CN203343873U - 基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构 - Google Patents
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Abstract
一种基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，包括研磨机架、两个X轴方向导轨滑块结构、Y轴方向导轨滑块结构、Z轴方向导轨滑块结构和研磨主轴结构；所述Z向滑块上安装Z向驱动电机，所述Z向驱动电机的输出轴与所述研磨主轴结构固定连接；所述X向驱动装置和Y向驱动装置均与单片机控制电路连接，所述单片机控制电路包括用以控制X轴方向和Y轴方向按照Hilbert-Peano分形路径运动的轨迹控制模块。本实用新型提供一种均匀性良好、精度较高的基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构。
Description
技术领域
本实用新型涉及研磨技术领域，尤其是一种研磨加工机构。
背景技术
研磨抛光是超精密加工的重要手段，精密光学、机械、电子系统中所用的先进陶瓷或光学玻璃元件通常需要非常高的形状精度和表面精度及较小的加工变质层。工件的表面质量尤其是研磨均匀性是判断研磨加工优劣的重要标准，而研磨均匀性以研磨轨迹均匀性为其主要表现形式，因此研磨轨迹与研磨加工质量的高低存在必然联系。
研磨轨迹即研磨时工件在研磨盘表面运动的路线，取决于加工设备和运动参数。目前研磨加工有单面、双面平面研磨抛光.其中单面研磨抛光包括双轴式、直线式、轨道式、计算机控制小工具式等机构驱动形式。主要有主动驱动、被动驱动、复合摆动等这几种主流研磨加工驱动方式。
发明内容
为了克服已有研磨加工机构的均匀性较差、精度较低的不足，本实用新型提供一种均匀性良好、精度较高的基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，包括研磨机架、两个X轴方向导轨滑块结构、Y轴方向导轨滑块结构、Z轴方向导轨滑块结构和研磨主轴结构；
所述X轴方向导轨滑块结构包括X向滑轨和X向滑块，所述X 向滑块可滑动的安装在所述X向滑轨上，两个X向滑轨并排布置，且所述两个X向滑轨固定在研磨机架上；
所述Y轴方向导轨滑块结构包括Y向滑轨和Y向滑块，所述Y向滑块可滑动的安装在所述Y向滑轨上，所述Y向滑块与用于带动所述Y向滑块滑动的Y向驱动装置连接；
所述Y向滑轨的两端固定在所述X向滑块上，所述Y向滑轨与用于带动Y向滑轨沿着X向滑动的X向驱动装置连接；
所述Z轴方向导轨滑块结构包括Z向滑轨和Z向滑块，所述Z向滑块可滑动的安装在所述Z向滑轨上，所述Z向滑轨安装在所述Y向滑块上，所述Z向滑块与用于带动所述Z向滑块滑动的Z向驱动装置连接；
所述Z向滑块上安装Z向驱动电机，所述Z向驱动电机的输出轴与所述研磨主轴结构固定连接；
所述X向驱动装置和Y向驱动装置均与单片机控制电路连接，所述单片机控制电路包括用以控制X轴方向和Y轴方向按照Hilbert-Peano分形路径运动的轨迹控制模块。
进一步，所述研磨主轴结构包括主轴、小盘和定盘，所述小盘连接所述主轴，用四个螺钉和弹簧将定盘与小盘连接，在定盘下方有两个半圆卡固定于小盘的外圈，其中有四个对侧结构分布的压电传感器位于定盘与半圆卡之间。
所述X向驱动装置包括齿轮齿条结构和X向驱动电机，所述齿轮齿条结构包括齿条和齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述X向驱动电机的输出轴上安装所述齿轮，所述齿条与所述Y向导轨固定连接。
所述Z向驱动装置为手动升降调节机构。
本实用新型的技术构思为：根据研磨轨迹的均匀分布、不重复、方向多变、大小均等、易于实现等要求，提出一种基于Hilbert-Peano分形路径的新型研磨加工机构。
意大利的数学家Peano在1890年构造出一种奇怪的平面曲线，它能经过平面上某一正方形区域内所有的点，接着德国数学家Hilbert在1891年也构造出一种类型相同但比较简单的曲线，这种曲线被称为Hilbert-Peano曲线，如图1(a)所示。理论上分形维数为1的曲线是不可能规则地铺满平面的，必然存在交叉点或空隙，而分形维数为2的分形曲线具有这样的优势，能够通过某个正方形的所有点（也就是能够充满整个平面）。
根据分形曲线特性，通过分形路径驱动与主动驱动、摆动驱动方式的研磨轨迹仿真对比，发现分形路径轨迹相对分布较均匀，曲线的交叉率较小，重复率也较低。由此提出一种基于Hilbert-Peano曲线的分形路径研磨加工机构。
根据研磨轨迹均匀性要求，在主动驱动、摆动驱动等研磨加工机构的基础上，提出一种更为复杂的研磨轨迹驱动方式。此种驱动方式结合了分形理论及其维度特点，选择一种较为简单的Hilbert-Peano分形路径运动于研磨加工路径而设计一种针对研磨抛光的分形路径研磨加工机构。
由于Hilbert-Peano曲线是由垂直正交的等距离线段组成的，所以可以考虑用垂直正交导轨来实现分形路径。由于此种分形曲线是无限延伸的，而实际研磨加工结构设计中，只采用具有代表性的二阶Hilbert-Peano曲线，如图1(b)、(c)、(d)和图2所示。因此，通过控制 X和Y轴方向的位移、速度来完成此种分形路径。Z轴方向在研磨加工时不需要运动，只需在研磨前通过弹簧施加一定的预紧力，但是在研磨加压和工件装拆时需要移动，为此设置了Z轴方向手动调节导轨滑块结构来调节Z轴方向的距离。
特别地，为了使两个X轴方向上的滑块同步运动，在Y轴方向导轨滑块结构上连接一个齿轮齿条结构，通过驱动电机带动齿轮转动，从而带动齿在X轴方向上运动。
此外，研磨主轴结构在研磨加工是自身旋转，研磨机研磨底盘也自身旋转。
本实用新型的有益效果主要表现在：1、分形路径研磨加工轨迹具有较高均匀性，表现为轨迹相对分布较均匀，曲线的交叉率较小，重复率也较低。2、用垂直正交导轨来实现分形路径，正交导轨只考虑移动副，而不考虑转动副，较为简单。3、导轨滑块机构刚度较高，应用于加工生产领域较为成熟，针对不用精度等级旋转不同量级的导轨精度。4、研磨主轴结构具有弹簧加压和压电传感器调节水平，为研磨加工带来便利。
附图说明
图1Hilbert-Peano曲线示意图，其中(a)是Hilbert-Peano曲线，(b)分别是一阶Hilbert-Peano曲线，(c)分别是二阶Hilbert-Peano曲线，(d)分别是三阶Hilbert-Peano曲线。
图2是工件载体在研磨盘上沿二阶Hilbert-Peano曲线运动示意图。
图3是本实用新型分形路径研磨加工机构的结构示意图。
图4是除去研磨机本体之后图3的另一视角图。
图5是主轴结构中工件盘结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图5，一种基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，包括研磨机架11、两个X轴方向导轨滑块结构6、Y轴方向导轨滑块结构4、Z轴方向导轨滑块结构1和研磨主轴结构9；
所述X轴方向导轨滑块结构6包括X向滑轨和X向滑块，所述X向滑块可滑动的安装在所述X向滑轨上，两个X向滑轨并排布置，且所述两个X向滑轨固定在研磨机架上，
所述Y轴方向导轨滑块结构4包括Y向滑轨和Y向滑块，所述Y向滑块可滑动的安装在所述Y向滑轨上，所述Y向滑块与用于带动所述Y向滑块滑动的Y向驱动装置连接；
所述Y向滑轨的两端固定在所述X向滑块上，所述Y向滑轨与用于带动Y向滑轨沿着X向滑动的X向驱动装置连接；
所述Z轴方向导轨滑块结构1包括Z向滑轨和Z向滑块，所述Z向滑块可滑动的安装在所述Z向滑轨上，所述Z向滑轨安装在所述Y向滑块上，所述Z向滑块与用于带动所述Z向滑块滑动的Z向驱动装置连接；
所述Z向滑块上安装Z向驱动电机，所述Z向驱动电机的输出轴与所述研磨主轴结构9固定连接；
所述X向驱动装置和Y向驱动装置均与单片机控制电路连接，所述单片机控制电路包括用以控制X轴方向和Y轴方向按照Hilbert-Peano分形路径运动的轨迹控制模块。
进一步，所述研磨主轴结构9包括主轴、小盘和定盘，所述小盘连接所述主轴，用四个螺钉和弹簧将定盘与小盘连接，在定盘下方有两个半圆卡固定于小盘的外圈，其中有四个对侧结构分布的压电传感器位于定盘与半圆卡之间。
所述X向驱动装置包括齿轮齿条结构3和X向驱动电机2，所述齿轮齿条结构包括齿条和齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述X向驱动电机的输出轴上安装所述齿轮，所述齿条与所述Y向导轨固定连接。
所述Z向驱动装置为手动升降调节机构。
参照图2，研磨盘10和工作载体12自身旋转的同时，工件载体12还按照二阶Hilbert-Peano曲线运动，当然，也可以是一阶Hilbert-Peano曲线或三阶Hilbert-Peano曲线。
参照图3，两个X轴方向导轨滑块结构6、8通过螺纹连接固定于研磨机架11。Y轴方向导轨滑块结构4的两端固定于6和8的滑块上，Z向驱动装置与Y向滑块固定，Z向驱动电机7通过Z向滑块与之固定。
参照图4，X向驱动电机2（步进电机）带动齿轮齿条结构3使得Y轴方向导轨滑块结构4在X轴方向移动。Y向驱动电机5带动Z轴方向导轨滑块结构1在Y轴方向移动。通过手动调节Z轴方向导轨滑块结构1使得Z轴方向研磨主轴结构9在Z轴方向移动。Z向驱动电机7使得Z轴方向研磨主轴结构9下方的工件载体旋转。
单片机控制电路控制X轴方向进给步进电机2和Y轴方向进给步进电机5使得工件载体完成特定曲线，通过程序编写不仅可以完成分形曲线，还可完成范围内的任意曲线。
参照图5，通过小盘16连接Z轴方向研磨结构的主轴，用四个螺钉13和弹簧14将定盘15与小盘16连接，在定盘15下方有两个半圆卡18固定于小盘16的外圈，其中有四个对侧结构分布的压电传感器17位于定盘15与半圆卡18之间，用于调节工件盘作用于研磨盘上的压力，保持研磨过程中工件的平衡受压。
Claims (4)
1.一种基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，其特征在于：包括研磨机架、两个X轴方向导轨滑块结构、Y轴方向导轨滑块结构、Z轴方向导轨滑块结构和研磨主轴结构；
所述X轴方向导轨滑块结构包括X向滑轨和X向滑块，所述X向滑块可滑动的安装在所述X向滑轨上，两个X向滑轨并排布置，且所述两个X向滑轨固定在研磨机架上；
所述Y轴方向导轨滑块结构包括Y向滑轨和Y向滑块，所述Y向滑块可滑动的安装在所述Y向滑轨上，所述Y向滑块与用于带动所述Y向滑块滑动的Y向驱动装置连接；
所述Y向滑轨的两端固定在所述X向滑块上，所述Y向滑轨与用于带动Y向滑轨沿着X向滑动的X向驱动装置连接；
所述Z轴方向导轨滑块结构包括Z向滑轨和Z向滑块，所述Z向滑块可滑动的安装在所述Z向滑轨上，所述Z向滑轨安装在所述Y向滑块上，所述Z向滑块与用于带动所述Z向滑块滑动的Z向驱动装置连接；
所述Z向滑块上安装Z向驱动电机，所述Z向驱动电机的输出轴与所述研磨主轴结构固定连接；
所述X向驱动装置和Y向驱动装置均与单片机控制电路连接，所述单片机控制电路包括用以控制X轴方向和Y轴方向按照Hilbert-Peano分形路径运动的轨迹控制模块。
2.如权利要求1所述的基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，其特征在于：所述研磨主轴结构包括主轴、小盘和定盘，所述小盘连接所述主轴，用四个螺钉和弹簧将定盘与小盘连接，在定盘下方有两个半圆卡固定于小盘的外圈，其中有四个对侧结构分布的压电传感器位于定盘与半圆卡之间。
3.如权利要求1或2所述的基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，其特征在于：所述X向驱动装置包括齿轮齿条结构和X向驱动电机，所述齿轮齿条结构包括齿条和齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述X向驱动电机的输出轴上安装所述齿轮，所述齿条与所述Y向导轨固定连接。
4.如权利要求1或2所述的基于Hilbert-Peano分形路径的研磨加工机构，其特征在于：所述Z向驱动装置为手动升降调节机构。
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