CN112223009A - 一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，包括底座、装夹单元、测量单元及控制系统。装夹单元包括位置调整机构、机架、姿态调整机构及RR旋转平台夹具，位置调整机构的底部与底座固定相连，机架固定安装于位置调整机构的运动输出端。姿态调整机构包括支撑板，支撑板活动设置在机架上，RR旋转平台夹具设在支撑板上。测量单元包括支撑座、气动旋转平台、第一气缸及蜗轮蜗杆安装组件，气动旋转平台位于支撑座的上方，蜗轮蜗杆安装组件通过第一气缸设置在气动旋转平台的上方。本发明对工件一次装夹，工件、刀具和测量探头可进行多种姿态调整，实现对非球面曲面加工与测量，加工及测量精度高，生产效率高。

Description

一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，具体涉及一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置。

背景技术

现代技术的发展使光学元件在国民经济生产生活中占有重要的地位。光学元件的加工与测量是日益凸显的问题。光学元件因其特殊性，要求加工精度十分严苛。随着光学元件加工与测量技术的迅猛发展，非球面光学元件加工与测量设备也得到了前所未有的发展，各种加工与测量装置应运而生，各具特色。

普通装置所实现的功能单一，结构灵活度较低，柔性化程度较差，较难实现复杂曲面的加工与测量。而普通装置往往把加工和测量分开，大大降低了产品的生产效率。所以为了满足非球面曲面的加工与测量的现实要求，因此，需要设计一种能够实现非球面曲面加工与测量的精密装置，不仅可以满足加工精度要求，也可以大大提高产品的生产效率。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，解决现有普通装置功能单一，结构灵活度较低，柔性化程度较差，难实现复杂曲面的加工与测量，加工和测量需两次装夹，加工及测量精度难以保证，生产效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，包括底座、装夹单元、测量单元及控制系统，装夹单元和测量单元均设在底座的上方，两者的底部与底座固定相连。

装夹单元包括位置调整机构、机架、姿态调整机构及用于装夹工件的RR旋转平台夹具，位置调整机构的底部与底座固定相连，所述机架固定安装于位置调整机构的运动输出端。

所述姿态调整机构设在机架与测量单元相对的一侧，其包括支撑板，所述RR旋转平台夹具设在支撑板上，RR旋转平台夹具的底部与支撑板固定相连。

测量单元包括支撑座、气动旋转平台、第一气缸及蜗轮蜗杆安装组件，支撑座的底部与底座固定相连，气动旋转平台位于支撑座的上方，其底部与支撑座的上端纵向转动相连。

所述第一气缸横向布置在气动旋转平台的上方，第一气缸的缸体与气动旋转平台相连，蜗轮蜗杆安装组件安装在第一气缸的活塞杆端部。

进一步地，位置调整机构包括横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件，横向直线驱动组件的底部与底座固定相连，纵向直线驱动组件位于横向直线驱动组件的上方，其底部与横向直线驱动组件的活动端固定相连，横向直线驱动组件的活动端驱动纵向直线驱动组件横向运动。

竖向直线驱动组件位于纵向直线驱动组件的上方，竖向直线驱动组件竖向布置，其下端与纵向直线驱动组件的活动端固定相连，纵向直线驱动组件的活动端驱动竖向直线驱动组件纵向运动。

机架位于竖向直线驱动组件与测量单元相对的一侧，所述机架与竖向直线驱动组件的活动端固定相连，竖向直线驱动组件的活动端驱动机架升高或降低。

进一步地，横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件均包括U形支架、第一导轨、第一导滑块及直线电机，第一导轨设在U形支架的内侧底部，第一导滑块与第一导轨滑动配合。

直线电机设在U形支架的内侧一端，其输出端与第一导滑块相连，并驱动第一导滑块沿第一导轨滑动。

纵向直线驱动组件的U形支架底部与横向直线驱动组件的第一导滑块固定相连，竖向直线驱动组件的U形支架下端与纵向直线驱动组件的第一导滑块固定相连，所述机架与竖向直线驱动组件的第一导滑块固定相连。

进一步地，机架为朝向测量单元一侧开口的U形结构，其包括底侧板及相对布置在底侧板两端的两个立板，两个立板与底侧板为一体结构。

支撑板位于两个立板之间，支撑板的后端两侧分别通过一个铰接座与机架转动相连，所述支撑板的前端两侧对称设有两个曲柄，各曲柄的一端通过一个连杆与支撑板相连，另一端与同侧的立板转动相连，机架、曲柄、连杆及支撑板组成曲柄摇杆机构。

机架的两侧对称设有两个第一伺服电机，各第一伺服电机的输出端通过第一联轴器与同侧的曲柄固定相连，两个第一伺服电机驱动对应的曲柄同步转动。

进一步地，所述RR旋转平台夹具包括固定座、装夹盘及第二伺服电机，所述固定座安装在支撑板的上方，装夹盘位于固定座的上方且与其转动配合。

所述第二伺服电机安装在固定座的一侧，其输出端通过齿轮机构与装夹盘的转轴相连。

进一步地，支撑座的上端安装有电机支架，所述电机支架上安装有第一减速电机，第一减速电机的输出轴通过L形支架与气动旋转平台的底部固定相连。

进一步地，气动旋转平台包括方形的壳体、第二气缸及设在壳体内部的齿轮齿条机构，第二气缸固定安装在壳体上，第二气缸的活塞杆伸至壳体的内部。

齿轮齿条机构的齿条通过滑块导轨机构与壳体相连，第二气缸的活塞杆与齿条固定相连，所述齿轮齿条机构的齿轮轴伸至壳体上方，与第一减速电机的外壳固定相连，第二减速电机的输出轴与第一气缸的缸体固定相连。

进一步地，所述齿轮齿条机构的齿条两个，两个齿条相对布置在齿轮的两侧，其中一个齿条的端部固定相连。

所述滑块导轨机构包括第二导轨和第二导滑块，第二导轨有两个，相对布置在齿轮的两侧，每个第二导轨上均配置有一个所述第二导滑块，两个第二导滑块分别与两个齿条固定相连。

进一步地，第一气缸的外部套设有管套，管套的一端与第一气缸的缸体固定相连，另一端可拆卸安装有气囊加工工具。

所述蜗轮蜗杆安装组件包括U形支座、蜗轮蜗杆机构和第三伺服电机，所述U形支座与第一气缸的活塞杆端部固定相连，其外侧可拆卸安装有罩壳，蜗轮蜗杆机构和第三伺服电机设在罩壳内。

蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴与第三伺服电机的输出端固定相连，蜗轮蜗杆机构的蜗轮轴一端伸至U形支座内，可拆卸安装有测量探头，测量探头位于U形支座的内侧。

进一步地，所述底座为方形平板结构，其底部的四角上均设有一个支腿。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：

1、本发明整体结构布局合理、加工效率高，通过巧妙的结构设计以及合理的部件配置，最大程度上优化结构，运行稳定。

2、各直线驱动组件相互协调、配合，可以带动待加工工件进行左右、前后、上下方向的运动，与姿态调整机构、RR旋转平台夹具协调、配合，可以带动待加工工件沿垂直方向翻转和沿水平面转动。测量探头设置在气缸的一端，可沿气缸轴向方向进行伸缩运动，以及在谐波齿轮减速电机和气动旋转平台作用下做横向、纵向和竖向的旋转运动，依靠蜗轮蜗杆机构实现测量探头姿态的变化，实现加工与测量一体化。待加工工件在一次装夹固定后，不需要进行拆装操作就可以完成非球面曲面的加工与测量的工序要求。

3、本发明的非球面曲面加工与测量精密装置，不仅适于非球面曲面，还适用于常规平面和自由曲面的加工成型。待加工工件可以保证在一次装夹前提下，从始到终，一次完成对非球面曲面工件的加工与测量。因此提高了加工工件的加工精度、避免了二次装夹带来的加工误差，同时，降低了工件加工的难度。

4、装置外部配套有控制系统，该控制系统用于控制工件的横向、纵向和竖向运动，RR旋转平台夹具的角度、气缸活塞杆的伸缩、气动旋转平台的转动角度、谐波齿轮减速电机的启停和转速的调节。该装置不仅具有数控装置的优点和特性，还保证了加工效率和加工精度。

综上所述，本发明与传统气囊抛光系统的不同点在于将加工与测量融为一体，实现加工与测量的一体化。不仅可以大大提高加工精度，而且还会保持加工与测量的连续性，大大提高了非球面曲面光学元件的加工效率。

附图说明

图1是本发明一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置某一视向的结构示意图。

图2是本发明一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置另一视向的结构示意图。

图3是图1中本发明某一部分的结构示意图，示出的是位置调整机构。

图4是图1中本发明另一部分的结构示意图，示出的是机架和姿态调整机构。

图5是图2中本发明某一部分的结构示意图，示出的是气动旋转平台。

图6是图2中本发明另一部分的结构示意图，示出的是蜗轮蜗杆安装组件及相关部件。

图7是图6中示出的蜗轮蜗杆安装组件的结构分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1至图7，一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，包括底座1、装夹单元、测量单元及控制系统，所述底座1为方形平板结构，底座1的底部四角上均设有一个支腿。装夹单元和测量单元均设在底座1的上方，两者的底部与底座1固定相连。控制系统采用现有技术已有的控制系统，对以下各种电机和气缸进行程序控制。

装夹单元包括位置调整机构2、机架3、姿态调整机构4及用于装夹工件的RR旋转平台夹具5，位置调整机构2的底部与底座1固定相连，所述机架3固定安装于位置调整机构2的运动输出端。

位置调整机构2包括横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件，横向直线驱动组件的底部与底座1固定相连，纵向直线驱动组件位于横向直线驱动组件的上方，其底部与横向直线驱动组件的活动端固定相连，横向直线驱动组件的活动端驱动纵向直线驱动组件横向运动。

竖向直线驱动组件位于纵向直线驱动组件的上方，竖向直线驱动组件竖向布置，其下端与纵向直线驱动组件的活动端固定相连，纵向直线驱动组件的活动端驱动竖向直线驱动组件纵向运动。

机架3位于竖向直线驱动组件与测量单元相对的一侧，所述机架3与竖向直线驱动组件的活动端固定相连，竖向直线驱动组件的活动端驱动机架3升高或降低。

横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件均包括U形支架21、第一导轨22、第一导滑块23及直线电机，第一导轨22设在U形支架21的内侧底部，第一导滑块23与第一导轨22滑动配合。所述横向直线驱动组件具有并列布置的两个U形支架21，横向直线驱动组件的两个第一导滑块23均与纵向直线驱动组件的U形支架21的底部固定相连，横向直线驱动组件的两个第一导滑块23同步运动。

直线电机设在U形支架21的内侧一端，其输出端与第一导滑块23相连，并驱动第一导滑块23沿第一导轨22滑动，所述U形支架21的一端内侧安装有弹性材料制成的限位块24。

纵向直线驱动组件的U形支架21底部与横向直线驱动组件的第一导滑块23固定相连，竖向直线驱动组件的U形支架21下端与纵向直线驱动组件的第一导滑块23固定相连，所述机架3与竖向直线驱动组件的第一导滑块23固定相连。各直线驱动组件的横向、纵向和竖向的直线电机协调、配合，可以实现待加工工件的前后、左右和上下方向的运动，以及上述运动的混合运动。

机架3为朝向测量单元一侧开口的U形结构，其包括底侧板31及相对布置在底侧板31两端的两个立板32，两个立板32与底侧板31为一体结构。

所述姿态调整机构4设在机架3与测量单元相对的一侧，其包括支撑板41，所述RR旋转平台夹具5设置在支撑板41上，RR旋转平台夹具5的底部与支撑板41固定相连。支撑板41位于两个立板32之间，支撑板41的后端两侧分别通过一个铰接座33与机架3转动相连。

所述支撑板41的前端两侧对称设有两个曲柄42，各曲柄42的一端通过一个连杆43与支撑板41相连，另一端与同侧的立板32转动相连，机架3、曲柄42、连杆43及支撑板41组成曲柄42摇杆机构。

机架3的两侧对称设有两个第一伺服电机34，各第一伺服电机34的输出端通过第一联轴器44与同侧的曲柄42固定相连，两个第一伺服电机34驱动对应的曲柄42同步转动。

所述RR旋转平台夹具5包括固定座51、装夹盘52及第二伺服电机53，所述固定座51安装在支撑板41的上方，装夹盘52位于固定座51的上方且与其转动配合。所述第二伺服电机53安装在固定座51的一侧，其输出端通过齿轮机构与装夹盘52的转轴相连，第二伺服电机53通过齿轮机构驱动装夹盘52相对于固定座51转动。

测量单元包括支撑座11、气动旋转平台6、第一气缸7及蜗轮蜗杆安装组件8，支撑座11的底部与底座1固定相连，气动旋转平台7位于支撑座11的上方，其底部与支撑座11的上端纵向转动相连。

支撑座11的上端安装有电机支架12，所述电机支架12上纵向水平安装有第一减速电机13，第一减速电机13采用现有技术已有的谐波齿轮减速电机，第一减速电机13的输出轴通过L形支架与气动旋转平台6的底部固定相连。L形支架与第一减速电机13的输出端固定相连，第一减速电机13驱动气动旋转平台6绕其输出端转动，实现气动旋转平台6的角度调节。

气动旋转平台6包括方形的壳体61、第二气缸62及设在壳体61内部的齿轮齿条机构63，第二气缸62固定安装在壳体61上，第二气缸62的活塞杆伸至壳体61的内部。齿轮齿条机构63的齿条通过滑块导轨机构9与壳体61相连，第二气缸62的活塞杆与齿条固定相连，所述齿轮齿条机构63的齿轮轴伸至壳体61上方，与第二减速电机64的外壳固定相连，第二减速电机64横向布置在气动旋转平台6的上方，第二减速电机64的输出轴与第一气缸7的缸体固定相连，第二减速电机64也采用现有技术已有的谐波齿轮减速电机。

所述齿轮齿条机构63的齿条两个，两个齿条相对布置在齿轮的两侧，其中一个齿条的端部固定相连。所述滑块导轨机构9包括第二导轨91和第二导滑块92，第二导轨91有两个，相对布置在齿轮的两侧，每个第二导轨91上均配置有一个所述第二导滑块92，两个第二导滑块92分别与两个齿条固定相连。

所述第一气缸7横向布置在气动旋转平台6的上方，第一气缸7的缸体与气动旋转平台6相连，蜗轮蜗杆安装组件8安装在第一气缸7的活塞杆端部。

第一气缸7的外部套设有管套71，管套71的一端与第一气缸7的缸体固定相连，另一端可拆卸安装有气囊加工工具，所述气囊加工工具包括法兰盘、电机支架及气囊刀具，所述电机支架通过法兰盘可拆卸安装在管套71的另一端，电机支架上固定安装减速机，减速机的输入端连接第四伺服电机，气囊刀具安装在减速机的输出端，第四伺服电机通过减速机驱动气囊刀具转动，对加工工件的曲面进行磨削加工。

所述蜗轮蜗杆安装组件8包括U形支座81、蜗轮蜗杆机构82和第三伺服电机84，所述U形支座81与第一气缸7的活塞杆端部固定相连，其外侧可拆卸安装有罩壳85，蜗轮蜗杆机构82和第三伺服电机84设在罩壳85内。

蜗轮蜗杆机构82的蜗杆轴与第三伺服电机84的输出端固定相连，蜗轮蜗杆机构82的蜗轮轴一端伸至U形支座81内，通过第二联轴器87与探头安装轴86的一端固定相连，探头安装轴86的另一端与U形支座81转动相连，探头安装轴86上可拆卸固定安装有测量探头83，测量探头83位于U形支座的内侧，第一气缸7的活塞端可驱动测量探头83伸至管套71的外部，对加工工件进行测量。

第三伺服电机84通过蜗轮蜗杆机构82驱动测量探头83绕蜗轮轴摆动，与第一气缸7的活塞端的伸缩、第二减速电机64的输出轴的转动、齿轮齿条机构63的齿轮轴的转动以及气动旋转平台6相连的角度调节相配合，实现测量探头83的多种姿态调节，对安装在装夹盘52上的工件进行立体多角度加工或测量。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，包括底座、装夹单元、测量单元及控制系统，其特征在于，装夹单元和测量单元均设在底座的上方，两者的底部与底座固定相连；

装夹单元包括位置调整机构、机架、姿态调整机构及用于装夹工件的RR旋转平台夹具，位置调整机构的底部与底座固定相连，所述机架固定安装于位置调整机构的运动输出端；

所述姿态调整机构设在机架与测量单元相对的一侧，其包括支撑板，所述RR旋转平台夹具设在支撑板上，RR旋转平台夹具的底部与支撑板固定相连；

测量单元包括支撑座、气动旋转平台、第一气缸及蜗轮蜗杆安装组件，支撑座的底部与底座固定相连，气动旋转平台位于支撑座的上方，其底部与支撑座的上端纵向转动相连；

所述第一气缸横向布置在气动旋转平台的上方，第一气缸的缸体与气动旋转平台相连，蜗轮蜗杆安装组件安装在第一气缸的活塞杆端部。

2.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，位置调整机构包括横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件，横向直线驱动组件的底部与底座固定相连，纵向直线驱动组件位于横向直线驱动组件的上方，其底部与横向直线驱动组件的活动端固定相连，横向直线驱动组件的活动端驱动纵向直线驱动组件横向运动；

竖向直线驱动组件位于纵向直线驱动组件的上方，竖向直线驱动组件竖向布置，其下端与纵向直线驱动组件的活动端固定相连，纵向直线驱动组件的活动端驱动竖向直线驱动组件纵向运动；

机架位于竖向直线驱动组件与测量单元相对的一侧，所述机架与竖向直线驱动组件的活动端固定相连，竖向直线驱动组件的活动端驱动机架升高或降低。

3.根据权利要求2所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，横向直线驱动组件、纵向直线驱动组件及竖向直线驱动组件均包括U形支架、第一导轨、第一导滑块及直线电机，第一导轨设在U形支架的内侧底部，第一导滑块与第一导轨滑动配合；

直线电机设在U形支架的内侧一端，其输出端与第一导滑块相连，并驱动第一导滑块沿第一导轨滑动；

纵向直线驱动组件的U形支架底部与横向直线驱动组件的第一导滑块固定相连，竖向直线驱动组件的U形支架下端与纵向直线驱动组件的第一导滑块固定相连，所述机架与竖向直线驱动组件的第一导滑块固定相连。

4.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，机架为朝向测量单元一侧开口的U形结构，其包括底侧板及相对布置在底侧板两端的两个立板，两个立板与底侧板为一体结构；

支撑板位于两个立板之间，支撑板的后端两侧分别通过一个铰接座与机架转动相连，所述支撑板的前端两侧对称设有两个曲柄，各曲柄的一端通过一个连杆与支撑板相连，另一端与同侧的立板转动相连，机架、曲柄、连杆及支撑板组成曲柄摇杆机构；

机架的两侧对称设有两个第一伺服电机，各第一伺服电机的输出端通过第一联轴器与同侧的曲柄固定相连，两个第一伺服电机驱动对应的曲柄同步转动。

5.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，所述RR旋转平台夹具包括固定座、装夹盘及第二伺服电机，所述固定座安装在支撑板的上方，装夹盘位于固定座的上方且与其转动配合；

所述第二伺服电机安装在固定座的一侧，其输出端通过齿轮机构与装夹盘的转轴相连。

6.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，支撑座的上端安装有电机支架，所述电机支架上安装有第一减速电机，第一减速电机的输出轴通过L形支架与气动旋转平台的底部固定相连。

7.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，气动旋转平台包括方形的壳体、第二气缸及设在壳体内部的齿轮齿条机构，第二气缸固定安装在壳体上，第二气缸的活塞杆伸至壳体的内部；

齿轮齿条机构的齿条通过滑块导轨机构与壳体相连，第二气缸的活塞杆与齿条固定相连，所述齿轮齿条机构的齿轮轴伸至壳体上方，与第一减速电机的外壳固定相连，第二减速电机的输出轴与第一气缸的缸体固定相连。

8.根据权利要求7所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，所述齿轮齿条机构的齿条两个，两个齿条相对布置在齿轮的两侧，其中一个齿条的端部固定相连；

滑块导轨机构包括第二导轨和第二导滑块，第二导轨有两个，相对布置在齿轮的两侧，每个第二导轨上均配置有一个所述第二导滑块，两个第二导滑块分别与两个齿条固定相连。

9.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，第一气缸的外部套设有管套，管套的一端与第一气缸的缸体固定相连，另一端可拆卸安装有气囊加工工具；

所述蜗轮蜗杆安装组件包括U形支座、蜗轮蜗杆机构和第三伺服电机，所述U形支座与第一气缸的活塞杆端部固定相连，其外侧可拆卸安装有罩壳，蜗轮蜗杆机构和第三伺服电机设在罩壳内；

蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴与第三伺服电机的输出端固定相连，蜗轮蜗杆机构的蜗轮轴一端伸至U形支座内，可拆卸安装有测量探头，测量探头位于U形支座的内侧。

10.根据权利要求1所述的一种可一次完成非球面曲面加工与测量的精密装置，其特征在于，所述底座为方形平板结构，其底部的四角上均设有一个支腿。

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