圈电机磁钢通过螺钉固定在磁钢底座上，磁钢底座通过螺钉固定在安装底板上，音圈电机线圈电后即推动与之连接的滑板发生直线运动。滑板侧面粘接有光栅，光栅配有光栅读数头安装在读数头座上，读数头座通过螺钉固定在安装底面上，滑板发生位移时，带动光栅同时运动，光栅读数头将识别和反馈滑板的运动情况。角度传感器通过螺钉固定在滑板侧面，用于识别滑板的空间姿态，并将角度信息反馈给后端控制处理部分。称重传感器安装在称重传感器底座内，称重传感器底座固定连接在安装底板上，称重传感器用于获取抛光装置运动部分的重量。测力传感器的一端通过螺钉与测力传感器底座连接固定，测力传感器底座固定连接在滑板内部，测力传感器的另一端与球铰连接件连接，球铰连接件与电缸滑杆连接，电缸滑杆置于电缸缸体内部，测力传感器用于监测滑块上的作用力情况，并反馈给后端的控制处理部分。滑板的另一侧壁安装有制动片，与之配合使用的制动卡钳固定在安装底板上，根据使用需要实现对滑板的制动控制。抛光装置的直线运动部分采用了交叉滚柱导轨，保证了滑板运动过程中的高刚性和低摩擦；采用音圈电机作为驱动电机，使施加抛光压力和位置闭环控制的响应速度快；采用高精度的光栅尺配合高分辨率的光栅读数头，确保滑板运动过程中位置速度的准确反馈与控制；音圈电机和滑板之间安装有抛光压力传感器，可以实时监测反馈实际的抛光压力，用于调整输出端的抛光压力；采用称重传感器，对滑板及其上面安装的抛光工具的总重量进行称重，为后端控制系统进行重力补偿提供系统重力；采用电缸作为平衡重力的输出力来源，采用角度传感器确定滑板姿态并反馈给控制系统，采用测力传感器来检测反馈电缸与滑板及其负载之间的作用力，根据所需平衡重力信息、姿态信息以及测力传感器信息综合控制电缸输出拉力来平衡抛光装置运动部分的重力。
进一步地，滑板连接抛光力传感器，抛光力传感器通过压力传感器座来连接音圈电机线圈，音圈电机线圈置于音圈电机磁钢内部，音圈电机磁钢通过螺钉与磁钢底座连接固定，磁钢底座固定在安装底板上，置于滑板和音圈电机线圈之间的抛光压力传感器可实时测量抛光实际压力大小。
进一步地，光栅粘接在滑板侧面，读取位移信号的光栅读数头安装在读数头座上，读数头座固定在安装底板上，光栅和光栅读数头组成的位置反馈单元可给后端的控制系统提供滑板的实时位置信息。
进一步地，该抛光装置通过音圈电机线圈、音圈电机磁钢、光栅、光栅读数头、抛光力传感器，配合音圈电机驱动器和运动控制系统可以实现输出抛光压力和位置闭环控制两种工作模式，并可以根据需要进行切换。
进一步地，安装底板上安装有称重传感器底座，其上固定称重传感器，用于测量滑板及其附带抛光工具的重量；角度传感器安装在滑板的侧面，用于测量滑板工作姿态下的角度；滑板上固定有测力传感器底座，其上安装有测力传感器，测力传感器另一端连接球铰连接件，球铰连接件连接电缸滑杆，电缸滑杆置于电缸缸体内部；以上零件组成抛光装置自重补偿平衡部分，采用称重传感器获得所需平衡的重量，采用角度传感器获得工作姿态下的角度，采用测力传感器获得工作拉力，汇总以上信息到后端控制系统进行重力补偿运算控制。
进一步地，使用该装置控制边缘效应的具体方法是，加工光学零件表面通光口径范围内及其外延区域时采用压力输出模式，超出外延区域时采用位置控制模式，加工区域改变时相应改变控制方式，对通光口径区域进行少量外延，外延区域内去除函数不改变。
进一步地，制动片安装至滑板侧面，与之配合使用的制动卡钳安装在安装底板上，制动卡钳工作时闭合压紧制动片，使滑板发生制动。
进一步地，用于加工的抛光头通过螺钉固定安装在滑板的上表面工作台，抛光头的形式不限。
本发明的有益效果是：本发明涉及直线运动驱动单元、位置反馈单元、压力输出单元、重力平衡单元以及制动单元，压力输出模式和位置闭环模式可以相互切换，有利于实际使用过程中根据需要灵活控制；本发明采用了称重传感器、拉力传感器、角度传感器以及电缸组成的运动单元重力补偿系统，有利于工具在有效工作角度范围内避免重力对输出压力的影响，从而提升输出压力的稳定性和准确性；本发明采用了压力传感器实时监控反馈实际加工抛光压力，有利于对抛光压力的实时控制；本发明采用了光栅位置反馈装置，有利于运动单元的位置和速度的精确控制；本发明采用了音圈电机作为驱动电机，有利于运动单元的快速响应；本发明采用了交叉滚柱导轨作为运动副，有利于运动单元的刚性。
附图说明
图1为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置正视图；
图2为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置全剖视图；
图3为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置后视图；
图4为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置左视图；
图5为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置右视图；
图6为本发明一种用于抛光的精密力位控制装置结构示意图。
图中附图标记含义为：1为安装底板，2为导轨底座，3为交叉滚柱导轨，4为滑板，5为光栅，6为光栅读数头，7为读数头座，8为角度传感器，9为音圈电机磁钢，10为磁钢底座，11为音圈电机线圈，12为压力传感器底座，13为抛光力传感器，14为称重传感器，15为称重传感器底座，16为测力传感器底座，17为测力传感器，18为球铰连接件，19为电缸滑杆，20为电缸缸体，21为制动片，22为制动卡钳。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
具体实施方式：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种用于抛光的精密力位控制装置，包括：安装底板1、导轨底座2、交叉滚柱导轨3、滑板4、光栅5、光栅读数头6、读数头座7、角度传感器8、音圈电机磁钢9、磁钢底座10、音圈电机线圈11、压力传感器底座12、抛光力传感器13、称重传感器14、称重传感器底座15、测力传感器底座16、测力传感器17、球铰连接件18、电缸滑杆19、电缸缸体20、制动片21以及制动卡钳22。直线驱动单元(包含压力单元)安装在安装底板1上，导轨底座2上安装交叉滚柱导轨3，交叉滚柱导轨副上安装了直线运动的滑板4，音圈电机线圈11通过螺钉连接压力传感器底座12，压力传感器底座12通过螺钉连接抛光力传感器13，抛光力传感器13通过螺钉连接滑板4，音圈电机磁钢9通过螺钉安装磁钢底座10上，磁钢底座10通过螺钉安装在安装底板1上。位置反馈单元中光栅5粘接在滑板4侧面上，光栅读数头6通过螺钉安装在读数头座7上，读数头座7通过螺钉固结在安装底板1上。重力补偿单元由称重和重力补偿两部分组成，称重传感器14用于测量滑板及其上面抛光工具的重量，安装在称重传感器底座15上，称重传感器底座15安装在安装底板1上，重力补偿涉及安装在导轨底座2侧面的角度传感器8，测力传感器17一端安装在测力传感器底座16内，测力传感器底座16安装在滑板4上，测力传感器17的另一端与球铰连接件18连接，球铰连接件18再与电缸滑杆19连接，电缸滑杆19置于电缸缸体20内。滑板4的另一侧壁安装有制动片21，与之配合使用的制动卡钳22安装在安装底板1上。
本发明工作原理为：该抛光装置采用了音圈电机作为驱动单元，采用光栅编码器及光栅读数头作为位置反馈单元，配合使用音圈电机的驱动器，通过运动控制卡方式可以同时实现开环和闭环控制模式，以开环模式可以实现抛光压力的输出，以位置闭环模式可以实现精确的位置控制。将抛光力传感器安装在音圈电机线圈和滑板之间，可以实时检测实际的抛光压力，反馈给控制系统后可以对输出压力进行调整。称重传感器、测力传感器、角度传感器以及电缸共同构成重力补偿系统，称重传感器用于测量滑板及其附带抛光工具的重量，角度传感器用于测量工作位姿，为重力补偿计算提供角度信息，测力传感器检测电缸与重力之间受力情况，并反馈给控制系统。
本实施方式的技术效果是：该抛光装置利用一套运动系统实现抛光压力和位置闭环控制两种工作方式，通过两种方式的切换可以实现边缘效应影响区的有效抑制，有利于显著提高光学零件的加工精度和加工效率。该抛光装置集成了抛光力测量传感器，可以实时监测反馈抛光的工作压力，有利于监控加工过程稳定性。该抛光装置集成了称重传感器、测力传感器、角度传感器以及电缸，可以实现抛光装置在工作姿态下的重力精确补偿，有利于提升加工过程稳定和加工精度。

Claims (8)

1.一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：该装置包括安装底板(1)，导轨底座(2)，交叉滚柱导轨(3)，滑板(4)，光栅(5)，光栅读数头(6)，读数头座(7)，角度传感器(8)，音圈电机磁钢(9)，磁钢底座(10)，音圈电机线圈(11)，压力传感器底座(12)，抛光力传感器(13)，称重传感器(14)，称重传感器底座(15)，测力传感器底座(16)，测力传感器(17)，球铰连接件(18)，电缸滑杆(19)，电缸缸体(20)，制动片(21)和制动卡钳(22)，其中，安装底板(1)上固定安装导轨底座(2)，导轨底座(2)上安装交叉滚柱导轨(3)，交叉滚柱导轨(3)上安装执行直线运动的滑板(4)，滑板(4)在其内部通过螺钉连接固定抛光力传感器(13)，抛光力传感器(13)固定在压力传感器底座(12)，压力传感器底座(12)通过螺钉连接固定音圈电机线圈(11)，音圈电机线圈(11)装配在音圈电机磁钢(9)内部，音圈电机磁钢(9)通过螺钉固定在磁钢底座(10)上，磁钢底座(10)通过螺钉固定在安装底板(1)上，音圈电机线圈(11)通电后即推动与之连接的滑板(4)发生直线运动，滑板(4)侧面粘接有光栅(5)，光栅(5)配有光栅读数头(6)安装在读数头座(7)上，读数头座(7)通过螺钉固定在安装底面(1)上，滑板(4)发生位移时，带动光栅(5)同时运动，光栅读数头(6)将识别和反馈滑板(4)的运动情况，角度传感器(8)通过螺钉固定在滑板(4)侧面，用于识别滑板(4)的空间姿态，并将角度信息反馈给后端控制处理部分，称重传感器(14)安装在称重传感器底座(15)内，称重传感器底座(15)固定连接在安装底板(1)上，称重传感器(14)用于获取抛光装置运动部分的重量，测力传感器(17)的一端通过螺钉与测力传感器底座(16)连接固定，测力传感器底座(16)固定连接在滑板(4)内部，测力传感器(17)的另一端与球铰连接件(18)连接，球铰连接件(18)与电缸滑杆(19)连接，电缸滑杆(19)置于电缸缸体(20)内部，测力传感器(17)用于监测滑块(4)上的作用力情况，并反馈给后端的控制处理部分，滑板(4)的另一侧壁安装有制动片(21)，与之配合使用的制动卡钳(22)固定在安装底板(1)上，根据使用需要实现对滑板(4)的制动控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：滑板(4)连接抛光力传感器(13)，抛光力传感器(13)连接音圈电机线圈(11)，音圈电机磁钢(9)与磁钢底座(10)连接，磁钢底座(10)连接在安装底板(1)上，抛光压力传感器(13)实时测量抛光压力。
3.根据权利要求1所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：光栅(5)粘接在滑板(4)侧面，光栅读数头(6)安装在读数头座(7)上，读数头座(7)固定在安装底板(1)上，光栅(5)和光栅读数头(6)组成位置反馈单元给控制系统提供位置信息。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：该抛光装置通过音圈电机线圈(11)、音圈电机磁钢(9)、光栅(5)、光栅读数头(6)、抛光力传感器(13)，配合音圈电机驱动器和运动控制系统可以实现输出抛光压力和位置闭环控制两种工作模式，并可以根据需要进行切换。
5.根据权利要求1所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：安装底板(1)上连接称重传感器底座(15)，其上连接称重传感器(14)，用于测量滑板(4)及其附带抛光工具的重量；角度传感器(8)安装在滑板(4)的侧面，用于测量工作姿态下的角度；测力传感器底座(16)连接在滑板(4)上，测力传感器底座(16)上安装有测力传感器(17)，测力传感器(17)另一端连接球铰连接件(18)，球铰连接件(18)连接电缸滑杆(19)，电缸滑杆(19)置于电缸缸体(20)内部；以上组成抛光装置自重补偿平衡部分，采用称重传感器(14)获得平衡重量，采用角度传感器(8)获得工作姿态下的角度，采用测力传感器(17)获得工作拉力，汇总以上信息到控制系统进行重力补偿运算控制。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：使用该装置控制边缘效应的具体方法是，加工光学零件表面通光口径范围内及其外延区域时采用压力输出模式，超出外延区域时采用位置控制模式，加工区域改变时相应改变控制方式，对通光口径区域进行少量外延，外延区域内去除函数不改变。
7.根据权利要求1所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：制动片(21)安装至滑板(4)侧面，与之配合使用的制动卡钳(22)安装在安装底板(1)上，制动卡钳(22)工作时闭合压紧制动片(21)，使滑板(4)发生制动。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于抛光的精密力位控制装置，其特征在于：用于加工的抛光头通过螺钉固定安装在滑板(4)的上表面工作台，抛光头的形式不限。
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