CN112496419A - 一种光学自由曲面精密铣削机床 - Google Patents

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Abstract

一种光学自由曲面精密铣削机床，属于光学自由曲面制造及精密加工技术领域，包括机床底座，所述机床底座上表面通过防松螺栓组件安装有机床底板，机床底板上表面安装有Z轴运动机构和摇篮工作台，摇篮工作台上通过工件夹具安装有光学自由曲面工件，Z轴运动机构顶部安装有机床顶板，机床顶板上安装有重力平衡装置；所述机床底板上表面开设有铣削废液收集槽，废液收集槽槽底开设有废液收集孔，废液收集孔通过管线排出，对铣削废液进行回收；Z轴运动机构上依次安装有Y轴运动机构、X轴运动机构、主轴箱及主轴组件。该机床有着优良的刚度、强度和稳定性。所使用防松螺栓组件为一种“栓中栓”结构，可以保证机床有稳定的静动态特性。

Description

一种光学自由曲面精密铣削机床
技术领域
本发明涉及光学自由曲面制造及精密加工技术领域，具体涉及一种光学自由曲面精密铣削铣削机床。
背景技术
在光学自由曲面加工整个工艺链中，精密铣削对光学自由曲面的表面及亚表面质量影响很大，其加工效果将直接决定磨削、抛光等后续加工的效率及可行性。因此，研制光学自由曲面精密铣床成为提高光学自由曲面制造能力的关键因素之一，而光学自由曲面铣床设计中存在的高刚度、大阻尼及长效稳定性等多因素耦合也使其成为当前极复杂、风险极高的工程问题之一。
机床结合面的刚度和阻尼对机床静动态特性影响显著，但是现有螺栓的防松方式在遇到振动、高温、长时间使用等情况时还是有松脱的可能，进而影响机床结合面的刚度和阻尼或产生破坏效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学自由曲面精密铣削机床，可实现复杂光学自由曲面高质量、高效率的精密加工。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光学自由曲面精密铣削机床，包括机床底座，所述机床底座上表面通过防松螺栓组件安装有机床底板，机床底板上表面安装有Z轴运动机构和摇篮工作台，摇篮工作台上通过工件夹具安装有光学自由曲面工件，摇篮工作台可以提供机床A轴回转运动和C轴回转运动，Z轴运动机构顶部安装有机床顶板，机床顶板上安装有重力平衡装置；所述机床底板上表面开设有铣削废液收集槽，废液收集槽槽底开设有废液收集孔，废液收集孔通过管线排出，对铣削废液进行回收；Z轴运动机构上安装有Y轴运动机构，Y轴运动机构底部安装有X轴运动机构，X轴运动机构底部安装有主轴箱，主轴箱连接主轴组件。
所述Z轴运动机构包括Z轴立柱、Z轴导轨滑块、Z轴溜板及Z轴电机丝杠机构；所述Z轴立柱底端固定安装于机床底板上，且Z轴立柱为四个，分别分布于机床底板的四角处，Z轴立柱顶部安装有机床顶板，Z轴立柱侧面设置有沿高度方向安装的Z轴导轨滑块，Z轴导轨滑块的滑块上安装有Z轴溜板，Z轴电机丝杠机构的Z电机设置于机床顶板或Z轴立柱上，Z轴电机设置在机床顶板上使内框和外框互联，可以增加机床静动态刚度，会产生力学回流效应，降低Z轴运动精度。Z轴电机设置在立柱上不会产生力学回流效应，因此Z轴运动精度高，但相比设置在顶板上，会降低机床静动态刚度，Z轴电机丝杠机构的丝杠与Z轴溜板螺纹连接，用于驱动Z轴溜板运动，所述Z轴溜板底部安装有Y轴运动机构，Z轴运动机构可以提供机床Z轴方向上下直线进给运动。
所述Z轴立柱的个数大于等于1，优选Z轴立柱的个数大于等于2，最优为4个。
所述重力平衡装置采用固定重力平衡装置或二维运动重力平衡装置，所述二维运动重力平衡装置包括所述油缸通过油缸连接法兰与二维主运动平台上表面连接，且油缸的活塞杆依次穿过油缸连接法兰、二维主运动平台及机床顶板，且活塞杆末端通过连接螺栓及连接螺母与二维随动运动平台连接，二维随动运动平台与Z轴溜板连接；采用固定重力平衡装置可以平衡掉机床悬空部重力，但由于机床X轴、Y轴的运动，机床悬空部重心不断变化，产生的重力矩会影响机床精度；采用二维运动重力平衡装置相比于固定重力平衡装置，平衡Z轴溜板及以下的重量，工作时控制机床悬空部重心在油缸轴线上，提升力为所平衡部重力，不但可以平衡掉机床悬空部重力，也可以消除重力矩对机床精度的影响，但机床运动部件多，同时对控制系统要求降高；所述固定重力平衡装置包括连接螺栓、连接螺母、油缸及油缸连接法兰，所述油缸通过油缸连接法兰固定安装于机床顶板上，油缸的活塞杆依次穿过油缸连接法兰及机床顶板，且活塞杆末端通过连接螺栓及连接螺母与Z轴溜板连接。
所述Y轴运动机构包括Y轴托板、Y轴导轨滑块及Y轴电机丝杠机构，两个Y轴导轨滑块对称安装与Z轴溜板下表面处，两个Y轴导轨滑块之间安装有Y轴电机丝杠机构，Y轴托板安装于Y轴电机丝杠机构的移动块和Y轴导轨滑块的滑块底部，Y轴运动机构可以提供机床Y轴方向前后直线进给运动。
X轴运动机构包括X轴托板、X轴导轨滑块及X轴电机丝杠机构，两个X轴导轨滑块对称安装于Y轴托板下表面处，且沿Y轴托板长度方向设置，两个X轴导轨滑块之间设置有X轴电机丝杠机构，所述X轴托板安装于X轴电机丝杠机构的移动块和X轴导轨滑块的滑块底部，X轴运动机构可以提供机床X轴方向左右直线进给运动。
所述防松螺栓组件为栓中栓结构，包括主螺栓、副螺栓及止转件，其中主螺栓为左旋或右旋螺纹，副螺栓为右旋或左旋螺纹，所述主螺栓内同轴设置有副螺栓，且副螺栓底部延伸至主螺栓外侧与机床底座连接，副螺栓的螺帽与主螺栓的螺帽之间设置有止转件；预紧力为主螺栓和副螺栓共同提供，提供机床连接结合面稳定的刚度和阻尼，可以保证机床有稳定的静动态特性；采用止转件来防止主螺栓和副螺栓之间周向转动，也可采用钢丝绳、定位销等其它方式来防止主螺栓和副螺栓之间周向转动。
本发明的有益效果是：
1、该机床为五轴联动加工装置，能实现复杂光学自由曲面的精密铣削加工；
2、Z轴立柱为封闭结构，与二维运动重力平衡装置连接；Z轴立柱采用力学分流设计，机床悬空部重力从Z轴立柱局部传出，不影响Z轴运动精度；采用二维运动重力平衡装置工作时，控制机床悬空部重心在油缸轴线上，不但可以平衡掉机床悬空部重力，也可以消除重力矩对机床精度的影响；
3、机床结构对称设计，可以降低热量对制造精度影响；机床中各结构零件受力状态好；
4、当主螺栓或副螺栓之一有松动趋势时都会给另一螺栓以紧固，防松螺栓组件提供机床连接结合面稳定的刚度和阻尼，可以保证机床有稳定的静动态特性；
5、防松螺栓组件可重复利用，且不产生破坏效应。
附图说明
图1为本发明光学自由曲面精密铣削机床主视图1；
图2为本发明光学自由曲面精密铣削机床内部示意图1；
图3为本发明光学自由曲面精密铣削机床内部示意图2；
图4为本发明光学自由曲面精密铣削机床主视图2；
图5为本发明光学自由曲面精密铣削机床防松螺栓组件主视图；
图6为本发明光学自由曲面精密铣削机床防松螺栓组件俯视图；
图7为本发明图5的I处局部放大图；
图8为本发明图5的Ⅱ处局部放大图；
图9为本发明防松螺栓组件的主螺栓结构视图；
图10为本发明防松螺栓组件的副螺栓结构视图；
图11为本发明防松螺栓组件的止转件结构视图；
图12为本发明光学自由曲面精密铣削机床拓补图；
图13为本发明光学自由曲面精密铣削机床重力平衡装置未工作时重力传递路径(Z轴电机设置在顶板上)；
图14为本发明光学自由曲面精密铣削机床重力平衡装置工作时重力传递路径(Z轴电机设置在顶板上)；
图15为本发明光学自由曲面精密铣削机床重力平衡装置未工作时重力传递路径(Z轴电机设置在Z轴立柱上)；
图16为本发明光学自由曲面精密铣削机床重力平衡装置工作时重力传递路径(Z轴电机设置在Z轴立柱上)；
图17为本发明光学自由曲面精密铣削机床固定重力平衡装置工作原理；
图18为本发明光学自由曲面精密铣削机床二维运动重力平衡装置工作原理；
1、机床底座；2、机床底板；2-1、废液收集槽；2-2、废液收集孔；3、Z轴运动机构；3-1、Z轴立柱；3-2、Z轴导轨滑块；3-3、Z轴溜板；3-4、Z轴电机丝杠机构；4、工件；5、机床顶板；6、Y轴运动机构；6-1、Y轴托板；6-2、Y轴导轨滑块；6-3、Y轴电机丝杠机构；7、二维运动重力平衡装置；7-1、连接螺栓；7-2、连接螺母；7-3、油缸；7-4、油缸连接法兰；7-5、二维主运动平台；7-6、二维随动运动平台；8、X轴运动机构；8-1、X轴托板；8-2、X轴导轨滑块；8-3、X轴电机丝杠机构；9、主轴箱；10、主轴组件；11、工件夹具；12、摇篮工作台；13-1、主螺栓；13-2、副螺栓；13-3、止转件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图18所示，一种光学自由曲面精密铣削机床，包括机床底座1，所述机床底座1上表面通过防松螺栓组件安装有机床底板2，机床底板2上表面安装有Z轴运动机构3和摇篮工作台12，摇篮工作台12上通过工件夹具11安装有光学自由曲面工件4，摇篮工作台12可以提供机床A轴回转运动和C轴回转运动，Z轴运动机构3顶部安装有机床顶板5，机床顶板5上安装有重力平衡装置；所述机床底板2上表面开设有铣削废液收集槽2-1，废液收集槽2-1槽底开设有废液收集孔2-2，废液收集孔2-2通过管线排出，对铣削废液进行回收；Z轴运动机构3上安装有Y轴运动机构6，Y轴运动机构6底部安装有X轴运动机构8，X轴运动机构8底部安装有主轴箱9，主轴箱9连接主轴组件10，所述机床底板2上部钻有正向螺纹孔及下部钻有反向螺纹孔，且轴线重合。
所述Z轴运动机构3包括Z轴立柱3-1、Z轴导轨滑块3-2、Z轴溜板3-3及Z轴电机丝杠机构3-4；所述Z轴立柱3-1底端固定安装于机床底板2上，且Z轴立柱3-1为四个，分别分布于机床底板2的四角处，Z轴立柱3-1为一分为二的两个连接柱，且两个连接柱底端通过连接部连为一个整体或Z轴立柱3-1为两个独立的连接柱，Z轴立柱3-1的其中一个连接柱顶部安装有机床顶板5，Z轴立柱3-1另一个连接柱侧面的安装槽内设置有沿高度方向安装的Z轴导轨滑块3-2，安装机床顶板5的连接柱上端面高于安装Z轴导轨滑块3-2的连接柱上端面，Z轴导轨滑块3-2的滑块上安装有Z轴溜板3-3，Z轴电机丝杠机构3-4的Z电机设置于机床顶板5或Z轴立柱3-1上，Z轴电机设置在机床顶板5上使内框和外框互联，可以增加机床静动态刚度，会产生力学回流效应，降低Z轴运动精度。Z轴电机设置在立柱上不会产生力学回流效应，因此Z轴运动精度高，但相比设置在顶板上，会降低机床静动态刚度，Z轴电机丝杠机构3-4的丝杠与Z轴溜板3-3螺纹连接，用于驱动Z轴溜板3-3运动，所述Z轴溜板3-3底部安装有Y轴运动机构6，Z轴运动机构3可以提供机床Z轴方向上下直线进给运动。
所述重力平衡装置采用固定重力平衡装置或二维运动重力平衡装置7，所述二维运动重力平衡装置7包括油缸7-3，所述油缸7-3通过油缸连接法兰7-4与二维主运动平台7-5上表面连接，且油缸7-3的活塞杆依次穿过油缸连接法兰7-4、二维主运动平台7-5及机床顶板5，且活塞杆末端通过连接螺栓7-1及连接螺母7-2与二维随动运动平台7-6连接，二维随动运动平台7-6与Z轴溜板3-3连接；采用固定重力平衡装置可以平衡掉机床悬空部重力，但由于机床X轴、Y轴的运动，机床悬空部重心不断变化，产生的重力矩会影响机床精度；采用二维运动重力平衡装置7相比于固定重力平衡装置，平衡Z轴溜板3-3及以下的重量，工作时控制机床悬空部重心在油缸7-3轴线上，提升力为所平衡部重力，不但可以平衡掉机床悬空部重力，也可以消除重力矩对机床精度的影响，但机床运动部件多，同时对控制系统要求降高；所述固定重力平衡装置包括连接螺栓7-1、连接螺母7-2、油缸7-3及油缸连接法兰7-4，所述油缸7-3通过油缸连接法兰7-4固定安装于机床顶板5上，油缸7-3的活塞杆依次穿过油缸连接法兰7-4及机床顶板5，且活塞杆末端通过连接螺栓7-1及连接螺母7-2与Z轴溜板3-3连接。
所述Y轴运动机构6包括Y轴托板、Y轴导轨滑块及Y轴电机丝杠机构，两个Y轴导轨滑块6-2对称安装与Z轴溜板3-3下表面处，两个Y轴导轨滑块6-2之间安装有Y轴电机丝杠机构6-3，Y轴托板6-1安装于Y轴电机丝杠机构6-3的移动块和Y轴导轨滑块6-2的滑块底部，Y轴运动机构6可以提供机床Y轴方向前后直线进给运动。
X轴运动机构8包括X轴托板8-1、X轴导轨滑块8-2及X轴电机丝杠机构8-3，两个X轴导轨滑块8-2对称安装于Y轴托板6-1下表面处，且沿Y轴托板6-1长度方向设置，两个X轴导轨滑块8-2之间设置有X轴电机丝杠机构8-3，所述X轴托板8-1安装于X轴电机丝杠机构8-3的移动块和X轴导轨滑块8-2的滑块底部，X轴运动机构8可以提供机床X轴方向左右直线进给运动。
所述防松螺栓组件为栓中栓结构，包括主螺栓13-1、副螺栓13-2及止转件13-3，其中主螺栓13-1为左旋或右旋螺纹，副螺栓13-2为右旋或左旋螺纹，所述主螺栓13-1内同轴设置有副螺栓13-2，且副螺栓13-2底部延伸至主螺栓13-1外侧与机床底座1连接，副螺栓13-2的螺帽与主螺栓13-1的螺帽之间设置有止转件13-3；预紧力为主螺栓13-1和副螺栓13-2共同提供，提供机床连接结合面稳定的刚度和阻尼，可以保证机床有稳定的静动态特性；止转件13-3与主螺栓13-1及副螺栓13-2连接端面为锥面，通过压入止转件13-3后，止转件13-3端部的弹性变形及防松螺栓端部的弹性变形，防止止转件13-3轴向运动。先将主螺栓13-1施加预紧力以紧固被连接件，将副螺栓13-2装入主螺栓13-1内孔中，并施加预紧力，压入止转件13-3，防止主螺栓13-1和副螺栓13-2之间周向转动，防止主螺栓13-1和副螺栓13-2之间周向转动；拆卸时先用专用工具拆卸止转件13-3，然后拆卸副螺栓13-2，最后拆卸主螺栓13-1。使用时也可采用钢丝绳、定位销等其它方式来防止主螺栓13-1和副螺栓13-2之间周向转动。相对于传统防松方式，防松更加可靠，且不产生破坏，可用于剧烈冲击、振动、交变载荷，或温度变化大及需要精确预紧力工作条件下；防松螺栓组件原理可用于双头螺柱设计。
本发明精密铣削机床为五轴联动加工机床，X轴运动机构8可以提供机床X轴方向左右直线进给运动；Y轴运动机构6可以提供机床Y轴方向前后直线进给运动；Z轴运动机构3可以提供机床Z轴方向上下直线进给运动；摇篮工作台12可以提供机床A轴回转运动和C轴回转运动。
本发明结构新颖，操作方便，可以实现复杂光学自由曲面的精密铣削加工。
分析了重力平衡装置是否工作时光学自由曲面铣削机床，当Z轴电机设置在Z轴立柱3-1上时，在重力载荷条件下静变形误差对Z轴导向精度、驱动精度及末端精度的影响。
通过有限元仿真计算表明：光学自由曲面铣削机床具有优良的静力学特性，重力平衡装置未工作时导轨直线度为0.6um，重力平衡装置工作时导轨直线度为35nm，直线度误差降低94.2％。重力平衡装置未工作时丝杠直线度为2um，重力平衡装置工作时丝杠直线度为200nm，直线度误差降低90％。重力平衡未工作时主轴端最大空间误差为24um，固定重力平衡工作时主轴端最大空间误差为6um，空间误差降低75％，二维运动重力平衡工作时主轴端最大空间误差为4um，空间误差降低83.3％。
分析了重力平衡装置是否工作时光学自由曲面铣削机床，当Z轴电机设置在立柱上时，在重力载荷、切削载荷共同作用条件下静变形误差对末端精度的影响，X轴方向的力Fx＝100N，Y轴方向的力Fy＝100N，Z轴方向的力Fz＝100N。
通过有限元仿真计算表明：重力平衡未工作时主轴端最大空间误差为25um，固定重力平衡工作时主轴端最大空间误差为8.5um，二维运动重力平衡工作时主轴端最大空间误差为4.5um。机床主轴端三个方向刚度分别为Kx＝124N/um，Ky＝73N/um，Kz＝44N/um。
分析了光学自由曲面铣削机床，当Z轴电机设置在Z轴立柱3-1上时，在重力平衡装置是否工作时Z轴载荷特性，仿真计算表明重力平衡装置工作时可以有效降低Z轴负载。重力平衡未工作时Z轴电机扭矩均值为0.5N·m，重力平衡工作时Z轴电机扭矩均值为0.1N·m，降低了80％，重力平衡未工作时Z轴轴端轴承受力均值为3000N，重力平衡工作时Z轴轴端轴承受力均值为750N，降低了75％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于，包括机床底座，所述机床底座上表面通过防松螺栓组件安装有机床底板，机床底板上表面安装有Z轴运动机构和摇篮工作台，摇篮工作台上通过工件夹具安装有光学自由曲面工件，Z轴运动机构顶部安装有机床顶板，机床顶板上安装有重力平衡装置；所述机床底板上表面开设有铣削废液收集槽，废液收集槽槽底开设有废液收集孔，废液收集孔通过管线排出；Z轴运动机构上安装有Y轴运动机构，Y轴运动机构底部安装有X轴运动机构，X轴运动机构底部安装有主轴箱，主轴箱连接主轴组件。
2.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：所述Z轴运动机构包括Z轴立柱、Z轴导轨滑块、Z轴溜板及Z轴电机丝杠机构；所述Z轴立柱底端固定安装于机床底板上，Z轴立柱顶部安装有机床顶板，Z轴立柱侧面设置有沿高度方向安装的Z轴导轨滑块，Z轴导轨滑块的滑块上安装有Z轴溜板，Z轴电机丝杠机构的Z电机设置于机床顶板或Z轴立柱上，Z轴电机丝杠机构的丝杠与Z轴溜板螺纹连接，所述Z轴溜板底部安装有Y轴运动机构。
3.根据权利要求2所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：所述Z轴立柱的个数大于等于1。
4.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：所述重力平衡装置采用固定重力平衡装置或二维运动重力平衡装置，所述二维运动重力平衡装置包括所述油缸通过油缸连接法兰与二维主运动平台上表面连接，且油缸的活塞杆依次穿过油缸连接法兰、二维主运动平台及机床顶板，且活塞杆末端通过连接螺栓及连接螺母与二维随动运动平台连接，二维随动运动平台与Z轴溜板连接；所述固定重力平衡装置包括连接螺栓、连接螺母、油缸及油缸连接法兰，所述油缸通过油缸连接法兰固定安装于机床顶板上，油缸的活塞杆依次穿过油缸连接法兰及机床顶板，且活塞杆末端通过连接螺栓及连接螺母与Z轴溜板连接。
5.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：所述Y轴运动机构包括Y轴托板、Y轴导轨滑块及Y轴电机丝杠机构，两个Y轴导轨滑块对称安装与Z轴溜板下表面处，两个Y轴导轨滑块之间安装有Y轴电机丝杠机构，Y轴托板安装于Y轴电机丝杠机构的移动块和Y轴导轨滑块的滑块底部。
6.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：X轴运动机构包括X轴托板、X轴导轨滑块及X轴电机丝杠机构，两个X轴导轨滑块对称安装于Y轴托板下表面处，且沿Y轴托板长度方向设置，两个X轴导轨滑块之间设置有X轴电机丝杠机构，所述X轴托板安装于X轴电机丝杠机构的移动块和X轴导轨滑块的滑块底部。
7.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面精密铣削机床，其特征在于：所述防松螺栓组件为栓中栓结构，包括主螺栓、副螺栓及止转件，其中主螺栓为左旋或右旋螺纹，副螺栓为右旋或左旋螺纹，所述主螺栓内同轴设置有副螺栓，且副螺栓底部延伸至主螺栓外侧与机床底座连接，副螺栓的螺帽与主螺栓的螺帽之间设置有止转件。
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