CN201760814U - 行星轮式数控研抛去除函数发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种行星轮式数控研抛去除函数发生装置，包括公转轴系、自转轴系、研抛盘、偏心调整机构和回转机构，所述公转轴系连接于偏心调整机构上方，所述回转机构连接于偏心调整机构底端，所述自转轴系连接于回转机构下方，所述研抛盘装设于自转轴系下端，所述自转轴系包括自转轴、自转电机、自转传动机构和自转轴基座，所述自转轴基座连接于回转机构上，所述自转轴装设于自转轴基座内，所述自转电机固定于自转轴基座上，自转电机的输出端经自转传动机构与自转轴连接。该行星轮式数控研抛去除函数发生装置具有自转轴系传动刚度高、自转平稳，能够获得稳定去除函数的优点。

Description

行星轮式数控研抛去除函数发生装置 

技术领域

本实用新型涉及光学精密机械技术领域，尤其涉及行星轮式数控研抛去除函数发生装置。 

背景技术

20世纪70年代以来，随着计算机技术的飞速发展以及世界范围内对中大口径、高精度非球面光学零件的需求激增，以美国Itek公司为首的一批国内外研究单位将计算机控制光学表面成形技术(即CCOS)引入到中大口径非球面光学零件的超精密加工，以提高非球面光学元件的加工效率与加工精度。CCOS技术，是指用一个比工件小得多的研抛盘，在计算机的控制下，以特定的路径、速度在光学零件表面运动，通过控制每一区域内的驻留时间、加工压力等参数，精确地控制零件材料的去除量，达到修正误差、提高精度的目的。CCOS技术的突出优点在于加工过程中小工具能够有效地跟踪非球面表面各点曲率半径的变化，与非球面的面形良好吻合，从而有效提高加工精度。目前，CCOS技术已经取代传统的手工修抛技术，成为中大口径、高精度非球面光学元件的主流加工技术。 

CCOS技术的核心是精确控制零件上各点的材料去除量，从而实现面形精度的逐步收敛，因此，获得稳定、高效且修形能力较强的研抛去除函数是提高加工效率与加工精度的基础与关键，在CCOS加工中，研抛去除函数发生装置也就成为了整个CCOS机床的关键机构。目前，这一机构的主要结构形式包括平转动机构与行星轮机构(又称双转子机构)。下面分别介绍现有的研抛去除函数发生装置的机构与特点。 

申请号为200710055351.2的实用新型专利申请，公开了一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备，其中提及的研抛去除函数发生装置属于平转动式研磨抛光机构，它通过一公转电机驱动研抛盘以一定偏心绕电机轴旋转，同时以一四连杆机构使研抛盘处于平转动状态。在该种运动方式下，研抛盘上各点的运动速度是一致的，而且研抛盘上任意两点间的连线始终保持一致，因此有利于使抛光盘处于均匀磨损状态，客观上有利于保证去除函数的稳定性。其缺点是对去除函数形状的调节能力较差，难以实现近似脉冲形的去除函数，因此在修形能力方面存在一定限制；另外，由于研磨盘整体绕公转电机轴转动，因此其偏心率与转速不宜过高，否则易发生失稳，这就限制了该种机构所能获得的材料去除率和工作效率。 

浙江大学的王权陡在其博士学位论文《高陡度光学非球面自动成形的研究》中公开了一种研抛去除函数发生装置，它采用的是双旋转式研磨抛光机构，并通过“电机+涡轮-蜗杆减 速”驱动公转，自转则由自转驱动电机直接驱动，通过增减砝码改变施加的工作载荷。这一结构存在着公转速度低、工作压力调整不便等缺陷；由于自转电机一起参与公转，因此其供电需通过增加一套电刷与滑环来实现，增加了机构的复杂性；此外，由于抛研工具直接由电机驱动，因此其驱动力矩受限，当抛研工具尺寸较大时，存在着驱动力矩不足的风险。 

专利号为ZL03124759.8的实用新型专利公开了一种非球面光学零件复合加工、检测机床，其中提及了行星轮式双转子研抛机构，其中的自转电机安装于双转子机构基座上，自转电机与自转轴之间设有一软轴，该软轴一端与自转电机输出轴固接，另一端穿过公转轴、燕尾槽滑台、回转轴后与自转轴连接，通过该软轴传递自转运动。然而软轴传动不平稳、传动刚度差，导致加工精度的提高受到限制。 

从上述公开报道的文献来看，目前的研抛去除函数发生装置存在着加工效率不高或是传动不够平稳的缺陷，从而限制了去除函数的效率与稳定性。有鉴于此，有必要对现有的研抛去除函数发生装置进行改进，从而提高去除函数的效率与稳定性。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种自转轴系传动刚度高、自转平稳，能够获得稳定去除函数的行星轮式数控研抛去除函数发生装置。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案： 

一种行星轮式数控研抛去除函数发生装置，包括公转轴系、自转轴系、研抛盘、偏心调整机构和回转机构，所述公转轴系连接于偏心调整机构上方，所述回转机构连接于偏心调整机构底端，所述自转轴系连接于回转机构下方，所述研抛盘装设于自转轴系下端，所述自转轴系包括自转轴、自转电机、自转传动机构和自转轴基座，所述自转轴基座连接于回转机构上，所述自转轴装设于自转轴基座内，所述自转电机固定于自转轴基座上，自转电机的输出端经自转传动机构与自转轴连接。 

所述自转传动机构为同步带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构。 

所述自转轴基座包括座体、推板和可调节压力的气缸，所述座体上端与回转机构连接，所述气缸固定于座体上，所述推板位于座体下方并与气缸的输出端连接，所述自转电机固定于推板上，所述自转轴经轴承支承于推板上，所述自转轴与座体之间设有线性轴承。 

所述回转机构包括回转轴和回转座，所述回转轴与偏心调整机构底端固接，所述回转座经轴承支承于回转轴上，自转轴基座的座体与回转座固接，回转座上连有平动保持机构。 

所述平动保持机构包括保持座、第一平行摆杆组、第二平行摆杆组和过渡盘，所述保持座固定于公转轴系的公转轴基座上，所述第一平行摆杆组一端铰接于保持座上，另一端铰接 于过渡盘上，所述第二平行摆杆组一端铰接于过渡盘上，另一端铰接于回转座上。 

所述偏心调整机构包括燕尾槽滑台、滑块和调节螺钉，所述燕尾槽滑台上的燕尾槽沿公转圆周径向设置，所述滑块设于燕尾槽内，所述调节螺钉与燕尾槽平行布置，调节螺钉一端套装于滑块上，另一端与燕尾槽滑台螺纹连接。 

所述研抛盘与自转轴通过万向联轴节连接。 

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：自转轴系取消了软轴传动，而是将自转电机固定于自转轴基座上，通过自转传动机构将自转电机的输出端与自转轴连接，采用自转传动机构传动的结构，克服了软轴传动不平稳、传动刚度差的缺陷，提高了传动刚度和自转平稳性，使去除函数的稳定性显著改善；研抛盘工作压力由气缸提供，采用压差式设计，补偿了自转轴浮动部分的重力影响，使研抛压力可从0到最大工作压力范围内任意设定，同时将自转电机固定在用于调节研抛盘工作压力的推板上，使得调节研抛盘工作压力时，自转轴的传动部分与自转轴本身一起作轴向浮动，不影响自转轴的自转运动；在回转机构的回转座上装有平动保持机构，该平动保持机构可以保证自转轴系在公转过程中严格平动，有利于提高公转轴系的最高转速和去除函数的回转对称性；研抛盘与自转轴通过万向联轴节连接，使研抛盘能够在15°范围内自由倾斜，保证在工件表面不垂直于自转轴时，研抛盘始终和工件表面相切，提高加工精度。 

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图； 

图2是图1的A-A剖视图； 

图3是本实用新型的平动保持机构的结构示意图； 

图4是本实用新型的左视结构示意图； 

图5是图4的B-B剖视图； 

图6是理论去除函数二维截线图； 

图7是实施例中实测去除函数二维截线图； 

图8是抛光去除函数的理论模型； 

图9是实施例中抛光去除函数的实测模型。 

图中各标号表示： 

1、公转轴系；2、自转轴系；3、研抛盘；4、偏心调整机构；5、回转机构；6、平动保持机构；7、万向联轴节；11、公转轴；12、公转轴基座；13、公转电机；14、公转同步带；21、自转轴；22、自转轴基座；23、自转电机；24、自转传动机构；41、燕尾槽滑台；42、 滑块；43、调节螺钉；44、燕尾槽；51、回转轴；52、回转座；61、保持座；62、第一平行摆杆组；63、第二平行摆杆组；64、过渡盘；221、气缸；222、推板；223、座体；224、线性轴承。 

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，包括公转轴系1、自转轴系2、研抛盘3、偏心调整机构4和回转机构5，公转轴系1连接于偏心调整机构4上方，回转机构5连接于偏心调整机构4底端，自转轴系2连接于回转机构5下方，研抛盘3装设于自转轴系2下端。 

本实施例中，公转轴系1包括公转轴11、公转轴基座12、公转电机13和公转同步带14，公转轴11装设于公转轴基座12内，公转电机13装设于公转轴基座12上，公转电机13的输出端经公转同步带14与公转轴11相连，公转轴11由公转同步带14在公转电机13的带动下旋转。自转轴系2包括自转轴21、自转电机23、自转传动机构24和自转轴基座22，自转轴基座22连接于回转机构5上，自转轴21装设于自转轴基座22内，自转电机23固定于自转轴基座22上，自转电机23的输出端经自转传动机构24与自转轴21连接。自转轴系2取消了软轴传动，自转轴21由自转传动机构24在自转电机23的带动下转动，采用自转传动机构24传动的结构，克服了软轴传动不平稳、传动刚度差的缺陷，提高了传动刚度和自转平稳性，使去除函数的稳定性获得显著改善。自转传动机构24可以为同步带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构，本实施例中选用的是同步性好、结构简单的同步带传动机构。研抛盘3装设于自转轴21底端，并采用万向联轴节7连接，使研抛盘3可在15°范围内自由倾斜，可保证在工件表面不垂直于自转轴21时，研抛盘3始终可与工件表面相切，提高加工精度。自转轴基座22包括座体223、推板222和可由比例压力调节阀自动调节压力的气缸221，座体223上端与回转机构5连接，气缸221固定于座体223上，推板222位于座体223下方并与气缸221的输出端连接，自转电机23固定于推板222上，自转轴21经轴承支承于推板222上，自转轴21与座体223之间设有线性轴承224。研抛盘3工作压力由气缸221提供，因此自转轴21既可绕轴向转动，也可沿轴向滑动串动，轴向滑动行程可达30mm，研抛盘3工作压力的调节采用压差式设计，可补偿自转轴系2浮动部分的重力影响，使研抛压力可从0到最大工作压力范围内任意设定，同时将自转电机23固定在用于调节研抛盘3工作压力的推板222上，使得调节研抛盘3工作压力时，自转轴21的传动部分与自转轴21本身一起作轴向浮动，同时又不影响自转轴21保持自转运动。 

本实施例中，回转机构5包括回转轴51和回转座52，回转轴51与偏心调整机构4底端 固接，回转座52经轴承支承于回转轴51上，自转轴基座22的座体223与回转座52固接。该平动保持机构6包括保持座61、第一平行摆杆组62、第二平行摆杆组63和过渡盘64，保持座61固定于公转轴系1的公转轴基座12上，第一平行摆杆组62一端铰接于保持座61上，另一端铰接于过渡盘64上，第二平行摆杆组63一端铰接于过渡盘64上，另一端铰接于回转座52上。在回转机构5的回转座52上装有平动保持机构6，自转轴系2在公转过程中受平动保持机构6的约束可以保证严格平动，有利于提高公转轴系1的最高转速和去除函数的回转对称性。偏心调整机构4包括燕尾槽滑台41、滑块42和调节螺钉43，燕尾槽滑台41上的燕尾槽44沿公转圆周径向设置，滑块42设于燕尾槽44内，调节螺钉43与燕尾槽44平行布置，调节螺钉43一端套装于滑块42上，另一端与燕尾槽滑台41螺纹连接，公转轴11与燕尾槽滑台41固接，回转座52与滑块42固接，旋转调节螺钉43可使滑块42在燕尾槽44内滑动，同时带动回转机构5和自转轴系1沿公转圆周径向移动，从而达到调节研抛盘3偏心回转半径的作用。 

下面结合定点研磨试验、定点抛光试验和面形误差修正实验对本实用新型行星轮式数控研抛去除函数发生装置的优越性作进一步详细说明。 

通过定点研磨试验，反映研磨去除函数的形状，将理论研磨去除函数与实测研磨去除函数进行对比。研磨试件选用直径为 

的K9玻璃，研磨盘3选用直径为 

的硬铝，其他研磨工艺参数分别为：W20金刚砂磨料，研磨液质量浓度为5％，偏心距为10mm，公转速度为50rpm，自转与公转的转速比为-1，研磨压强为16.2kPa，研磨时间为3min。理论去除函数二维截线如图6所示，实测去除函数二维截线如图7所示，可见在选择的工艺参数条件下，获得的研磨去除函数二维截线较为平缓，适应于修正误差幅值较大、且面形误差梯度较小的误差形式。此外，通过比较理论去除函数与实验去除函数可知，由于本实用新型的行星轮式数控研抛去除函数发生装置传动较为平稳，因此理论去除函数与实测去除函数较为接近。 

通过定点抛光试验，反映抛光去除函数的形状。抛光试件选用直径为 

的K9玻璃，其他抛光工艺参数分别为：抛光液为日本H-3氧化铈(CeO₂)水溶液；固液比浓度为1∶10；抛光压力为36.9kPa；抛光盘为直径25mm的聚氨酯；偏心距为10mm(对应偏心率为0.8)，公转与自转速度分别为50、-150rpm(对应转速比为-3)；抛光时间为1min。抛光去除函数理论模型如图8所示，抛光去除函数实测模型如图9所示，将抛光去除函数的理论模型与实测模型对比后，发现理论去除函数模型与实验去除函数模型同样吻合得较好。 

从上述实例可以看出，采用本实用新型行星轮式数控研抛去除函数发生装置形成的研磨 与抛光去除函数，具有回转对称性好、形状变化范围广的优势，而且由于本装置的载荷调节范围较大，因此其效率调节范围也较大，可以很好地满足高精度光学零件对于去除函数形状与效率的要求。 

通过面形误差修正实验，反映误差收敛率。面形误差修正试件选用口径276mm(有效口径268mm)的平面反射镜，反射镜在有效口径内的初始面形误差PV值为0.678λ(λ＝632.8nm)，RMS值为0.176λ；采用本装置进行面形误差修正，经过四次迭代(共计227min)，反射镜的面形误差PV值降低为0.170λ，RMS值达到0.024λ。以上面形误差修正的收敛率明显高于国内目前的CCOS加工误差收敛率(按国内主流光学加工水平，要实现同样的精度收敛，其迭代次数在10次以上)。 

面形误差修正试件选用口径500mm(有效口径462mm)的抛物面镜(p＝1000，K9玻璃)，抛物面镜在有效口径内的初始面形误差PV值为1.813λ(λ＝632.8nm)，RMS值为0.241λ，经过95小时的均匀抛光与修正抛光，反射镜的面形误差PV值降低为0.162λ，RMS值达到0.015λ。以上面形误差修正的加工效率和精度均高于国内已有报道水平。 

Claims (8)

1.一种行星轮式数控研抛去除函数发生装置，包括公转轴系(1)、自转轴系(2)、研抛盘(3)、偏心调整机构(4)和回转机构(5)，所述公转轴系(1)连接于偏心调整机构(4)上方，所述回转机构(5)连接于偏心调整机构(4)底端，所述自转轴系(2)连接于回转机构(5)下方，所述研抛盘(3)装设于自转轴系(2)下端，其特征在于：所述自转轴系(2)包括自转轴(21)、自转电机(23)、自转传动机构(24)和自转轴基座(22)，所述自转轴基座(22)连接于回转机构(5)上，所述自转轴(21)装设于自转轴基座(22)内，所述自转电机(23)固定于自转轴基座(22)上，自转电机(23)的输出端经自转传动机构(24)与自转轴(21)连接。

2.根据权利要求1所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述自转传动机构(24)为同步带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构。

3.根据权利要求2所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述自转轴基座(22)包括座体(223)、推板(222)和可调节压力的气缸(221)，所述座体(223)上端与回转机构(5)连接，所述气缸(221)固定于座体(223)上，所述推板(222)位于座体(223)下方并与气缸(221)的输出端连接，所述自转电机(23)固定于推板(222)上，所述自转轴(21)经轴承支承于推板(222)上，所述自转轴(21)与座体(223)之间设有线性轴承(224)。

4.根据权利要求3所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述回转机构(5)包括回转轴(51)和回转座(52)，所述回转轴(51)与偏心调整机构(4)底端固接，所述回转座(52)经轴承支承于回转轴(51)上，自转轴基座(22)的座体(223)与回转座(52)固接，回转座(52)上连有平动保持机构(6)。

5.根据权利要求4所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述平动保持机构(6)包括保持座(61)、第一平行摆杆组(62)、第二平行摆杆组(63)和过渡盘(64)，所述保持座(61)固定于公转轴系(1)的公转轴基座(12)上，所述第一平行摆杆组(62)一端铰接于保持座(61)上，另一端铰接于过渡盘(64)上，所述第二平行摆杆组(63)一端铰接于过渡盘(64)上，另一端铰接于回转座(52)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述偏心调整机构(4)包括燕尾槽滑台(41)、滑块(42)和调节螺钉(43)，所述燕尾槽滑台(41)上的燕尾槽(44)沿公转圆周径向设置，所述滑块(42)设于燕尾槽(44)内，所述调节螺钉(43)与燕尾槽(44)平行布置，调节螺钉(43)一端套装于滑块(42)上，另一端与燕尾槽滑台(41)螺纹连接。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述研抛盘(3)与自转轴(21)通过万向联轴节(7)连接。

8.根据权利要求6所述的行星轮式数控研抛去除函数发生装置，其特征在于：所述研抛盘(3)与自转轴(21)通过万向联轴节(7)连接。

Images