CN206316880U - 一种五轴三维超声抛光机床 - Google Patents

Abstract

一种五轴三维超声抛光机床的，在现有由机架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置组成的五轴二维超声抛光机床的基础上加以改进，将其超声振动抛光装置由原来采用一维超声振动变为采用二维超声振动，二维超声振动由安装在立式旋转台上、通过工位调节孔可调节其夹角的两个超声装置和与超声装置的变幅杆相接的抛光头基座完成，抛光头固定在基座上。该超声抛光机床在抛光头上施加二维超声振动，通过二维超声耦合不仅可提高抛光功率，而且使抛光头的运动轨迹以曲线往复绕行形式均匀覆盖加工区域，使抛光效率明显提高。

Description

一种五轴三维超声抛光机床

技术领域

本实用新型涉及抛光机械，特别是一种用于复杂曲面抛光加工的五轴三维超声抛光机床。

背景技术

随着工业技术的发展，硬脆材料在航空航天、汽车、模具、光学以及半导体等领域展现出广阔的应用前景。光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头、隐形雷达探照镜、高速飞行器窗口、天文望远镜的大型反射镜以及激光发射装置中的光学透镜、棱镜等。硬脆材料光学元件常规切削加工非常困难，通常通过超精密研磨、抛光及超精密磨削加工获得，但该方式加工时间长，加工成本较高。为解决这一加工难题，20世纪初一种超声抛光加工方法开始应用于工业领域。超声抛光可减小切削力和切削温度，减小刀具磨损，提高加工质量，拓展可加工材料范围，特别适合加工玻璃、陶瓷、石英、金刚石以及硅等各种硬脆材料。

为解决目前各种超声抛光机床存在的包括抛光头轴线方向与复杂曲面元件抛光点的法线方向不重合导致的因抛光头与工件表面接触应力不均匀影响工件表面抛光精度；抛光过程中抛光头在最大弹性压缩深度时对工件表面易产生损伤；工件浸泡在抛光液中使超声传递的能量被分散，传递给抛光液中磨粒的能量较少，加工效率较低；抛光过程中工件离线检测反复安装产生的定位误差对加工质量和效率的不利影响等诸多技术问题，本申请人曾在申请号为201611119653.7的中国专利申请说明书中披露了一种曲面加工用五轴二维超声抛光机床。该机床由机架、XYZ三维移动机构、旋转式超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置组成。用其抛光光学复杂曲面元件时，将元件的表面形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动(三维移动和二维转动)，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线始终保持重合；根据抛光需要的雾化程度确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率；旋转式超声振动抛光装置的振幅根据抛光液雾化施液装置和被加工工件的技术参数以及工件最大弹性压缩深度时的临界冲击速度和临界切削速度按计算公式求得；由工件在线检测装置对工件曲面进行在线检测。该超声抛光机床虽然解决了现有超声抛光机床存在的上述技术问题，但因施加在主轴上的一维超声振动只能使抛光头沿主轴方向做往复直线运动，抛光功率较低，同时因抛光加工时抛光头的运动轨迹在复杂曲面上仅为单一的点，加工效率不够高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种抛光功率和抛光加工效率比上述五轴二维超声抛光机床更高的五轴三维超声抛光机床。

本实用新型五轴三维超声抛光机床，其超声振动抛光装置由原来的一维超声振动改为二维超声振动，其余部分，包括机架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置均和五轴二维超声抛光机床相同。

本实用新型五轴三维超声抛光机床，包括机架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置；其中Z向移动机构位于机架的床身上，X向移动机构和Y向移动机构位于机架的机座上；

所述机架包括机座和垂直固定在机座上的床身；

所述Z向移动机构位于机架的床身上，X向移动机构和Y向移动机构位于机架的机座上；

所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身的前壁上、前部带有Z向导轨的Z向导轨座，可沿Z向导轨做Z向移动的Z向移动台，驱动Z向移动台做Z向移动的Z向移动丝杠和驱动Z向移动丝杠转动的Z向伺服电机；所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨的Y向导轨座，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机，Y向移动台上有X向导轨；所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨做X向移动的X向移动台，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机；

所述旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台上的机壳，在机壳的上部有放置被加工工件的卧式旋转台，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋转的卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构，在机壳的侧部有驱动卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机；

所述抛光液超声雾化施液装置包括固定安装在所述机座一侧的五轴机械手，该五轴机械手的前端安装有向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头；

所述工件在线检测装置包括固定安装在所述机座另一侧的五轴机械手，该五轴机械手的前端安装有检测工件抛光面形精度的激光干涉测头；

所述超声振动抛光装置包括立式转动机构和二维超声抛光机构；

所述立式转动机构包括固定安装在所述Z向移动台上的箱式壳体，在箱式壳体的前部有立式旋转台，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转(绕Y向转动)的立式旋转蜗轮蜗杆传动机构，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机；所述二维超声抛光机构包括固定安装在所述立式旋转台上的直角形固定板，在固定板的水平板 下面有对称分布的工位调节孔，通过工位调节孔安装两个左右对称、用于调节两个超声振动装置轴向夹角的超声装置固定板，两个超声振动装置固定板上分别安装超声振动装置I和超声振动装置II，超声振动装置I和超声振动装置II分别由换能器和变幅杆组成，超声振动装置I和超声振动装置II的变幅杆的前端分别与设有和所述工位调节孔相配合的变幅杆连接孔的弧形抛光头基座相接，抛光头安装在抛光头基座上。

上述五轴三维超声抛光机床的使用方法，包括以下步骤：

1)将被加工工件(光学复杂曲面元件)表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动(三维移动和二维转动)，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持重合；

2)通过抛光头的主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置五轴机械手的数控程序，使其与抛光头实现随动，并使抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的夹角保持45±5度；

3)根据抛光需要的雾化程度(液滴的直径)确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率f3(由喷头产品的标定函数给出)；

4)根据工件抛光需要选择超声振动装置I和超声振动装置II的超声振动频率f₁和f₂、超声振动振幅A₁和A₂、超声振动初相位θ₁和θ₂和超声振动装置I和超声振动装置II的轴向夹角α，夹角α通过固定板下面的工位调节孔和与之对应的抛光头基座上的变幅杆连接孔进行调节，

α的取值为：30°、45°、60°、90°中的一种

30°、45°、60°、90°

振幅A₁、A₂的取值范围为：10μm≤A₁≤30μm，

频率f1、f2的取值范围为：20kH_z≤f₁≤55kH_z，并使

θ₁和θ₂两相位的相位差θ＝|θ₁-θ₂|的取值范围为：[0°，20°]∪[70°，90°]；

5)抛光过程中，当工件曲面加工精度需检测时，通过Y向移动机构将工件退出加工区，由工件在线检测装置对工件曲面进行检测，根据检测结果，如需继续进行抛光，通过Y向移动机构将工件退回加工区，继续进行抛光加工。

与背景技术所述五轴二维超声抛光机床相比较，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型在抛光头上施加二维超声振动，不仅可提高抛光功率，而且通过二维超声振动振动方向、振幅、频率和相位差的调节，经耦合后可使抛光头的运动轨迹以曲线往复绕行形式均匀覆盖加工区域，抛光面积增大，抛光效率明显提高。

2、同样，本实用新型通过抛光液超声雾化施液装置的五轴机械手带动超声喷头与抛光头随动，并以与抛光点法线保持45度夹角方向喷射抛光液，使汽雾状态的抛光液对准抛光点喷入抛光头与工件之间，可避免抛光头干磨引起的工件表面损伤，并有利于节约抛光液；通过工件在线测量装置实现抛光过程在线测量，可避免工件离线检测因反复安装产生的定位误差对加工质量和抛光效率的不利影响；也可用其加工直径为300～350mm的大尺寸光学复杂曲面元件。

附图说明

图1是本实用新型超声抛光装置的整体结构示意图，

图2是图1中超声振动抛光装置的转动机构示意图，

图3是图1中超声振动抛光装置的超声振动抛光机构的正面视图，

图4是图3的斜向仰视图(用于显示工位调节孔)，

图5是图3中工位调节孔的示意图，

图6是图3中抛光头基座的示意图，

图7是图1中旋转工作台结构示意图，

图8是图1中抛光液超声雾化施液装置结构示意图，

图9是图8中超声喷头喷洒抛光液的方向示意图，

图10是超声抛光装置抛光头的运动轨迹示意图，

图11是图1中工件在线检测装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型五轴三维超声抛光机床，包括机架；安装在机架上的X向移动机构、Y向移动机构和Z向移动机构；超声振动抛光装置5；旋转工作台；抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置。

所述机架包括机座17和垂直固定在机座上的床身1；所述Z向移动机构位于床身上，所述Z向移动机构位于床身上，X向移动机构和Y向移动机构位于机座上。

所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身前壁上的Z向导轨座3，Z向导轨座前部两侧有Z向导轨26，Z向导轨上有Z向移动台25，Z向移动台由安装在Z向导轨座后部的Z向伺服电机2通过与其连接的Z向移动丝杠4驱动可沿Z向导轨做Z向移动。

所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨16的Y向导轨座15，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台12，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠14和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机13，Y向移动台上有X向导轨21。

所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨21做X向移动的X向移动台22，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠20和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机19。

结合图1至图6，所述超声振动抛光装置5，包括立式转动机构和二维超声抛光机构。

所述立式转动机构如图2所示，包括固定安装在所述Z向移动台22上的箱式壳体501，在箱式壳体的前部有立式旋转台502，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转(绕Y向转动)的立式旋转蜗轮蜗杆传动机构503，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机504。

所述二维超声抛光机构如图3和图4所示，包括固定安装在所述立式旋转台上的直角形固定板505，在固定板的水平板下面有对称分布的工位调节孔506，通过工位调节孔安装两个左右对称、用于调节两个超声振动装置轴向夹角的超声振动装置固定板507和508，两个超声振动装置固定板上分别安装超声振动装置I509和超声振动装置II510，超声振动装置I由换能器5091和变幅杆5092组成，超声振动装置II由换能器5101和变幅杆5102组成，超声振动装置I和超声振动装置II的变幅杆的前端分别与弧形抛光头基座512上表面上的变幅杆连接孔511相接，变幅杆连接孔与所述工位调节孔相互对应，抛光头(513)通过螺栓紧固在抛光头基座上部中心处的夹口中(抛光头工作时不转动)。

如图5和图6所示，所述工位调节孔506和与工位调节孔相对应的变幅杆连接孔511分为四组，其中工位1和1′对应超声振动装置轴向夹角90°，工位2和2′对应超声振动装置轴向夹角60°，工位3和3′对应超声振动装置轴向夹角45°，工位4和4′对应超声振动装置轴向夹角30°。

如图7所示，所述旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台22上的机壳11，在机壳的上部有放置被加工工件8的卧式旋转台9，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋 转的卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构10，在机壳的侧部有驱动卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机23；

如图1和图8所示，所述抛光液超声雾化施液装置包括固定安装在所述机座一侧的五轴机械手7，该五轴机械手的前端安装有向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头6；

如图1和图11所示，所述工件在线检测装置包括固定安装在所述机座另一侧的五轴机械手18，该五轴机械手的前端安装有检测工件抛光面精度的激光干涉测头24。

以下为使用上述五轴三维超声抛光机床加工光学曲面元件的一个实施例。

该光学曲面元件为石英玻璃，尺寸为300mm×300mm×200mm，抛光曲面为凹曲面，抛光液超声雾化施液装置使用的抛光液为碳化硅磨粒悬浊液，超声雾化使用的超声波频率f₃为100KHz。

为了提高抛光功率和抛光加工效率，使用上述五轴三维超声抛光机床对该工件进行抛光。

将该工件表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序；通过抛光头主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置的五轴机械手的数控程序。

超声振动装置I的振幅A₁为20μm，超声振动装置II的振幅A₂为30μm，超声振动装置I的频率f₁为20KHz，超声振动装置II的频率f₂为35KHz，超声振动装置I的初相位θ₁为0°，超声振动装置II的初相位θ₂为90°，通过工位调节孔和变幅杆连接孔将超声振动装置I和超声振动装置II的轴向夹角α为60°。

抛光时，通过程序控制系统使机床五轴联动，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持重合；五轴机械手通过其数控程序控制使抛光液喷射方向与工件抛光点法线保持45度夹角(如图9所示)，超声喷头与抛光头随动。

本实施例抛光头的运动轨迹呈图10所示曲线往复绕行形式均匀覆盖加工区域，其抛光抛光效率比用五轴二维超声抛光机床提高五倍以上。

抛光过程中通过工件在线检测装置对工件先后共进行过5次在线检测，最后得到的加工工件表面光滑无伤痕。

Claims (2)

1.一种五轴三维超声抛光机床，包括机架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置；其中Z向移动机构位于机架的床身(1)上，X向移动机构和Y向移动机构位于机架的机座(17)上；

所述机架包括机座(17)和垂直固定在机座上的床身(1)；

所述Z向移动机构包括固定安装在所述床身的前壁上、前部带有Z向导轨(26)的Z向导轨座(3)，可沿Z向导轨做Z向移动的Z向移动台(25)，驱动Z向移动台做Z向移动的Z向移动丝杠(4)和驱动Z向移动丝杠转动的Z向伺服电机(2)；所述Y向移动机构包括固定安装在所述机座上、上部带有Y向导轨(16)的Y向导轨座(15)，可沿Y向导轨做Y向移动的Y向移动台(12)，驱动Y向移动台做Y向移动的Y向移动丝杠(14)和驱动Y向移动丝杠转动的Y向伺服电机(13)，Y向移动台上有X向导轨(21)；所述X向移动机构包括可沿所述Y向移动台面上的X向导轨(21)做X向移动的X向移动台(22)，驱动X向移动台做X向移动的X向移动丝杠(20)和驱动X向移动丝杠转动的X向伺服电机(19)；

所述旋转工作台包括固定安装在所述X向移动台(22)上的机壳(11)，在机壳的上部有放置被加工工件(8)的卧式旋转台(9)，在机壳的内部安装有驱动卧式旋转台做卧式旋转的卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构(10)，在机壳的侧部有驱动卧式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机(23)；

所述抛光液超声雾化施液装置包括固定安装在所述机座一侧的五轴机械手(7)，该五轴机械手的前端安装有向工件抛光部位喷洒抛光液的超声喷头(6)；

所述工件在线检测装置包括固定安装在所述机座另一侧的五轴机械手(18)，该五轴机械手的前端安装有检测工件抛光面形精度的激光干涉测头(24)；

其特征在于：

所述超声振动抛光装置(5)包括立式转动机构和二维超声抛光机构；

所述立式转动机构包括固定安装在所述Z向移动台(22)上的箱式壳体(501)，在箱式壳体的前部有立式旋转台(502)，在箱式壳体的内部安装有驱动立式旋转台做立式旋转的立式旋转蜗轮蜗杆传动机构(503)，在箱式壳体的上部有驱动立式旋转蜗轮蜗杆传动机构的伺服电机(504)；所述二维超声抛光机构包括固定安装在所述立式旋转台上的直角形固定板(505)，在固定板的水平板下面有对称分布的工位调节孔(506)，通过工位调节孔安装两个左右对称、用于调节两个超声振动装置轴向夹角的超声振动装置固定板(507、508)，两个超声振动装置固定板上分别安装超声振动装置Ⅰ(509)和超声振动装置Ⅱ(510),超声振动装置Ⅰ和超声振动装置Ⅱ分别由换能器(5091、5101)和变幅杆(5092、5102)组成，超声振动装置Ⅰ和超声振动装置Ⅱ的变幅杆(5092、5102)的前端分别与设有和所述工位调节孔相配合的变幅杆连接孔(511)的弧形抛光头基座(512)相接，抛光头(513)安装在抛光头基座上。

2.根据权利要求1所述的五轴三维超声抛光机床，其特征在于：所述工位调节孔(506)和变幅杆连接孔(511)分为四组，分别对应超声振动装置轴向夹角30°、45°、60°、90°。