CN206066125U - 一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法，主要解决抛光过程中去除量不均匀、抛光头定位不精确、抛光工具形状和工件表面的不匹配以及工件因振动产生的误差等问题；本实用新型装置由超声发生部分、激光位移传感器检测部分、粘弹性材料抛光部分以及工作台等几个部分组成；本实用新型针对光学自由曲面进行加工，对较复杂曲面的零件表面，无需经常调整刀具位置，通过调整施力频率，改变粘弹性抛光头的形态，使粘弹性研抛头在加工过程中与工件表面一直保持无缝隙贴合的状态，从而实现对工件的主动柔顺研抛。

Description

一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置

技术领域

本实用新型属于工件表面光整研抛加工技术领域，特别涉及一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛方法与装置，适用于光学自由曲面的超精密加工。

背景技术

随着技术的不断发展，光学自由曲面零件在各行各业的广泛应用，传统的研抛技术以及研发的各种计算机技术已不能够满足高精密复杂光学曲面的加工要求，有关表面质量和面形精度等问题亟待解决。在传统研抛过程之中，抛光工具头不能够很好的与工件表面实现无缝隙贴合，而且在超声振动研抛时工件会因加工震颤产生误差，加工精度无法达到预期的效果。自70年代以来，研抛系统发生了根本改变，向着主动柔顺研抛系统控制的方向发展。主动柔顺研抛控制系统是新兴智能制造中的一个关键技术，也是柔性自动化生产中的重点和难点，它包括电子、自动控制、机械、力学传感器和计算机等众多学科，其理论技术研究面临着不少急待解决的难题。研抛工具系统主动柔顺控制的研究不仅在理论上具有重要意义，而且克服了被动柔顺控制的不足，具有十分广阔的应用前景。

目前，加工光学自由曲面元件主要分为三类：物理加工、化学加工、机械加工。其中物理加工、化学加工由于自身的特点所限制，还有一定的局限性。对于这类原件，车削、铣削以及磨削还有不同程度的缺陷，传统的抛光技术也达不到更高的加工要求，而精密抛光技术不仅可以精确地对曲面表面进行确定性的去除，得到亚微米级的面形精度，还可以得到纳米级的表面粗糙度，其中用粘弹性材料抛光是一大技术创新。

粘弹性材料是一种具有流体特性的材料，粘弹性抛光头在频率较低时呈柔性，频率加快时呈刚性，可通过超声发生系统与气浮导轨改变对其的施力频率，使粘弹性抛光头与工件完全贴合。吉林大学设计了以粘弹性材料为主的非线性粘弹性材料抛光工具，解决了抛光工具柔性不平衡问题，但并未改变粘弹性材料的施力频率。本实用新型采用的研抛头可通过调整施力频率，使粘弹性材料进行柔性与刚性的转变，可使研抛头与工件能够较好的贴合；在加工时，光位移传感器时时检测工作台因震颤产生的误差并且弥补误差，而且旋转台和摆动台可调整工件的不同形态、位姿，从而实现高精度的主动研抛加工，操作简单，实用性强，适用范围广。

发明内容

本实用新型基于抛光工具与工件贴合性不好、抛光过程中产生的机械振动使抛光工具头定位不精确、去除量不均匀等问题，提出了一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置与方法。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案 ：

本实用新型的粘弹性材料的主动柔顺研抛装置由超声波振动系统，超高速/高精度激光位移传感器、X、Y、Z三轴气浮导轨、工作台组、大理石板等几部分构成。支撑梁螺纹连接在大理石板上，X、Y轴气浮导轨螺纹连接在大理石板上，基座螺纹连接在X轴气浮导轨上，摆动台、旋转台螺纹连接在基座上，工作台螺纹连接在旋转台上，被加工工件粘在工作台中心；Z向气浮导轨固定在支撑梁上，超声波振动系统垂直安装在主轴下方；所述超声波振动系统由外套筒、压电陶瓷、前盖板、变幅杆夹紧装置、粘弹性抛光头、变幅杆、绝缘管、电极片、后盖板组成；压电陶瓷、前盖板、电极片以及后盖板之间通过预紧螺栓连接在一起，后盖板下方的变幅杆由其夹紧装置固定，变幅杆夹紧装置在变幅杆的位移零点出夹紧，且与外套筒螺纹连接，粘弹性抛光头安装在变幅杆正下方。

一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛具体实施方法：

1.在对工件进行加工前，根据粘弹性材料性质，实验测得当P<P1时，粘弹性抛光头呈现很强的柔性，当P1>P>P2时，粘弹性抛光头处于刚性柔性的转换，当P>P2时，粘弹性抛光头呈现很强的刚性。

2.将被加工工件固定在工作台上，通过调整X、Y、Z三轴气浮导轨，使粘弹性抛光头对准被加工工件，根据工件表面曲面特征和粘弹性材料特性调整研抛工具头振动频率。根据之前测得数据可知：当曲率变化较大时，通过Z方向气浮导轨往复进给，使其以P<P1的低频振动,使粘弹性抛光头呈现流体特性，能够更好的与被加工工件表面贴合并进行研抛精密加工；当曲率变化平缓时，通过换能器把超声发生器发出的信号转换成微位移，再通过变幅杆放大机构将其传到抛光头，使其以P1>P2的频率往复振动，粘弹性抛光头呈现出更强的刚性，使其达到柔顺研抛所需的要求。

3.对于复杂的加工曲面，通过调整摆动台的摆角、旋转台的转角使工件处于最合适的加工位置，再通过粘弹性材料抛光头进行柔顺研抛，加工过程中，激光位移传感器将激光照射到工作台上，并接收反馈回来的激光，利用其超高的速度、精度特性检测振动偏差，将数据收集处理，并反馈到超声波发生器，再调整相应的发射频率和后盖板的阻抗，弥补工作台因振动产生的误差，从而实现主动柔顺研抛加工。

本实用新型由于采用以上技术方案，具有以下有益效果 ：

（1）本发明为使研抛光学自由曲面过程中抛光头与工件实现无缝隙贴合，故采用粘弹性材料做抛光头，来达到抛光工具形状和工件表面的相匹配的目的，保证了合理的研抛加工接触形态。

（2）通过对粘弹性抛光头进行频率测试，标定柔性抛光频率阶段和刚性抛光频率阶段，通过调整施力频率,使粘弹性材料进行柔性与刚性的转变并根据工件曲面曲率变化，配合摆动与旋转工作台，调整工件的角度、位姿，使其与抛光头完全贴合，从而实现高精度主动柔顺研抛。

（3）激光位移传感器通过发射激光对工作台时时检测，可降低因超声波研抛系统使被加工工件振颤而产生的误差，能够提高有效位置精度，且操作简单、实用性强、适用范围广。

附图说明

图1本发明的整体结构图；

图2粘弹性抛光工具结构图；

图3本发明工作原理流程图。

附图标记说明：

1—Z向气浮导轨、2—滑块、3—支撑梁、4—超声波振动系统、5—电机、6—基座、7—大理石板、8—X向气浮导轨、9—Y向气浮导轨、10—摆动台、11—旋转台、12—工作台、13—主轴、401—外套筒、402—压电陶瓷、403—前盖板、404—变幅杆夹紧装置、405—粘弹性抛光头、406—变幅杆、407—绝缘管、408—电极片、409—后盖板。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型的一种粘弹性材料的主动柔顺研抛装置由大理石板（7）、支撑梁（3）、超声振动系统(4)、激光位移传感器、XYZ方向的气动导轨(8、9、1)、工作台组构成。

工件粘在工作台（12）中央，通过调整工作台（12）下方的摆动台（10）和旋转台（11）的位姿满足加工复杂曲面的要求，所述摆动台（10）和旋转台（11）由基座（6）两侧的电机（5）驱动；X向气浮导轨（8）实现对工件的X向行程进给，工件Y向的行程进给由Y向双平行轴气浮导轨（9）精确控制，所述X、Y方向的气浮导轨（8、9）固定在大理石板（7）上，大理石板（7）具有隔震作用，可保证加工时装置的稳定性；Z向气浮导轨（1）控制主轴（13）的纵向往复进给，可满足粘弹性抛光头（405）低频加工时的振动频率。

如图2所示，本实用新型超声波高频振动原理如下：超声波发生器将高频信号传到换能器，所述换能器由压电陶瓷（402）、前盖板（403）、绝缘管（407）、电极片（408）、后盖板（409）组成，换能器将电信号转换成微位移，通过变幅杆（406）将微位移放大，并传至粘弹性抛光头（405），根据粘弹性材料的特性，高频振动可使其刚性增强，从而达到主动柔顺研抛的目的。压电晶片（408）的谐振频率是电负载阻抗 Z 的函数,即通过改变电负载阻抗 Z 可以实现谐振频率的调节。

如图3所示本实用新型所述具体实施方法如下：超声波发生器将高频信号传到换能器，换能器将电信号转换成微位移，通过变幅杆（406）将微位移放大，并传至粘弹性抛光头（405），研抛过程中，高频振动会使工件产生额外的振动误差，超精密位移传感器可时时检测此时研抛过程中产生的误差，并将误差反馈，经数据处理后，调整超声波发生器发射频率与换能器前盖板（404）的阻抗，从而弥补工件的振动误差，实现超精密主动柔顺研抛。

Claims (4)

1.一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，包括超声发生器、超声波振动系统（4）、超高速/高精度激光位移传感器、XYZ三方向的气浮导轨(8、9、1)、工作台组；整个装置螺纹连接在大理石板（7）上，以保证在研抛时装置的稳定加工；电机（5）和X、Y气浮导轨（8、9）共同控制被加工工件的位置、形态，Z向气浮导轨（1）固定在支撑梁（3）上，主轴（13）随滑块（2）移动，超声波振动系统（4）垂直安装在主轴下方，实现对工件的主动柔顺研抛。

2.由权利要求1所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，其特征在于：超声波振动系统（4）由外套筒（401）、压电陶瓷（402）、绝缘管（407）、前盖板（403）、变幅杆夹紧装置（404）、粘弹性抛光头（405）、变幅杆（406）、电极片（408）、后盖板（409）组成；后盖板（409）、压电陶瓷（402）、电极片（408）以及前盖板（403）之间通过预紧螺栓紧固，后盖板下方的变幅杆（406）由其夹紧装置（404）固定，变幅杆夹紧装置（404）在变幅杆（406）的位移零点出夹紧，且与外套筒(401)螺纹连接，粘弹性抛光头(405)固定在变幅杆（406）的正下方。

3.由权利要求1所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，其特征在于：工作台组由摆动台（10）、旋转台（11）组成，摆动台（10）螺纹连接在基座（6）上，旋转台（11）螺纹连接在摆动台（10）上；摆动台（10）由螺纹连接在基座（6）两侧的电机（5）驱动，工作台通过螺纹连接固定在旋转台（10）上，被加工工件粘在工作台中心位置 ，通过调整摆动台（10）与旋转台（11）的位姿使被加工工件处于最合适的加工形态。

4.由权利要求1所述一种基于粘弹性材料的主动柔顺研抛装置，其特征在于：超高速/高精度激光位移传感器时时检测研抛时因振动产生的误差，并将误差反馈，经数据处理后，调整超声波发生器的频率，从而弥补研抛时因振动产生的误差，实现对被加工工件超高精密加工。