CN112824038A - 一种高精度抛光机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度抛光机床，属于自由曲面抛光技术设备，该抛光机床包括磨头调整装置，磨头调整装置由抛光气囊磨头、第一液压卡盘、BH连接塔、电主轴H轴、第一皮带轮、第二皮带轮、B轴电机、AB连接塔、A轴旋转接头和A轴电机组成。本发明提出了一种多自由度、轻量化、高工件轴转速的自由曲面高精度抛光机床，该机床可以通过多自由度运动，实现主轴在机床尺寸限制内的任意位置移动，完成自由曲面的高精度抛光工作。

Description

一种高精度抛光机床

技术领域

本发明属于自由曲面抛光技术设备，尤其涉及一种高精度抛光机床。

背景技术

随着人工智能和可穿戴设备的发展以及大国竞争更趋于高科技竞赛，光学自由曲面以及任意自由曲面模具的需求日益增大。因此可以制作光学自由曲面以及任意自由曲面的注塑模具的抛光设备成为了关键问题。为了达到任意自由曲面的抛光，抛光头必须可以在工件内多自由度方向运动。

现有技术中，特别是六自由度抛光机床，虽然可以实现六自由度的自由曲面加工，但是仍然存在如下的问题：工件轴普遍采用水平放置，其法线方向垂直于地面，由于重力和真空吸附工件的原因，抛光液会进入到真空管路，存在加工过程中阻断真空，从而引起加工工件或机床损坏的风险；其次，机床的移动轴普遍是在连杆上面滑动，实现该结构的精度会比直接的转轴方式低，因此该机构的加工精度也会受到影响。最后，由于整个机构过于庞大，导致承载轴的负载很大，当承载轴需要的转速过高时扭矩会过大，因此该轴的旋转速度上限较低，加工过程中加工效率会降低。另外，由于机构的自重较大，驱动的电机功率也需要非常高，造价昂贵并且装配难度极大。

发明内容

本发明提出了一种多自由度、轻量化、高工件轴转速的自由曲面高精度抛光机床，该机床可以通过多自由度运动，实现主轴在机床尺寸限制内的任意位置移动，完成自由曲面的高精度抛光工作。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种高精度抛光机床包括磨头调整装置，所述磨头调整装置由抛光气囊磨头、第一液压卡盘、BH连接塔、电主轴H轴、第一皮带轮、第二皮带轮、B轴电机、AB连接塔、A轴旋转接头和A轴电机组成，其中：所述A轴电机的底部安装在机床床身上，A轴电机的顶部转轴处安装有所述A轴旋转接头；所述AB连接塔呈L型结构，AB连接塔的下横梁可旋转的安装在A轴旋转接头上，所述AB连接塔在A轴电机的带动下能够围绕A轴法线方向旋转；所述B轴电机安装的AB连接塔的下横梁内部，所述第二皮带轮安装在B轴电机的转轴上；所述BH连接塔可旋转的安装在AB连接塔的竖梁顶部，所述第一皮带轮安装在BH连接塔的转轴外端，第一皮带轮和第二皮带轮通过皮带传动，在B轴电机的带动下能够实现BH连接塔围绕B轴法线方向转动；所述电主轴H轴倾斜安装在BH连接塔中，电主轴H轴的H轴法线方向与B轴电机的B轴法线方向之间形成BH轴夹角，BH轴夹角的范围为40°至50°；所述第一液压卡盘安装在电主轴H轴的下部、且用于安装所述抛光气囊磨头。

优选的，还包括工件调整装置，所述工件调整装置由X轴电机、X轴导轨、 X轴丝杠、Z轴电机、 YZ连接塔、 XY连接塔、 C轴电机、Y轴电机、 C轴旋转接头、 Y轴导轨、 Y轴丝杠、Z轴导轨、 ZC连接塔、第二液压卡盘、Z轴丝杠、 Z轴导轨组成，其中：所述X轴电机和X轴导轨以及X轴丝杠安装在机床床身上，X轴电机与X轴丝杠同轴连接；所述XY连接塔滑动安装在X轴导轨上，XY连接塔的下部设置有与X轴丝杠配合工作的螺纹孔，所述XY连接塔在X轴丝杠的驱动下能够沿X轴法线方向移动；所述Y轴电机安装在XY连接塔的顶部，XY连接塔的内部设置有Y轴导轨和 Y轴丝杠，所述Y轴电机与Y轴丝杠同轴连接；所述YZ连接塔滑动安装在Y轴丝杠上，YZ连接塔上设置有与Y轴丝杠配合工作的螺纹孔，所述YZ连接塔在Y轴丝杠的驱动下能够沿Y轴法线方向移动；所述Z轴电机和Z轴丝杠以及Z轴导轨安装在所述YZ连接塔上，所述Z轴电机与Z轴丝杠同轴连接；所述ZC连接塔滑动安装在Z轴导轨上，ZC连接塔上设置有与Z轴丝杠配合工作的螺纹孔，所述ZC连接塔在Z轴丝杠的驱动下能够沿Z轴法线方向移动；所述C轴电机沿C轴法线方向安装在ZC连接塔上，C轴法线方向和Z轴法线方向平行；所述第二液压卡盘通过述C轴旋转接头安装在C轴电机的转轴上，所述第二液压卡盘用于夹持工装，工装通过真空吸附工件。

优选的，所述A轴旋转接头的内部设置有气管和水管，所述气管用于提供正气压，所述水管用于提供抛光液，所述气管和水管通过A轴旋转接头进入AB连接塔、再依次经过第二皮带轮、第一皮带轮的中空位置进入到BH连接塔内，所述水管通过BH连接塔的出水口喷到抛光气囊磨头上，所述气管通过电主轴H轴给抛光气囊磨头内部充气。

优选的，所述A轴法线方向与Y轴法线方向平行。

优选的，所述BH轴夹角的为45°。

优选的，所述H轴法线方向、B轴法线方向、A轴法线方向以及C轴法线方向在空间内相交于A点，所述抛光气囊磨头的球心位置设置在A点处。

本发明的一种高精度抛光机床具有以下有益效果：

（1）本发明中工件轴（C轴）垂直于水平放置，即法向方向平行于地面，该布置方式能够使得当抛光液留到液压卡盘处时由于重力原因从工件轴出流下，在液压卡盘处避免抛光液沉积，从而解决了抛光液容易进入工件轴内、阻断真空的技术问题。

（2）本发明使用AB轴连接塔的方式，使得B轴固定于AB连接塔，并绕着一个固定轴旋转，该旋转方式替代了传统技术方案中的滑动方式，提高了加工精度。

（3）本发明的主轴法线方向与B轴法线方向成40°至50°角，该方式达到了既能满足任意空间位置定位的目的，又可以使得整个AB连接塔机构运动范围最小。

（4）本发明使用C轴电机连接旋转接头的方式使得工件轴的可旋转机构自重非常小，转动惯量也非常小，因此工件轴转速可达3000转以上。

（5）由于整个工件轴自重以及旋转惯量的减小使得可以选配更小功率的电机，这也使得整个机床的空间尺寸可以大大降低，达到节约成本的目的。

附图说明

图1为本发明的第一实施例结构示意图；

图2为本发明的第二实施例结构示意图；

图3为本发明中ZC连接塔结构示意图；

图4为本发明中XY连接塔结构示意图；

图5为本发明中YZ连接塔结构示意图。

图中，1-第一抛光气囊磨头、2-第一液压卡盘、3-H轴法线方向、4-BH连接塔、5-电主轴H轴、6-BH轴夹角、7-第一皮带轮、8-B轴法线方向、9-第二皮带轮、10-B轴电机、11-AB连接塔、12-A轴旋转接头、13-A轴法线方向、14-A轴电机、15-X轴电机、16-X轴法线、17-X轴导轨、18-X轴丝杠、19-Z轴电机、20-YZ连接塔、21-XY连接塔、22-C轴电机、23-Y轴电机、24-Y轴法线方向、25-C轴旋转接头、26-C轴法线方向、27-Y轴导轨、28-Y轴丝杠、29-Z轴导轨、30-ZC连接塔、31-Z轴法线方向、32-第二液压卡盘、33-Z轴丝杠、34-Z轴导轨、35-出水口。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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。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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据附图所示，对本发明进行进一步说明：

实施例一

如图1所示，一种高精度抛光机床包括磨头调整装置和普通工件夹持结构，该磨头调整装置可以从在多个自由度内调整抛光气囊磨头1的姿态，实现光学自由曲面加工，一般使用真空吸附结构固定工件。

图1中，磨头调整装置由抛光气囊磨头1、第一液压卡盘2、BH连接塔4、电主轴H轴5、第一皮带轮7、第二皮带轮9、B轴电机10、AB连接塔11、A轴旋转接头12和A轴电机14组成。

具体的，A轴电机14的底部安装在机床床身上，A轴电机14的顶部转轴处安装有A轴旋转接头12；AB连接塔11呈L型结构，AB连接塔11的下横梁可旋转的安装在A轴旋转接头12上，AB连接塔11在A轴电机14的带动下能够围绕A轴法线方向13旋转；B轴电机10安装的AB连接塔11的下横梁内部，第二皮带轮9安装在B轴电机10的转轴上；BH连接塔4可旋转的安装在AB连接塔11的竖梁顶部，第一皮带轮7安装在BH连接塔4的转轴外端，第一皮带轮7和第二皮带轮9通过皮带传动，在B轴电机10的带动下能够实现BH连接塔4围绕B轴法线方向8转动；电主轴H轴5倾斜安装在BH连接塔4中，电主轴H轴5的H轴法线方向3与B轴电机10的B轴法线方向8之间形成BH轴夹角6，BH轴夹角6的范围为40°至50°，本实施中优选45°；第一液压卡盘2安装在电主轴H轴5的下部、且用于安装抛光气囊磨头1。

需要说明的是，A轴旋转接头12的内部设置有气管和水管，气管用于提供正气压，水管用于提供抛光液，气管和水管通过A轴旋转接头12进入AB连接塔11、再依次经过第二皮带轮9、第一皮带轮7的中空位置进入到BH连接塔4内，水管通过BH连接塔4的出水口35喷到抛光气囊磨头1上，气管通过电主轴H轴5给抛光气囊磨头1内部充气。

需要进一步说明的是，H轴法线方向3、B轴法线方向8、A轴法线方向13以及C轴法线方向26在空间内相交于A点，抛光气囊磨头1的球心位置设置在A点处。

实际工作时：AB连接塔11可以在A轴电机14的带动下围绕A轴法线方向13旋转，BH连接塔4可以在B轴电机10的带动下围绕B轴法线方向8旋转，B轴电机10通过皮带、皮带轮的传动方式传动至BH连接塔4。

本实施例中，使用AB轴连接塔的方式，使得B轴固定于AB连接塔，并绕着一个固定轴旋转，该旋转方式替代了传统技术方案中的滑动方式，提高了加工精度。主轴法线方向与B轴法线方向成40°至50°角，该方式达到了既能满足任意空间位置定位的目的，又可以使得整个AB连接塔机构运动范围最小。

实施例二

在实施例一的基础上，增加了工件调整装置，该工件调整装置能够在多自由度的范围内调整工件的位置和姿态。其中，如图2所示，工件调整装置由X轴电机15、X轴导轨17、 X轴丝杠18、 Z轴电机19、 YZ连接塔20、 XY连接塔21、 C轴电机22、Y轴电机23、 C轴旋转接头25、 Y轴导轨27、 Y轴丝杠28、 Z轴导轨29、 ZC连接塔30、第二液压卡盘32、Z轴丝杠33、Z轴导轨34组成。

具体的，X轴电机15和X轴导轨17以及X轴丝杠18安装在机床床身上，X轴电机15与X轴丝杠18同轴连接；XY连接塔21滑动安装在X轴导轨17上，XY连接塔21的下部设置有与X轴丝杠18配合工作的螺纹孔，XY连接塔21在X轴丝杠18的驱动下能够沿X轴法线16方向移动；Y轴电机23安装在XY连接塔21的顶部，XY连接塔21的内部设置有Y轴导轨27和 Y轴丝杠28，Y轴电机23与Y轴丝杠28同轴连接。

如图3、图4和图5所示，YZ连接塔20滑动安装在Y轴导轨27上，YZ连接塔20上设置有与Y轴丝杠28配合工作的螺纹孔，YZ连接塔20在Y轴丝杠28的驱动下能够沿Y轴法线方向24移动；Z轴电机19和Z轴丝杠33以及 Z轴导轨34安装在YZ连接塔20上，Z轴电机19与Z轴丝杠33同轴连接；ZC连接塔30滑动安装在Z轴导轨34上，ZC连接塔30上设置有与Z轴丝杠33配合工作的螺纹孔，ZC连接塔30在Z轴丝杠33的驱动下能够沿Z轴法线方向31方向移动；C轴电机22沿C轴法线方向26安装在ZC连接塔30上，C轴法线方向26和Z轴法线方向31平行；第二液压卡盘32通过述C轴旋转接头25安装在C轴电机22的转轴上，第二液压卡盘32用于夹持工件。

需要说明的是，A轴法线方向13与Y轴法线方向24平行。工件调整装置和磨头调整装置之间的位置可以灵活布置，以适应不同工件。

具体工作时：工件可以在3个自由度内准确移动，首选，X轴法线16方向的移动是工件调整装置整体移动实现的，其次，Y轴法线方向24的移动是在通过XY连接塔21上的丝杠和导轨配合完成的，最后，Z轴法线方向31的移动是通过ZC连接塔上的丝杠和导轨配合完成的。

本实施例中，工件轴（C轴）垂直于水平放置，即法向方向平行于地面，该布置方式能够使得当抛光液留到液压卡盘处时由于重力原因从工件轴出流下，在液压卡盘处避免抛光液沉积，从而解决了抛光液容易进入工件轴内、阻断真空的技术问题。C轴电机连接旋转接头的方式使得工件轴的可旋转机构自重非常小，转动惯量也非常小，因此工件轴转速可达3000转以上。由于整个工件轴自重以及旋转惯量的减小使得可以选配更小功率的电机，这也使得整个机床的空间尺寸可以大大降低，达到节约成本的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高精度抛光机床，其特征在于，包括磨头调整装置，所述磨头调整装置包括抛光气囊磨头（1）、第一液压卡盘（2）、BH连接塔（4）、电主轴H轴（5）、第一皮带轮（7）、第二皮带轮（9）、B轴电机（10）、AB连接塔（11）、A轴旋转接头（12）和A轴电机（14），其中：

所述A轴电机（14）的底部安装在机床床身上，A轴电机（14）的顶部转轴处安装有所述A轴旋转接头（12）；

所述AB连接塔（11）呈L型结构，AB连接塔（11）的下横梁可旋转的安装在A轴旋转接头（12）上，所述AB连接塔（11）在A轴电机（14）的带动下能够围绕A轴法线方向（13）旋转；

所述B轴电机（10）安装的AB连接塔（11）的下横梁内部，所述第二皮带轮（9）安装在B轴电机（10）的转轴上；

所述BH连接塔（4）可旋转的安装在AB连接塔（11）的竖梁顶部，所述第一皮带轮（7）安装在BH连接塔（4）的转轴外端，第一皮带轮（7）和第二皮带轮（9）通过皮带传动，在B轴电机（10）的带动下能够实现BH连接塔（4）围绕B轴法线方向（8）转动；

所述电主轴H轴（5）倾斜安装在BH连接塔（4）中，电主轴H轴（5）的H轴法线方向（3）与B轴电机（10）的B轴法线方向（8）之间形成BH轴夹角（6），BH轴夹角（6）的范围为40°至50°；

所述第一液压卡盘（2）安装在电主轴H轴（5）的下部、且用于安装所述抛光气囊磨头（1）。

2.根据权利要求1所述的高精度抛光机床，其特征在于，还包括工件调整装置，所述工件调整装置包括X轴电机（15）、X轴导轨（17）、 X轴丝杠（18）、 Z轴电机（19）、 YZ连接塔（20）、 XY连接塔（21）、 C轴电机（22）、Y轴电机（23）、 C轴旋转接头（25）、 Y轴导轨（27）、 Y轴丝杠（28）、 Z轴导轨（29）、 ZC连接塔（30）、第二液压卡盘（32）、Z轴丝杠（33）和 Z轴导轨（34），其中：

所述X轴电机（15）和X轴导轨（17）以及X轴丝杠（18）安装在机床床身上，X轴电机（15）与X轴丝杠（18）同轴连接；

所述XY连接塔（21）滑动安装在X轴导轨（17）上，XY连接塔（21）的下部设置有与X轴丝杠（18）配合工作的螺纹孔，所述XY连接塔（21）在X轴丝杠（18）的驱动下能够沿X轴法线（16）方向移动；

所述Y轴电机（23）安装在XY连接塔（21）的顶部，XY连接塔（21）的内部设置有Y轴导轨（27）和 Y轴丝杠（28），所述Y轴电机（23）与Y轴丝杠（28）同轴连接；

所述YZ连接塔（20）滑动安装在Y轴导轨（27）上，YZ连接塔（20）上设置有与Y轴丝杠（28）配合工作的螺纹孔，所述YZ连接塔（20）在Y轴丝杠（28）的驱动下能够沿Y轴法线方向（24）移动；

所述Z轴电机（19）和Z轴丝杠（33）以及 Z轴导轨（34）安装在所述YZ连接塔（20）上，所述Z轴电机（19）与Z轴丝杠（33）同轴连接；

所述ZC连接塔（30）滑动安装在Z轴导轨（34）上，ZC连接塔（30）上设置有与Z轴丝杠（33）配合工作的螺纹孔，所述ZC连接塔（30）在Z轴丝杠（33）的驱动下能够沿Z轴法线方向（31）方向移动；

所述C轴电机（22）沿C轴法线方向（26）安装在ZC连接塔（30）上，C轴法线方向（26）和Z轴法线方向（31）平行；

所述第二液压卡盘（32）通过述C轴旋转接头（25）安装在C轴电机（22）的转轴上，所述第二液压卡盘（32）用于夹持工件。

3.根据权利要求2所述的高精度抛光机床，其特征在于，所述A轴旋转接头（12）的内部设置有气管和水管，所述气管用于提供正气压，所述水管用于提供抛光液，所述气管和水管通过A轴旋转接头（12）进入AB连接塔（11）、再依次经过第二皮带轮（9）的中空位置、第一皮带轮（7）的中空位置进入到BH连接塔（4）内，所述水管通过BH连接塔（4）的出水口（35）喷到抛光气囊磨头（1）上，所述气管通过电主轴H轴（5）给抛光气囊磨头（1）内部充气。

4.根据权利要求3所述的高精度抛光机床，其特征在于，所述A轴法线方向（13）与Y轴法线方向（24）平行。

5.根据权利要求4所述的高精度抛光机床，其特征在于，所述BH轴夹角（6）的为45°。

6.根据权利要求5所述的高精度抛光机床，其特征在于，所述H轴法线方向（3）、B轴法线方向（8）、A轴法线方向（13）以及C轴法线方向（26）在空间内相交于A点，所述抛光气囊磨头（1）的球心位置设置在A点处。

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