CN210997939U - 一种力/位可控面型自适应磨抛装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种力/位可控面型自适应磨抛装置，包括固定支座，固定支座上固定有步进电机和减速器；减速器的输出端带动一个回转气缸，回转气缸设有供气孔和排气孔；回转气缸连接有旋转支座，旋转支座侧面固定有一驱动电机，旋转支座内支撑有一弹性磨抛轮，驱动电机的输出轴连接有皮带传动机构，皮带传动机构的主动带轮设置在驱动电机输出轴上，被动带轮设置在旋转轮轴的一端上，旋转轮轴的另一端设有中心通气孔，旋转轮轴的中段的同一个横截面上设有多个径向孔，中心通气孔自旋转轮轴的端面至与多个径向孔连通；旋转轮轴的轴线与回转气缸的轴线垂直相交。本实用新型既能调高研磨/抛光效率、降低工具的磨损，又能适应自由曲面的加工需求。

Description

一种力/位可控面型自适应磨抛装置

技术领域

本实用新型涉及一种自由曲面研磨抛光装置，尤其涉及一种力/位可控面型自适应磨抛装置。

背景技术

随着科学及技术的发展，大口径离轴非球面、复杂自由曲面广泛应用于现代光学系统及机械制造装备中，并且元件表面的加工质量很大程度上决定了光学系统的使用性能和设备的应用水平。但是，由于离轴非球面和自由曲面元件的尺寸规格大、表面曲率变化复杂、表面质量要求高等因素的限制，传统的加工手段已经不能满足现代生产加工的需求，尤其是对一些大口径离轴非球面光学表面、自由曲面等加工需要专用的加工设备和很长的加工周期。目前，对于大口径离轴非球面光学表面的工艺过程更是复杂，毛坯经过磨削、铣磨表面成型后，再经过研磨加工，以去除磨削表面形成的面形误差及残余应力等，然后应用专用设备进行精密研磨修整加工，修整之后进行粗抛、半精抛、精密抛光，在此加工过程中，需要根据不同的工艺阶段，使用不同的加工设备，反复测量并规划工艺路线及方法。而且对于大曲率、自由曲面的加工则需采用专用设备，如气囊抛光机床、射流抛光机床、磁流变抛光机床、等离子抛光机床等昂贵的专业化涉笔，从而造成制造成本高昂，难以得到广泛应用和推广。因此，针对复杂自由曲面开发出高效率、高质量、低成本的精密加工技术已经成为国内外先进制造领域研究的热点。

传统的轮式抛光是直接将抛光皮粘接到金属抛光轮外侧，且抛光皮与待加工表面直接接触，在接触区域外部供给抛光液，依靠抛光轮与工件表面的相互作用以去除工件表面材料。在实际加工过程中，由于抛光轮只有单向旋转，很容易在工件表面形成误差复刻现象；而且在加工过程中抛光轮在工件表面上是刚性进给过程，很容易造成工件表面上二次损伤。此外，应用传统的轮式抛光工具与工件的作用区域是切线式，虽然作用区域小，但是加工离轴非球面表面的时候，容易受到抛光轮曲率和尺寸的影响，难以满足小曲率表面的加工需求。

气囊抛光是在半球形柔性气囊工具的外侧包覆一层聚氨酯抛光垫，抛光时候将工具与工件表面直接接触，并通过调节气囊内的气压、工具转速和气囊工具与工件表面的姿态来控制抛光过程中工件表面材料的去除量。在气囊抛光过程中，半球形抛光工具与工件表面是接触区域小，抛光作用区域可控且材料去除率高，因此气囊抛光是为数不多的几种应用于自由曲面加工的抛光方法之一。但是，气囊抛光在加工过程中存在工具磨损的现象，磨粒浓度分布受到多方面因素影响不易预测，这些情况都会对抛光稳定性产生一定影响。另外，气囊抛光工具本身结构尺寸小，作用区域有限，因此在加工大尺寸及大口径光学元件表面时，工具表面易磨损、加工效率低。从而导致加工周期长；

实用新型内容

针对上述现有技术，为了改变现有的研磨抛光加工工艺复杂和效率不高的问题，一方面需要改进传统的加工工艺，另一方面需要设计高效的、多功能的加工装置。本实用新型在传统轮式抛光的技术原理基础上，实用新型设计一种力/位可控面型自适应磨抛装置，该装置能够对磨削后表面进行快速研磨、抛光加工。该装置的抛光轮外侧包覆有一定曲率的弹性橡胶层，橡胶层外侧粘接有抛光皮或研磨垫，抛光轮内部的气压可调，抛光轮在转动的同时也可以在其垂直方向上自由摆动。既能调高研磨/抛光效率、降低工具的磨损，又能适应自由曲面的加工需求。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种力/位可控面型自适应磨抛装置，包括固定支座，所述固定支座上固定有步进电机和减速器；所述减速器的输出端带动一个回转气缸，所述回转气缸设有供气孔和排气孔；所述回转气缸连接有旋转支座，所述旋转支座侧面固定有一个电机座，所述电机座上安装有一驱动电机，所述旋转支座内支撑有一弹性磨抛轮，所述弹性磨抛轮包括旋转轮轴，所述驱动电机的输出轴连接有皮带传动机构，所述皮带传动机构包括主动带轮、同步传动带和被动带轮，所述主动带轮设置在所述驱动电机输出轴上，所述被动带轮设置在所述旋转轮轴的一端上，所述旋转轮轴的另一端设有中心通气孔，所述旋转轮轴的中段的同一个横截面上设有多个径向孔，所述中心通气孔自旋转轮轴的端面至与多个径向孔连通为止；所述旋转轮轴的轴线与所述回转气缸的轴线垂直相交。

进一步讲，本实用新型所述的力/位可控面型自适应磨抛装置，其中，所述步进电机包括脉冲发生器，通过该脉冲发生器控制步进电机的转向和转角，进而通过所述回转气缸带动所述旋转支座在绕回转气缸的轴线往复转动，同时，回转气缸在外部气压驱动下沿回转气缸中心轴线轴向移动。

所述旋转支座绕回转气缸轴线往复转动的角度为0°～±180°，所述旋转支座沿回转气缸轴向移动的行程为10～15mm。

所述旋转支座为门型框架，所述旋转轮轴的两端均设有轴承，门型框架两侧的支撑板上均设有轴承座和轴承盖，所述旋转轮轴通过轴承、轴承座和轴承盖安装在所述旋转支座上。

所述旋转轮轴上沿径向自内向外的设有弹性橡胶层和抛光皮或者研磨垫，所述弹性橡胶层内嵌装有加强内衬层。

所述弹性橡胶层与所述旋转轮轴粘接并密封；所述加强内衬层由金属丝、尼龙材料编织而成。

所述抛光皮是聚氨酯抛光片、羊毛抛光片、海绵抛光片和由超细纤维制成的抛光层材料中的任何一种。

所述研磨垫是固结有研磨颗粒的研磨垫或是由均匀整列分布的研磨丸片构成的研磨垫。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型装置的弹性磨抛轮，外侧由弹性橡胶层、加强内衬层以及外部的研磨垫或者抛光皮组成，与传统的半球式气囊抛光工具相比，本实用新型采用的弹性磨抛轮装置，内部填充压缩气体，磨抛轮与加工表面为柔性接触、且接触压力大小可由外部供气压力和回转气缸调节，且接触力的大小可控，从而有利于保证加工过程中材料去除率的稳定；

(2)本实用新型装置的弹性磨抛轮分别具有自转和摆动旋转的的特点；在加工过程中可单独选用自转或自转和摆动旋转组合的形式以适应不同的表面加工需求；

(3)本实用新型装置的固定支座可以连接到不同机床、机械臂或者其他运动平台上，使轮式气囊抛光装置适应不同的抛光需求；

(4)本实用新型适用于各类金属、非金属材料、硬脆材料等光滑表面及光学表面的的研磨和抛光加工，配合多自由度运动平台可实现平面、非球面及自由曲面的抛光加工；

附图说明

图1为本实用新型力/位可控面型自适应磨抛装置的立体结构示意图；

图2为图1所示本实用新型装置的另一视角的立体结构示意图；

图3为图1中所示的弹性磨抛轮结构示意图。

图中：1-固定支座，2-步进电机，3-减速器，4-回转气缸，5-旋转支座，6-弹性磨抛轮，7-驱动电机，8-电机座，91-主动带轮，92-被动带轮，10-同步传动带，11-轴承端盖，12-轴承座，131-供气孔，132-排气孔，14-旋转接头，601-金属轮轴，602-研磨垫或抛光皮，603-弹性橡胶层，604-加强内衬层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。

如图1和图2所示，本实用新型提出的一种力/位可控面型自适应磨抛装置，包括固定支座1，所述固定支座1上固定有步进电机2和减速器3；所述减速器3的输出端带动一个回转气缸4，所述回转气缸4设有供气孔131和排气孔132，在外部气压的驱动下可自由伸缩；所述回转气缸4连接有旋转支座5，所述旋转支座5在步进电机2和减速器3的驱动下，通过回转气缸4可在±180°内往复摆动旋转或者在更小的角度内往复摆动旋转，其转速范围为：5-100rpm。

所述旋转支座5上固定有一个电机座8，所述电机座8上安装有一驱动电机7，所述旋转支座5内支撑有一弹性磨抛轮6，所述弹性磨抛轮6包括旋转轮轴601(如图3所示)，所述旋转轮轴601的轴线与所述回转气缸4的轴线垂直相交。

所述驱动电机7的输出轴连接有皮带传动机构，所述皮带传动机构包括主动带轮91、同步传动带10和被动带轮92，所述主动带轮91设置在所述驱动电机7输出轴上，所述被动带轮92设置在所述旋转轮轴601的一端上，所述旋转轮轴601的另一端设有中心通气孔，所述旋转轮轴601的中段的同一个横截面上设有多个径向孔，所述中心通气孔自旋转轮轴601的端面至与多个径向孔连通为止，在所述中心通气孔处安装气动旋转接头，通过上述孔道用以向弹性磨抛轮6内部供给一定压力的压缩空气，使其保持一定的弹性和刚度，通过调节供气压力大小来控制弹性磨抛轮6与加工表面间的接触变形程度，弹性磨抛轮内部填充气压的范围可为：0.01-1.0Mpa。

本实用新型中，所述旋转支座5为门型框架，所述旋转轮轴601的两端均设有轴承，门型框架两侧的支撑板上均设有轴承座12和轴承盖11，所述旋转轮轴601通过轴承、轴承座12和轴承盖11安装在所述旋转支座5上。如图3所示，本实用新型中弹性磨抛轮6的结构是，该弹性磨抛轮6包括旋转轮轴601、所述旋转轮轴601上沿径向自内向外的设有弹性橡胶层603和抛光皮或者研磨垫302，所述弹性橡胶层603内嵌装有加强内衬层604。所述弹性橡胶层603与所述旋转轮轴601粘接并密封；所述加强内衬层604由金属丝、尼龙材料编织而成。所述抛光皮是聚氨酯抛光片、羊毛抛光片、海绵抛光片和由超细纤维制成的抛光层材料中的任何一种。所述研磨垫是固结有研磨颗粒的研磨垫或是由均匀整列分布的研磨丸片构成的研磨垫，可根据实际加工应用需求更换合适的研磨、抛光材料，实现不同加工工艺需求；所述弹性磨抛轮6由驱动电机7通过同步带的驱动下旋转，所述弹性磨抛轮6的转速范围为：10-1000rpm，在加工前，通过旋转接头14向弹性磨抛轮6内部通入压缩气体，且气压载荷可由外部气压调压阀控制，气压范围为0.1～1.0Mpa。

本实用新型中，所述步进电机2包括脉冲发生器，通过该脉冲发生器控制步进电机2的转向和转角，进而通过所述回转气缸4带动所述旋转支座5在绕回转气缸4的轴线往复转动的同时在外部气压驱动下可沿回转气缸4的中心轴线轴向移动。所述旋转支座5绕回转气缸4轴线往复转动的角度为0°～±180°，所述旋转支座5沿回转气缸4轴向移动的行程为10～15mm。

利用上述力/位可控面型自适应磨抛装置的加工方法，首先将该自适应磨抛装置的固定支座1安装在数控机床主轴箱上或者多自由度机械臂上，在所述中心通气孔上通过旋转接头连接供气装置，磨抛装置的垂直中心线与所述回转气缸4的轴线重合。通过控制移动平台来控制弹性磨抛轮6的运动轨迹，从而实现工件表面的研磨和抛光工艺。

根据待加工的光学表面的形状，调整磨抛装置的垂直中心线与待加工的光学表面之间的角度或是调整弹性磨抛轮6与待加工的光学表面的接触角度，保持磨抛装置的垂直中心线与待加工表面垂直；也可以调整磨抛轮与加工工件表面的接触角度实现不同曲面的加工。

根据待加工的光学表面的表面形貌误差，利用脉冲发生器控制步进电机2的转向、转角和转速；抑制低频误差时，回转气缸4的转动范围为0～±10°；抑制中频误差时，回转气缸4的转动范围为±10°～±100°；抑制中频误差时，回转气缸4的转动范围为±100°～±180°；所述回转气缸4的转速范围为：0-100rpm。

通过向中心通气孔供气的气压范围为0.1～1.0Mpa，使其保持一定的弹性和刚度；在驱动电机7的驱动下保持弹性磨抛轮10-1000rpm的转速，应用外部移动平台将弹性磨抛轮6与待加工表面接触，并且从外部向接触区域喷洒预先配置好的研磨液或者抛光液；磨抛过程中由于弹性磨抛轮6与工件表面之间的相互作用，会使得上部的回转气缸4承受一定的轴向力，该轴向力可根据气缸内部的压力检测，同时，在磨抛过程中，为了更好地获得恒定的作用力，以保证材料去除率的稳定性，可通过控制输入回转气缸4内气体压力间接地控制磨抛过程中作用力。回转气缸4带动旋转支座5摆动的同时，向回转气缸4的供气孔131通入压缩空气，压缩气体气压可由外部调压阀控制，在外部压缩气体的控制下，给弹性磨抛轮施加载荷，并通过外部压力传感器可监控加工过程中回转气缸4压力大小，进而检测到工具的受力状态，实现通过调节气压实现磨抛过程中接触力的主动控制，以适应不同自由曲面面型变化的工艺需求。

所述在磨抛过程中，将预先混合有研磨/抛光颗粒的抛光液通过外部供液泵均匀喷向弹性磨抛轮与工件接触的区域，在磨抛轮的自转和往复摆动旋转下将研磨/抛光颗粒均匀分散进研磨/抛光区域。

在研磨抛光工艺过程中，既可以单独使用弹性磨抛轮的自转，沿一定运动轨迹去除样件表面材料，也可以将自转和摆动旋转配合使用，实现研磨、抛光工艺。

在研磨/抛光过程中，通过调节弹性磨抛轮自转和往复摆动转速、磨抛轮内部气压和回转气缸供气压力大小来控制加工工件表面材料去除率的稳定控制。

在研磨/抛光过程中，通过控制弹性抛光轮与加工工件表面之间的接触力及接触位姿，可实现复杂曲面的确定性研磨、抛光工艺。

在研磨/抛光过程中，通过更换不同的研磨垫或者抛光皮，可实现不同的加工工艺；同时弹性磨抛轮的转速以及旋转支座的摆动速度可分别通过电机的转速调节；磨抛压力一方面可通过控制弹性磨抛轮内部骐达大小调节，另一方面可通过调节回转气缸的供气了压力大小，调节研磨、抛光作用力，进而可以实现对研磨和抛光工艺过程中材料去除率的定量化和稳定的控制。

实施例一：

在本实例中，可将本实用新型中的固定支座1垂直安装于数控机床工作台上方的主轴箱上，将待加工工件固定在机床工作台上，通过工作台和主轴箱的联合运动，将弹性磨抛轮移动至与待加工表面刚好接触的位置；在弹性磨抛轮外部粘接研磨垫；首先向弹性磨抛轮内部填充气压0.5Mpa，利用压力泵将预先混合好的抛光液喷洒向磨抛轮与加工工件表面接触的区域，开启磨抛轮自转，转速设置为300rpm；调节回转气缸的供气压力，使得磨抛过程中磨抛轮与工件之间的接触压力时时可控。在加工过程中，首先根据工件的初始面型误差计算驻留时间和最优化的加工轨迹，生成数控加工程序，将加工程序导入机床并对工件表面进行精确的研磨，以抑制表面中频误差。

实施例二：

本实例中，可以将本实用新型中的固定支座1安装于可灵活调整移动的工业机器人机械臂上，通过调整机械臂来控制磨抛轮与工件表面接触的位置和姿态，由于供液机器人的多自由度灵活性，可适应不同的复杂自由曲面表面的研磨和抛光工艺的需求。在加工过程中向弹性磨抛轮内部填充气压0.3Mpa，利用压力泵将预先混合好的抛光液喷洒向磨抛轮与加工工件表面接触的区域，开启磨抛轮自转，自转转速为800rpm；调节回转气缸的供气压力，使得磨抛过程中压力时时可控；同时开启回转电机，通过减速器和回转气缸驱动旋转支座在±180°内往复摆动旋转，旋转速度50rpm；弹性磨抛轮的自转和往复摆动旋转，可在加工表面上形成更均匀的材料去除轮廓。

在加工过程中可通过调节磨抛轮自传速度、往复摆动转速、磨抛轮内部气压大小、回转气缸供气压力、加工点的驻留时间及运动轨迹来控制加工区域材料去除量及表面加工精度，抑制表面中高频误差，实现工件表面的精密抛光工艺。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (8)

1.一种力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，包括固定支座(1)，所述固定支座(1)上固定有步进电机(2)和减速器(3)；所述减速器(3)的输出端带动一个回转气缸(4)，所述回转气缸(4)设有供气孔(131)和排气孔(132)；所述回转气缸(4)连接有旋转支座(5)，所述旋转支座(5)侧面固定有一个电机座(8)，所述电机座(8)上安装有一驱动电机(7)，所述旋转支座(5)内支撑有一弹性磨抛轮(6)，所述弹性磨抛轮(6)包括旋转轮轴(601)，所述驱动电机(7)的输出轴连接有皮带传动机构，所述皮带传动机构包括主动带轮(91)、同步传动带(10)和被动带轮(92)，所述主动带轮(91)设置在所述驱动电机(7)输出轴上，所述被动带轮(92)设置在所述旋转轮轴(601)的一端上，所述旋转轮轴(601)的另一端设有中心通气孔，所述旋转轮轴(601)的中段的同一个横截面上设有多个径向孔，所述中心通气孔自旋转轮轴(601)的端面至与多个径向孔连通为止；所述旋转轮轴(601)的轴线与所述回转气缸(4)的轴线垂直相交。

2.根据权利要求1所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述步进电机(2)包括脉冲发生器，通过该脉冲发生器控制步进电机(2)的转向和转角，进而通过所述回转气缸(4)带动所述旋转支座(5)在绕回转气缸(4)的轴线往复转动，同时，回转气缸(4)在外部气压驱动下沿回转气缸中心轴线轴向移动。

3.根据权利要求2所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述旋转支座(5)绕回转气缸(4)轴线往复转动的角度为0°～±180°，所述旋转支座(5)沿回转气缸(4)轴向移动的行程为10～15mm。

4.根据权利要求1所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述旋转支座(5)为门型框架，所述旋转轮轴(601)的两端均设有轴承，门型框架两侧的支撑板上均设有轴承座(12)和轴承盖(11)，所述旋转轮轴(601)通过轴承、轴承座(12)和轴承盖(11)安装在所述旋转支座(5)上。

5.根据权利要求1所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述旋转轮轴(601)上沿径向自内向外的设有弹性橡胶层(603)和抛光皮或者研磨垫(302)，所述弹性橡胶层(603)内嵌装有加强内衬层(604)。

6.根据权利要求5所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述弹性橡胶层(603)与所述旋转轮轴(601)粘接并密封；所述加强内衬层(604)由金属丝、尼龙材料编织而成。

7.根据权利要求5所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述抛光皮是聚氨酯抛光片、羊毛抛光片、海绵抛光片和由超细纤维制成的抛光层材料中的任何一种。

8.根据权利要求5所述力/位可控面型自适应磨抛装置，其特征在于，所述研磨垫是固结有研磨颗粒的研磨垫或是由均匀整列分布的研磨丸片构成的研磨垫。

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