CN112157561B - 一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，包括底座、主轴、抛光盘、支撑单元、进给单元、测量单元、修整单元和计算机；所述的进给单元、测量单元与修整单元分别安装在支撑单元上。本发明支持双工位同时抛光加工。进给单元在加工过程中可带动工件沿复杂轨迹运动，从而提高工件与抛光盘接触的均匀性，进而提高抛光精度。测量单元可在位测量抛光盘表面的面形、对抛光机的加工稳定性进行评价，从而指导抛光盘表面的修整或更换。修整单元可以在位修整抛光盘表面，使其面形精度提升，进而保证抛光机的加工精度。本发明实现抛光盘面形的在位修整，使抛光机始终保持良好的加工状态，进而保证工件的面形精度与表面质量、降低废品率。

Description

一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别是激光晶体、蓝宝石、光学窗口等大尺寸平面构件的抛光加工，也可用于陶瓷片、硅片等材料的抛光加工。具体涉及一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机。
背景技术
在抛光加工过程中，工件的自转以及工件沿抛光盘径向的往复运动可以提高工件与抛光盘之间相对运动的复杂性，从而使加工面上的各点与抛光盘表面的接触更加处分、去除率分布更加均匀，进而使抛光后的工件面形精度更高、表面质量更佳。
抛光液的化学腐蚀作用以及机械摩擦作用会让抛光盘表面的面形精度下降，从而造成工件与抛光盘表面之间的接触不均匀，最终导致工件的面形精度下降。因此，有必要对抛光盘的面形进行测量，实时监控其表面的变形情况。若通过平面度仪或三坐标测量机等设备对抛光盘的面形进行测量，则需要将抛光盘拆卸，但二次装夹过程中会引入新的变形，从而导致测量结果不准确。因此，有必要发明一种带有抛光盘面形在位测量与修整功能的抛光机，可以在位进行抛光盘面形检测，实时评价抛光机的加工稳定性，在抛光盘面形精度较低时利用在位修整功能对抛光盘面形进行修整，使抛光机保持良好的加工能力，进而保证工件的面形精度与表面质量。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能保证大尺寸工件的面形精度与表面质量的具有盘面在位测量与修整功能的抛光机。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，包括底座、主轴、抛光盘、支撑单元、进给单元、测量单元、修整单元和计算机；所述的底座为三角形结构，其上表面具有四个安装面，四个安装面通过一次走刀加工而成，其中一个安装面位于中心处用于安装主轴，其余三个安装面位于三个角用于安装支撑单元；抛光盘的直径大于等于20000mm，安装在主轴的上方且与主轴同轴，主轴为抛光盘的旋转提供动力；
所述的进给单元、测量单元与修整单元分别安装在支撑单元上；
所述的支撑单元包括立柱、调整垫铁、梁架、中心支柱和分离器；所述的立柱有三根、三根立柱分别安装在底座的三个角上，每个立柱的上表面都安装调整垫铁，调整垫铁的上表面安装梁架，梁架是由三条横梁焊接而成的Y形结构，三条横梁与三根立柱相对应；三个调整垫铁用于调整梁架的水平状态；中心支柱安装在底座的中心处，贯穿主轴与抛光盘的中心孔；中心支柱的上表面安装分离器，分离器的上表面与梁架下表面的相连；在抛光机加工过程，分离器的下端与中心支柱连接，用于支撑梁架；在更换抛光盘上的抛光垫的时候，分离器的下端与中心支柱分离形成空隙，方便抛光垫的置入；
所述的进给单元包括进给电机、进给丝杠、进给滑台、进给导轨、主动轮电机、主动轮、从动轮与工件；所述的进给单元有两套，分别安装在梁架的第一横梁和第二横梁的侧面；进给电机带动进给丝杠旋转，从而驱动进给滑台沿进给导轨移动；进给滑台的下部与水平圆弧状支架连接，水平圆弧状支架的下部安装有一个主动轮和两个从动轮；所述的主动轮和两个从动轮与工件滚动接触，所述的主动轮与主动轮电机连接、通过摩擦力驱动工件自转；从动轮用于限制工件的位置，使其无法脱离进给单元；
所述的进给单元在抛光加工过程中，既通过主动轮电机驱动工件自转，又通过进给电机驱动工件沿抛光盘的径向往复运动；
所述的测量单元包括气浮转台、摆臂与位移传感器，所述的气浮转台是一种高精度回转平台，通过压缩空气维持其轴向跳动在1μm之内；所述的气浮转台安装在梁架的第三横梁下部，气浮转台的回转轴与抛光盘表面垂直；所述的摆臂的一端固定在气浮转台的回转台面上、另一端安装位移传感器；位移传感器用于测量抛光盘表面的高度值，测量精度为1μm；
在抛光机加工过程中，通过抛光盘旋转以及摆臂摆动的联动，位移传感器测量抛光盘全口径范围内若干点的高度值，且测量点的分布呈螺线形；计算机将位移传感器测量的高度值拟合出曲面并计算出抛光盘表面的平面度；
所述的修整单元包括水平电机、水平丝杠、水平导轨、水平滑台、竖直电机、竖直丝杠、竖直导轨、竖直滑台、电主轴与砂轮；所述的修整单元安装在梁架的第三横梁的侧面；所述的水平导轨与抛光盘表面平行、固定在第三横梁的侧面，水平电机带动水平丝杠转动，从而带动水平滑台沿着水平导轨滑动；所述的竖直导轨与抛光盘表面垂直，固定在水平滑台上；竖直电机带动竖直丝杠转动，从而带动竖直滑台沿着竖直导轨滑动；所述的竖直滑台上安装电主轴，电主轴的中心轴线与抛光盘表面垂直；在电主轴的下端安装砂轮，砂轮的端面与抛光盘表面平行。
进一步地，所述的摆臂的长度为抛光盘半径的一半。
进一步地，所述的调整垫铁具有蜗轮蜗杆结构，旋转调整垫铁的旋钮使其上表面上升或下降，从而分别调整梁架的三条横梁的高度，进而调整梁架的水平，并且具有自锁性。
进一步地，所述的分离器具有蜗轮蜗杆结构，旋转分离器的旋钮使分离器与中心支柱的上表面分离或连接，并且具有自锁性。
进一步地，所述的修整单元在进行抛光盘面形在位修整之前，进行对刀操作；所述的对刀操作的步骤如下：
A、使砂轮低速旋转，并且移动竖直滑台使其不断靠近抛光盘的表面，当恰好发生接触时沿着水平滑台将砂轮移动至抛光盘的外侧；
B、所述的对刀操作结束后，再次移动竖直滑台使砂轮向下移动距离Ap，Ap即为修整量，Ap由平面度ΔF确定，Ap＝～ΔF。
进一步地，所述的两个从动轮安装在水平圆弧状支架的两端、主动轮安装在水平圆弧状支架的中部。
进一步地，所述的水平圆弧状支架具有150度及以上的圆弧。
本发明的有益效果是：
1、本发明在抛光过程中，可以实现工件自转以及工件沿抛光盘径向往复运动的联动，提高工件与抛光盘之间相对运动的复杂性，从而使加工面上的各点与抛光盘表面的接触更加充分、去除率分布更加均匀，进而使抛光后的工件面形精度更高、表面质量更佳；
2、本发明的修整单元可实现砂轮沿抛光盘径向与轴向的移动，同时电主轴驱动砂轮高速旋转(转速5000r/min以上。通过抛光盘旋转运动与砂轮沿抛光盘径向移动的联动，砂轮可以对抛光盘表面进行修整，提升抛光盘的面形精度；
3、本发明实现抛光盘面形的在位测量，高效、准确地评价抛光机的加工稳定性，为抛光盘的修整或更换提供重要依据；
4、本发明实现抛光盘面形的在位修整，使抛光机始终保持良好的加工状态，进而保证工件的面形精度与表面质量、降低废品率。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的轴测图；
图3为图2的俯视图；
图4为进给单元的轴测图；
图5为测量单元的轴测图；
图6为抛光盘面形在位测量的测量点分布图；
图7为抛光盘面形在位测量的原理图；
图8为修整单元的轴测图；
图9为调整垫铁的示意图；
图10为分离器与中心支柱连接状态的示意图；
图11为分离器与中心支柱分离状态的示意图；
图中：1-底座，2-主轴，3-抛光盘，4-立柱，5-调整垫铁，6-梁架，7-中心支柱，8-分离器，9-进给电机，10-进给丝杠，11-进给滑台，12-进给导轨，13-主动轮电机，14-主动轮，15-从动轮，16-工件，17-气浮转台，18-摆臂，19-位移传感器，20-水平电机，21-水平丝杠，22-水平导轨，23-水平滑台，24-竖直电机，25-竖直丝杠，26-竖直导轨，27-竖直滑台，28-电主轴，29-砂轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-11所示，一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，包括底座1、主轴2、抛光盘3、支撑单元、进给单元、测量单元、修整单元和计算机；所述的底座1为三角形结构，其上表面具有四个安装面，四个安装面通过一次走刀加工而成，其中一个安装面位于中心处用于安装主轴2，其余三个安装面位于三个角用于安装支撑单元；抛光盘3的直径大于等于20000mm，安装在主轴2的上方且与主轴2同轴，主轴2为抛光盘3的旋转提供动力；
所述的进给单元、测量单元与修整单元分别安装在支撑单元上；
所述的支撑单元包括立柱4、调整垫铁5、梁架6、中心支柱7和分离器8；所述的立柱4有三根、三根立柱4分别安装在底座1的三个角上，每个立柱4的上表面都安装调整垫铁5，调整垫铁5的上表面安装梁架6，梁架6是由三条横梁焊接而成的Y形结构，三条横梁与三根立柱4相对应；三个调整垫铁5用于调整梁架6的水平状态；中心支柱7安装在底座1的中心处，贯穿主轴2与抛光盘3的中心孔；中心支柱7的上表面安装分离器8，分离器8的上表面与梁架6下表面的相连；在抛光机加工过程，分离器8的下端与中心支柱7连接，用于支撑梁架6；在更换抛光盘3上的抛光垫的时候，分离器8的下端与中心支柱7分离形成空隙，方便抛光垫的置入；
所述的进给单元包括进给电机9、进给丝杠10、进给滑台11、进给导轨12、主动轮电机13、主动轮14、从动轮15与工件16；所述的进给单元有两套，分别安装在梁架6的第一横梁和第二横梁的侧面；进给电机9带动进给丝杠10旋转，从而驱动进给滑台11沿进给导轨12移动；进给滑台11的下部与水平圆弧状支架连接，水平圆弧状支架的下部安装有一个主动轮14和两个从动轮15；所述的主动轮14和两个从动轮15与工件16滚动接触，所述的主动轮14与主动轮电机13连接、通过摩擦力驱动工件16自转；从动轮15用于限制工件16的位置，使其无法脱离进给单元；
所述的进给单元在抛光加工过程中，既通过主动轮电机13驱动工件16自转，又通过进给电机9驱动工件16沿抛光盘3的径向往复运动；
所述的测量单元包括气浮转台17、摆臂18与位移传感器19，所述的气浮转台17是一种高精度回转平台，通过压缩空气维持其轴向跳动在1μm之内；所述的气浮转台17安装在梁架6的第三横梁下部，气浮转台17的回转轴与抛光盘3表面垂直；所述的摆臂18的一端固定在气浮转台17的回转台面上、另一端安装位移传感器19；位移传感器19用于测量抛光盘3表面的高度值，测量精度为1μm；
在抛光机加工过程中，通过抛光盘3旋转以及摆臂18摆动的联动，位移传感器19测量抛光盘3全口径范围内若干点的高度值，且测量点的分布呈螺线形(如图6)；
如图7所示，XOY为绝对坐标系，xoy为抛光盘表面坐标系，气浮转台17中心与X轴的距离为e，与Y轴的距离为d，摆臂18的长度为l；
若测量点之间的时间间隔为T，则在XOY坐标系内，第i个测量点的摆角可表示为：
αi＝ω0*T*i
在xoy坐标系内，第i个测量点的角度可表示为：
θi＝-ω1*T*i+tan-1[(l*sin(-αi)+e)/(l*cos(-αi)+d)]
在xoy坐标系内，第i个测量点距圆心的距离可表示为：
ri＝[(l*sin(-αi)+e)2+(l*cos(-αi)+d)2]1/2
若第i个测量点的高度值为hi，则抛光盘表面第i个测量点的坐标可表示为：
(xi，yi，zi)＝(ri·cosθi，ri·sinθi，hi)
对抛光盘表面n个点进行测量，可得到一组面形数据，通过计算机拟合出曲面，再计算出平面度ΔF；
所述的修整单元包括水平电机20、水平丝杠21、水平导轨22、水平滑台23、竖直电机24、竖直丝杠25、竖直导轨26、竖直滑台27、电主轴28与砂轮29；所述的修整单元安装在梁架6的第三横梁的侧面；所述的水平导轨22与抛光盘3表面平行、固定在第三横梁的侧面，水平电机20带动水平丝杠21转动，从而带动水平滑台23沿着水平导轨22滑动；所述的竖直导轨26与抛光盘3表面垂直，固定在水平滑台23上；竖直电机24带动竖直丝杠25转动，从而带动竖直滑台27沿着竖直导轨26滑动；所述的竖直滑台27上安装电主轴28，电主轴28的中心轴线与抛光盘3表面垂直；在电主轴28的下端安装砂轮29，砂轮29的端面与抛光盘3表面平行。
进一步地，所述的摆臂18的长度为抛光盘3半径的一半。
进一步地，所述的调整垫铁5具有蜗轮蜗杆结构，旋转调整垫铁5的旋钮使其上表面上升或下降，从而分别调整梁架6的三条横梁的高度，进而调整梁架6的水平，并且具有自锁性。
进一步地，所述的分离器8具有蜗轮蜗杆结构，旋转分离器8的旋钮使分离器8与中心支柱7的上表面分离或连接，并且具有自锁性。
进一步地，所述的修整单元在进行抛光盘面形在位修整之前，进行对刀操作；所述的对刀操作的步骤如下：
A、使砂轮29低速旋转，并且移动竖直滑台27使其不断靠近抛光盘3的表面，当恰好发生接触时沿着水平滑台23将砂轮29移动至抛光盘3的外侧；
B、所述的对刀操作结束后，再次移动竖直滑台27使砂轮29向下移动距离Ap，Ap即为修整量，Ap由平面度ΔF确定，Ap＝2～3ΔF。
进一步地，所述的两个从动轮15安装在水平圆弧状支架的两端、主动轮14安装在水平圆弧状支架的中部。
进一步地，所述的水平圆弧状支架具有150度及以上的圆弧。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：包括底座(1)、主轴(2)、抛光盘(3)、支撑单元、进给单元、测量单元、修整单元和计算机；所述的底座(1)为三角形结构，其上表面具有四个安装面，四个安装面通过一次走刀加工而成，其中一个安装面位于中心处用于安装主轴(2)，其余三个安装面位于三个角用于安装支撑单元；抛光盘(3)的直径大于等于20000mm，安装在主轴(2)的上方且与主轴(2)同轴，主轴(2)为抛光盘(3)的旋转提供动力；
所述的进给单元、测量单元与修整单元分别安装在支撑单元上；
所述的支撑单元包括立柱(4)、调整垫铁(5)、梁架(6)、中心支柱(7)和分离器(8)；所述的立柱(4)有三根、三根立柱(4)分别安装在底座(1)的三个角上，每个立柱(4)的上表面都安装调整垫铁(5)，调整垫铁(5)的上表面安装梁架(6)，梁架(6)是由三条横梁焊接而成的Y形结构，三条横梁与三根立柱(4)相对应；三个调整垫铁(5)用于调整梁架(6)的水平状态；中心支柱(7)安装在底座(1)的中心处，贯穿主轴(2)与抛光盘(3)的中心孔；中心支柱(7)的上表面安装分离器(8)，分离器(8)的上表面与梁架(6)下表面相连；在抛光机加工过程，分离器(8)的下端与中心支柱(7)连接，用于支撑梁架(6)；在更换抛光盘(3)上的抛光垫的时候，分离器(8)的下端与中心支柱(7)分离形成空隙，方便抛光垫的置入；
所述的进给单元包括进给电机(9)、进给丝杠(10)、进给滑台(11)、进给导轨(12)、主动轮电机(13)、主动轮(14)、从动轮(15)与工件(16)；所述的进给单元有两套，分别安装在梁架(6)的第一横梁和第二横梁的侧面；进给电机(9)带动进给丝杠(10)旋转，从而驱动进给滑台(11)沿进给导轨(12)移动；进给滑台(11)的下部与水平圆弧状支架连接，水平圆弧状支架的下部安装有一个主动轮(14)和两个从动轮(15)；所述的主动轮(14)和两个从动轮(15)与工件(16)滚动接触，所述的主动轮(14)与主动轮电机(13)连接、通过摩擦力驱动工件(16)自转；从动轮(15)用于限制工件(16)的位置，使其无法脱离进给单元；
所述的进给单元在抛光加工过程中，既通过主动轮电机(13)驱动工件(16)自转，又通过进给电机(9)驱动工件(16)沿抛光盘(3)的径向往复运动；
所述的测量单元包括气浮转台(17)、摆臂(18)与位移传感器(19)，所述的气浮转台(17)是一种高精度回转平台，通过压缩空气维持其轴向跳动在1μm之内；所述的气浮转台(17)安装在梁架(6)的第三横梁下部，气浮转台(17)的回转轴与抛光盘(3)表面垂直；所述的摆臂(18)的一端固定在气浮转台(17)的回转台面上、另一端安装位移传感器(19)；位移传感器(19)用于测量抛光盘(3)表面的高度值，测量精度为1μm；
在抛光机加工过程中，通过抛光盘(3)旋转以及摆臂(18)摆动的联动，位移传感器(19)测量抛光盘(3)全口径范围内若干点的高度值，且测量点的分布呈螺线形；计算机将位移传感器(19)测量的高度值拟合出曲面并计算出抛光盘(3)表面的平面度；
所述的修整单元包括水平电机(20)、水平丝杠(21)、水平导轨(22)、水平滑台(23)、竖直电机(24)、竖直丝杠(25)、竖直导轨(26)、竖直滑台(27)、电主轴(28)与砂轮(29)；所述的修整单元安装在梁架(6)的第三横梁的侧面；所述的水平导轨(22)与抛光盘(3)表面平行、固定在第三横梁的侧面，水平电机(20)带动水平丝杠(21)转动，从而带动水平滑台(23)沿着水平导轨(22)滑动；所述的竖直导轨(26)与抛光盘(3)表面垂直，固定在水平滑台(23)上；竖直电机(24)带动竖直丝杠(25)转动，从而带动竖直滑台(27)沿着竖直导轨(26)滑动；所述的竖直滑台(27)上安装电主轴(28)，电主轴(28)的中心轴线与抛光盘(3)表面垂直；在电主轴(28)的下端安装砂轮(29)，砂轮(29)的端面与抛光盘(3)表面平行。
2.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的摆臂(18)的长度为抛光盘(3)半径的一半。
3.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的调整垫铁(5)具有蜗轮蜗杆结构，旋转调整垫铁(5)的旋钮使其上表面上升或下降，从而分别调整梁架(6)的三条横梁的高度，进而调整梁架(6)的水平，并且具有自锁性。
4.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的分离器(8)具有蜗轮蜗杆结构，旋转分离器(8)的旋钮使分离器(8)与中心支柱(7)的上表面分离或连接，并且具有自锁性。
5.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的修整单元在进行抛光盘面形在位修整之前，进行对刀操作；所述的对刀操作的步骤如下：
A、使砂轮(29)低速旋转，并且移动竖直滑台(27)使其不断靠近抛光盘(3)的表面，当恰好发生接触时沿着水平滑台(23)将砂轮(29)移动至抛光盘(3)的外侧；
B、所述的对刀操作结束后，再次移动竖直滑台(27)使砂轮(29)向下移动距离Ap，Ap即为修整量，Ap由平面度ΔF确定，Ap＝(2～3)ΔF。
6.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的两个从动轮(15)安装在水平圆弧状支架的两端、主动轮(14)安装在水平圆弧状支架的中部。
7.根据权利要求1所述的一种具有盘面在位测量与修整功能的抛光机，其特征在于：所述的水平圆弧状支架具有150度及以上的圆弧。
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