專利名稱：用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到磁流變拋光的技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于超大口徑非球面光學(xué)零件 的磁流變拋光裝置。
技術(shù)背景根據(jù)瑞利判據(jù)，光學(xué)系統(tǒng)分辨遠(yuǎn)場(chǎng)兩物點(diǎn)的極限角距離A S = 1.22/1// ，式中幼光 學(xué)系統(tǒng)的有效口徑，因此增大光學(xué)系統(tǒng)的有效口徑是提高光學(xué)系統(tǒng)分辨能力的基本途徑。 以空間相機(jī)為例，衛(wèi)星的高度大約在200 300km,為了獲得高分辨率，要求相機(jī)口徑至 少為0.5 lm。在空間望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域，主鏡口徑也越來(lái)越大，例如歐洲南方天文臺(tái)的EUR050 望遠(yuǎn)鏡，其主鏡尺寸為50m，由618個(gè)直徑2m的非球面子鏡拼接而成。非球面鏡發(fā)展的另一個(gè)重要趨勢(shì)是新型復(fù)雜光學(xué)鏡面的不斷涌現(xiàn)。隨著現(xiàn)代光學(xué)技 術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種功能強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件得到開發(fā)和應(yīng)用，從而使得在光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)復(fù)雜的光學(xué)鏡面成為可能。最為常見的為大型離軸非球面、高陡度保 形光學(xué)非球面以及各種自由曲面光學(xué)鏡面等。當(dāng)前直徑8米以上天文望遠(yuǎn)鏡主鏡都是由 1 2米離軸非球面子鏡拼接而成的。綜上所述，當(dāng)前非球面鏡的發(fā)展趨勢(shì)是朝著高精度、超大口徑、大相對(duì)口徑方向發(fā) 展；追求高效、低成本的加工工藝；同時(shí)各種復(fù)雜形面的新型光學(xué)鏡面不斷涌現(xiàn)。磁流變拋光技術(shù)就是將電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、分析化學(xué)理論相結(jié)合提出的一種新型 的光學(xué)零件加工方法，它利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的固液相相互轉(zhuǎn)化的特性，通過控制外磁場(chǎng)對(duì)磁流變拋光液的剪切屈服應(yīng)力和局部形狀來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，創(chuàng)造一個(gè)能夠與 被加工光學(xué)表面相吻合的"柔性拋光模"，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)玻璃等硬脆材料的研磨、拋光修 形加工。相對(duì)傳統(tǒng)拋光加工方法而言，這種技術(shù)具有拋光效率高、去除函數(shù)穩(wěn)定、邊緣 效應(yīng)小等顯著的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究基本上還處于實(shí)驗(yàn)室階段，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清 華大學(xué)等對(duì)光學(xué)玻璃磁流變拋光技術(shù)進(jìn)行了一些基本的研究，建立了一些基礎(chǔ)的研究設(shè)備。如圖1、 2、 3所示為國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究所建立的一些磁流變拋光裝置的示意圖，哈工 大先后采用了圖1和圖2所示的加工方式，由于被加工光學(xué)零件固定在拋光模的上方， 所以加工零件的尺寸就受到了限制；中國(guó)專利號(hào)03153996.3，發(fā)明名稱電磁方式磁 流變拋光頭，就是清華大學(xué)開發(fā)的如圖3所示的公自轉(zhuǎn)的拋光輪裝置。由于在該裝置中，磁流變拋光液不能被循環(huán)使用，所以不能保證磁流變拋光液的成份在長(zhǎng)時(shí)間里不發(fā)生變 化即"拋光模"不發(fā)生變化，而大尺寸光學(xué)零件的加工時(shí)間很長(zhǎng)，因此該系統(tǒng)不適應(yīng)大 尺寸光學(xué)零件的加工。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00610043079.1，發(fā)明名稱磁流變?nèi)嵝跃伖庠O(shè)備和方法，該發(fā)明也不能解決大口徑光學(xué)零件加工的難題p綜上所述，由于所采用的加工方式的局限或者一些技術(shù)上的難題沒有解決。對(duì)于超大口徑光學(xué)零件磁流變加工機(jī)床存在的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有以下幾點(diǎn)(1)超大口徑光 學(xué)零件在磁流變加工過程中的精度控制問題傳統(tǒng)光學(xué)零件的加工通常需要一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái) 實(shí)現(xiàn)工件的裝夾和旋轉(zhuǎn)，然而對(duì)于超大口徑的光學(xué)零件，如此大尺寸的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)在成 本上是難以接受的，國(guó)際上對(duì)于重型的超大口徑光學(xué)零件往往采用多點(diǎn)支撐或者環(huán)帶支 撐的方式，不需要固定，然而對(duì)于超大口徑輕質(zhì)零件卻不能采用這種支撐，這種支撐無(wú) 法對(duì)工件固定，在加工過程中帶來(lái)較大的尺寸變形，因此對(duì)于超大口徑的非球面光學(xué)零 件需要合適的的支撐及裝夾形式。(2)要實(shí)現(xiàn)對(duì)超大口徑光學(xué)零件的磁流變加工，在不 需要轉(zhuǎn)臺(tái)的情況下，只能采用X-Y掃描方式的加工路徑，這樣就需要機(jī)床的整個(gè)橫梁是可移動(dòng)的，并且要求具有一定的速度和加速度特性，而大跨度的橫梁比較沉重，慣性大， 要滿足磁流變加工采用的速度模式或者位置模式，橫梁的運(yùn)動(dòng)需要具有較高的動(dòng)態(tài)性能，因此需要解決橫梁運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)特性及控制問題。(3)目前，磁流變拋光裝置中磁流變液的噴嘴及回收部分位于工件的上方，而磁流變液體的循環(huán)裝置卻放置在機(jī)床以外的 控制柜內(nèi)，當(dāng)用于超大口徑零件加工時(shí)，超大量程會(huì)導(dǎo)致磁流變拋光裝置的加工部分與 磁流變拋光液循環(huán)裝置之間的管路連接過長(zhǎng)，在運(yùn)動(dòng)過程中磁流變拋光液管路的大范圍 運(yùn)動(dòng)及磁流變液進(jìn)出口之間高度差的過大變化干擾了磁流變拋光液性能的穩(wěn)定性，因此需要解決大量程運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響磁流變拋光液性能穩(wěn)定性的問題。(4)用于超大口徑光 學(xué)零件加工機(jī)床的可移動(dòng)橫梁跨度比較大，撓度變形比較大，在保證變形條件的基礎(chǔ)上， 還要滿足磁流變拋光的加工要求，及盡可能保證磁流變拋光液的穩(wěn)定性，需要對(duì)橫梁進(jìn) 行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、控制簡(jiǎn)單、適用范圍廣、加工能力強(qiáng)的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，尤其適用于1000mm 2000mm的超大口徑非球面光學(xué)零件。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為 一種用于超大口徑非球面光學(xué)零 件的磁流變拋光裝置，其特征在于它包括機(jī)床、磁流變拋光裝置以及與分別以上各組件相連的控制系統(tǒng)，機(jī)床包括用來(lái)放置待加工工件的床身以及X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、可 移動(dòng)龍門、Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及A軸轉(zhuǎn)臺(tái)， X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于床身上兩側(cè)，可移動(dòng)龍門的兩個(gè)立柱分別固定于X軸向直線運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于可移動(dòng)龍門的橫梁上，Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 固定于Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，用來(lái)安裝磁流變拋光裝置的A軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定于Z軸 向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，所述磁流變拋光裝置的磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)通過第四直線 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于橫梁上，第四直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向一致，磁 流變拋光裝置位于待加工工件的正上方。所述磁流變拋光裝置包括雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)以及安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)上的倒置式拋 光頭，雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)臺(tái)、橫梁、第一支撐臂、第二支撐臂、轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)以及旋轉(zhuǎn) 電機(jī)，轉(zhuǎn)臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)相連，橫梁安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)上，第一支撐臂和第二支撐臂相對(duì)安裝于 橫梁的兩端，第一支撐臂和第二支撐臂上相對(duì)位置處開設(shè)有用來(lái)安裝倒置式拋光頭的軸 孔，裝設(shè)于第一支撐臂或第二支撐臂上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過減速機(jī)與倒置式拋光頭相連。所述倒置式拋光頭包括支架、拋光輪、懸臂、磁場(chǎng)發(fā)生裝置以及拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 支架通過轉(zhuǎn)軸安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)上，支架上一側(cè)設(shè)有懸臂，拋光輪通過拋光輪轉(zhuǎn)軸 裝設(shè)于懸臂上，拋光輪轉(zhuǎn)軸與固定于支架上的拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，與控制系統(tǒng)相連的 磁場(chǎng)發(fā)生裝置安裝于拋光輪內(nèi)。所述磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)包括通過管路相連的噴嘴、回收器、儲(chǔ)液罐、輸出泵、 加水泵、回收泵以及用來(lái)控制輸出泵的調(diào)速裝置，噴嘴和回收器分別位于拋光輪的一側(cè)， 噴嘴通過輸出管路和輸出泵與儲(chǔ)液罐相連組成拋光液輸出回路，回收器通過回收泵和回 收管路與儲(chǔ)液罐相連組成拋光液回收回路，加水泵與儲(chǔ)液罐相連組成粘度調(diào)節(jié)回路；所 述拋光液輸出回路的輸出管路上裝設(shè)有流量計(jì)和粘度計(jì)，輸出泵、加水泵、流量計(jì)和粘 度計(jì)均與控制系統(tǒng)相連。所述橫梁的橫截面為呈階梯狀的近三角形。所述X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第四直線運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，均包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲桿、導(dǎo)軌以及滑塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián) 軸器與絲桿相連，滑塊滑設(shè)于導(dǎo)軌中。所述床身包括基座和立柱底座，立柱底座位于基座的兩端，基座上開設(shè)有T形槽。所述基座的底部設(shè)有一個(gè)以上的千斤頂。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于1、 本發(fā)明提供了一種加工超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光的工具；2、 本發(fā)明采用同步雙驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)式龍門結(jié)構(gòu)，使得機(jī)床具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能夠 滿足超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光加工的需求；3、 本發(fā)明的機(jī)床可以直接將工件放置在機(jī)床床身形成的工作臺(tái)面上，這樣將傳統(tǒng)機(jī) 床上帶T型槽工作臺(tái)的固定與裝夾方式應(yīng)用到光學(xué)零件的加工機(jī)床上，保證了不同種類 的超大口徑光學(xué)零件在加工過程中的尺寸變形最小，這樣有利于保證工件的面形精度， 而且裝夾簡(jiǎn)單方便；4、 本發(fā)明的磁流變液循環(huán)系統(tǒng)直接放置在可移動(dòng)龍門上，這樣大大縮短了磁流變液 儲(chǔ)液罐、輸出泵等部分與噴嘴之間的管路距離，并且與Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一同沿著橫 梁移動(dòng)和Z向移動(dòng)，既減小了磁流變液循環(huán)性系統(tǒng)進(jìn)出口之間的高度差，又避免了大范 圍管路移動(dòng)造成的磁流變液流量的波動(dòng)及流速的波動(dòng)等問題，使得磁流變液盡可能保持 長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，保證良好的加工精度。5、 本發(fā)明采用可移動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)，其中的橫梁結(jié)構(gòu)在基于仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè) 計(jì)，設(shè)計(jì)成具有階梯形狀的近三角形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)在保證橫梁變形在可接受范圍的 基礎(chǔ)上，既保證了 Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，又解決了在盡可能少用導(dǎo)軌原則基礎(chǔ)上 磁流變液循環(huán)系統(tǒng)在橫梁上移動(dòng)的后置問題，這樣的方案也降低了機(jī)床成本。


圖1是傳統(tǒng)磁流變拋光加工方式的結(jié)構(gòu)示意圖一；圖2是傳統(tǒng)磁流變拋光加工方式的結(jié)構(gòu)示意圖二；圖3是傳統(tǒng)磁流變拋光加工方式的結(jié)構(gòu)示意圖三；圖4是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明中機(jī)床的自由度示意圖；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施例中床身結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明具體實(shí)施例中X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明具體實(shí)施例中可移動(dòng)龍門的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明具體實(shí)施例中橫梁橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明具體實(shí)施例中Y及Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明具體實(shí)施例中Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z向溜板結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是本發(fā)明具體實(shí)施例中磁流變拋光液循環(huán)裝置的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是本發(fā)明具體實(shí)施例中具有雙轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的磁流變拋光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是本發(fā)明具體實(shí)施例中雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖15是圖14的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明具體實(shí)施例中倒置式拋光頭的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖17是圖16的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖18是本發(fā)明具體實(shí)施例中階梯狀近三角結(jié)構(gòu)的橫梁在受力情況下變形仿真結(jié)果示 意圖；圖19是本發(fā)明實(shí)施例Y向移動(dòng)工作臺(tái)在受力情況下變形仿真結(jié)果示意圖。圖例說(shuō)明1、機(jī)床101、床身 102、 X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)103、 Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 104、 Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、拋光裝置201、雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)202、倒置式拋光頭203、轉(zhuǎn)臺(tái)204、橫梁205、第一支撐臂206、第二支撐臂207、轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)208、旋轉(zhuǎn)電機(jī)209、減速機(jī)210、軸孔211、支架212、拋光輪213、懸臂215、轉(zhuǎn)軸216、拋光輪轉(zhuǎn)軸217、拋光輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)218、拋光輪減速機(jī)219、主動(dòng)帶輪220、從動(dòng)帶輪221、同步帶3、 X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)302、 X軸電機(jī)303、x軸電機(jī)座304、 X軸聯(lián)軸器305、X軸絲杠306、 X軸絲杠螺母307、X軸絲杠螺母套308、 X軸軸承座309、x軸導(dǎo)軌310、 X軸導(dǎo)軌滑塊4、可移動(dòng)龍門401、立柱402、橫梁5、 Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)501、 Y向移動(dòng)工作臺(tái)502、 Y軸電機(jī)503、 Y軸電機(jī)座504、 Y軸聯(lián)軸器505、 Y軸絲杠506、 Y軸絲杠螺母507、 Y軸絲杠螺母套508、 Y軸軸承座509、 Y軸導(dǎo)軌510、 Y軸導(dǎo)軌滑塊511、磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)512、 Y向移動(dòng)工作臺(tái)循環(huán)系統(tǒng)連接板513、第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6、磁流變拋光液循環(huán)裝置601、噴嘴602、回收器603、儲(chǔ)液罐604、輸出泵605、加水泵606、輸出管路607、回收泵608、回收管路609、流量計(jì)610、粘度計(jì)611、計(jì)算機(jī)612、調(diào)速裝置7、 Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)701、 Z向溜板702、 Z軸電機(jī)703、 Z軸電機(jī)座704、 Z軸聯(lián)軸器705、 Z軸絲杠706、 Z軸絲杠螺母707、 Z軸絲杠螺母套708、 Z軸軸承座709、 Z軸導(dǎo)軌710、 Z軸導(dǎo)軌滑塊711、 Z軸導(dǎo)軌底座801、基座802、 T型槽803、立柱底座9、 A軸轉(zhuǎn)臺(tái)10、工件11、千斤頂12、控制柜現(xiàn)有技術(shù)中(即圖l、圖2和圖3中)1301、磁場(chǎng)發(fā)生裝置1302、工件1303、旋轉(zhuǎn)軸1304、拋光盤1305、磁流變拋光液1401、磁場(chǎng)發(fā)生裝置1402、工件1403、旋轉(zhuǎn)軸1404、拋光輪1405、磁流變拋光液1406、輸出泵1501、磁性拋光輪1502、磁鐵1503、隔磁板 1504、磁砸1505、自轉(zhuǎn)軸 1506、公轉(zhuǎn)軸具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖4所示，本發(fā)明的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，它包括機(jī) 床1、磁流變拋光裝置2以及與分別以上各組件相連的控制系統(tǒng)，機(jī)床1包括用來(lái)放置待 加工工件10的床身101上以及X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、可移動(dòng)龍門4、 Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)5、 Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7、第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)513以及A軸轉(zhuǎn)臺(tái)9， X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)3布置于床身101上兩側(cè)，可移動(dòng)龍門4的兩個(gè)立柱401分別固定于X軸向直線運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)3的滑塊上，Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5布置于可移動(dòng)龍門4的橫梁402上，Z軸向直線 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7固定于Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的滑塊上，用來(lái)安裝磁流變拋光裝置2的A軸 轉(zhuǎn)臺(tái)9固定于Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7的滑塊上，磁流變拋光裝置2的磁流變拋光液循環(huán) 系統(tǒng)6通過第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)513固定于橫梁402上，第四直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)513與Z軸向 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7的運(yùn)動(dòng)方向一致，磁流變拋光裝置2位于待加工工件10的正上方。本實(shí)施例中，參見圖4、圖5、圖6和圖7所示，X軸導(dǎo)軌滑塊310和X軸絲杠305 相連接，X軸絲杠305與X軸軸承座308和X軸電機(jī)座303相連接，而X軸電機(jī)302固定 在電機(jī)座303上，通過X軸聯(lián)軸器304實(shí)現(xiàn)與X軸絲杠305的連接，X軸電機(jī)座303和X 軸軸承座308固定在床身兩側(cè)的立柱底座202上，X軸導(dǎo)軌309也固定在立柱底座202 上，這樣X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3分別通過X軸導(dǎo)軌滑塊310和X軸絲杠螺母連接套307 實(shí)現(xiàn)了與機(jī)床床身2上的連接。X軸導(dǎo)軌滑塊310和X軸絲杠螺母連接套307固定在可移 動(dòng)龍門4的立柱401上。本發(fā)明采用具有同步雙驅(qū)動(dòng)形式，可移動(dòng)龍門4是為解決橫梁 運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性而設(shè)計(jì)的，是在橫梁兩側(cè)連接立柱的下方，采用較大功率雙伺服電機(jī)同 步驅(qū)動(dòng)的形式。本實(shí)施例中，參見圖7、圖8和圖9所示，X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3包括可移動(dòng)龍門4， 而可移動(dòng)龍門4包括立柱401和橫梁402，其中橫梁402設(shè)計(jì)成具有階梯狀的近三角形結(jié) 構(gòu)，而立柱401則設(shè)計(jì)成Y向非對(duì)稱向內(nèi)多支撐的結(jié)構(gòu)。Y向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5安裝在X 軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3上，其中Y軸導(dǎo)軌滑塊510和Y軸絲杠505相連接，Y軸絲杠505 與Y軸軸承座508和X軸電機(jī)座503相連接，而Y軸電機(jī)502固定在電機(jī)座503上，通 過Y軸聯(lián)軸器504實(shí)現(xiàn)與Y軸絲杠505的連接，Y軸電機(jī)座503和Y軸軸承座508固定在 橫梁402上，Y軸導(dǎo)軌509也固定在橫梁402上，這樣Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5分別通過Y軸導(dǎo)軌滑塊510和Y軸絲杠螺母連接套507實(shí)現(xiàn)了與橫梁402的連接。本實(shí)施例中，參見圖10與圖11所示，Y軸導(dǎo)軌滑塊510和Y軸絲杠螺母連接套507 固定在Y向移動(dòng)工作臺(tái)501上。在Y向移動(dòng)工作臺(tái)501前面，Z軸絲杠705與Z軸軸承座 708和Z軸電機(jī)座703相連接，而Z軸電機(jī)702固定在電機(jī)座703上，通過Z軸聯(lián)軸器 704實(shí)現(xiàn)與Z軸絲杠705的連接，Z軸電機(jī)座703和Z軸軸承座708固定在Y向移動(dòng)工作 臺(tái)501上，Z軸導(dǎo)軌709固定在Z軸導(dǎo)軌底座711上，Z軸導(dǎo)軌底座711固定Y向移動(dòng)工 作臺(tái)501上，這樣Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7分別通過Z軸導(dǎo)軌滑塊710和Z軸絲杠螺母連 接套707實(shí)現(xiàn)了與Y向移動(dòng)工作臺(tái)501的連接。Z軸導(dǎo)軌滑塊710和Z軸絲杠螺母連接套 707固定在Z向溜板701上。而整個(gè)磁流變拋光裝置加工部分105通過Z向溜板701實(shí)現(xiàn) 了與機(jī)床本體的連接。另外磁流變液循環(huán)裝置511通過第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)513與Y向移 動(dòng)工作臺(tái)循環(huán)系統(tǒng)連接板512相連接，與Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7—樣，實(shí)現(xiàn)了磁流變液 循環(huán)裝置511沿著Z向的升降，保證了磁流變進(jìn)出泵口之間的高度差保持恒定。本發(fā)明 置于可移動(dòng)橫梁上的磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)是指將磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)6中供應(yīng)液體 的部分裝置放置在橫梁402后方的導(dǎo)軌上，該部分能夠沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)Z向的運(yùn)動(dòng)，與磁 流變拋光裝置2—起上下運(yùn)動(dòng)，以保證磁流變液的進(jìn)出口高度差保持恒定；同時(shí)該部分 與Y向移動(dòng)工作臺(tái)501 —起可以沿著橫梁402做Y向移動(dòng)，這樣盡可能縮短了磁流變液 循環(huán)管道的長(zhǎng)度，降低了因管道運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的磁流變液流量的穩(wěn)定問題。具體包括導(dǎo)軌、 電機(jī)、絲杠和后置磁流變拋光液部分循環(huán)系統(tǒng)，這一部分與Y向移動(dòng)工作臺(tái)501固連， 位置上對(duì)稱于橫梁402的前后兩側(cè)。本實(shí)施例中，機(jī)床床身101包括基座801和立柱底座803，立柱底座803安置在機(jī)床 床身101的兩側(cè)，用來(lái)支撐可移動(dòng)龍門301。機(jī)床的基座801具有較高的面形精度，并有 標(biāo)準(zhǔn)的T型槽802，工件10可以直接放置在基座801上。本實(shí)施例中，參見圖18所示， 在選擇材料的基礎(chǔ)上，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形狀的橫梁402在受力情況下的變形進(jìn)行了仿真分析， 最后設(shè)計(jì)出具有階梯狀近三角形結(jié)構(gòu)的橫梁，可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫梁最大變形為2. 63 微米，在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)。本實(shí)施例中，參見圖19所示，對(duì)Y向移動(dòng)工作臺(tái)501的形 狀也進(jìn)行了多次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后確定為背部具有近三角肋板支撐的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu) 提高了 Z向移動(dòng)平臺(tái)的剛度，同時(shí)兼顧了循環(huán)系統(tǒng)后置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。具有T型槽802 的高精度超大床身101是為解決超大口徑光學(xué)零件的支撐和裝夾而設(shè)計(jì)的，是采用機(jī)床 101上傳統(tǒng)的T型槽802工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，使用研磨的方法以獲取高精度面形的工作臺(tái)面作為 床身，從而解決不同種類的超大口徑光學(xué)零件的裝夾和支撐問題。本發(fā)明采用特殊設(shè)計(jì)的橫梁，從橫梁402的端面來(lái)看，橫梁402的結(jié)構(gòu)成階梯狀近三角形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是為 解決技術(shù)問題三和四而設(shè)計(jì)的，階梯狀結(jié)構(gòu)主要是為安裝導(dǎo)軌所考慮，三角形結(jié)構(gòu)是在 保證橫梁402變形較小的基礎(chǔ)上，盡量增大沿著橫梁402移動(dòng)的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)距 離，保證該結(jié)構(gòu)的剛性較好，同時(shí)兼顧了在少用導(dǎo)軌節(jié)儉成本原則的情況下，滿足磁流 變液循環(huán)系統(tǒng)置6于可移動(dòng)龍門4上的要求，以保證磁流變液性能的穩(wěn)定性。橫梁402 與Y向移動(dòng)工作臺(tái)501是通過絲杠與絲杠螺母和導(dǎo)軌與導(dǎo)軌滑塊實(shí)現(xiàn)連接。本實(shí)施例中，參見圖12所示，磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)6包括通過管路相連的噴嘴601 、 回收器602、儲(chǔ)液罐603、輸出泵604、加水泵605、回收泵607以及用來(lái)控制輸出泵604 的調(diào)速裝置612，噴嘴601和回收器602分別位于拋光輪212的一側(cè)，噴嘴601通過輸出 管路606和輸出泵604與儲(chǔ)液罐603相連組成拋光液輸出回路，回收器602通過回收泵 607和回收管路608與儲(chǔ)液罐603相連組成拋光液回收回路，加水泵605與儲(chǔ)液罐603 相連組成粘度調(diào)節(jié)回路；所述拋光液輸出回路的輸出管路606上裝設(shè)有流量計(jì)609和粘 度計(jì)610，輸出泵604、加水泵605、流量計(jì)609和粘度計(jì)610均與控制系統(tǒng)相連。對(duì)于 磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)6來(lái)說(shuō)，除了噴嘴601、回收器602及控制計(jì)算機(jī)611以外，其它 部分即圖中虛線框內(nèi)的設(shè)備都放置在Y向移動(dòng)工作臺(tái)501的后面，兩部分之間通過輸出 管路606和回收管路608相連接，整個(gè)磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)6隨Y向移動(dòng)工作臺(tái)501 沿Y向運(yùn)動(dòng)?？刂朴?jì)算機(jī)611放置在機(jī)床旁的控制柜內(nèi)。參見圖13、圖14、圖15、圖16和圖17所示，本實(shí)施例中，拋光裝置2包括雙轉(zhuǎn)軸 支承機(jī)構(gòu)201以及安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)201上的倒置式拋光頭202，雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu) 201包括轉(zhuǎn)臺(tái)203、橫梁204、第一支撐臂205、第二支撐臂206、轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)207以及旋轉(zhuǎn) 電機(jī)208，轉(zhuǎn)臺(tái)203與轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)207相連，橫梁204安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)203上，第一支撐臂205 和第二支撐臂206用螺釘相對(duì)安裝于橫梁204的兩端，第一支撐臂205和第二支撐臂206 上相對(duì)位置處開設(shè)有用來(lái)安裝倒置式拋光頭202的軸孔210，裝設(shè)于第一支撐臂205或第 二支撐臂206上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)208通過減速機(jī)209與倒置式拋光頭202相連。通過轉(zhuǎn)臺(tái)電 機(jī)208的控制，可以使整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)203轉(zhuǎn)動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)208可以帶動(dòng)倒置式拋光頭202 轉(zhuǎn)動(dòng)。參見圖15所示，倒置式拋光頭202包括支架211、拋光輪212、懸臂213、磁場(chǎng)發(fā) 生裝置以及拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，支架211通過轉(zhuǎn)軸215安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)201上，支 架211上一側(cè)設(shè)有懸臂213，拋光輪212通過拋光輪轉(zhuǎn)軸216裝設(shè)于懸臂213上，拋光輪 轉(zhuǎn)軸216與固定于支架211上的拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，與控制系統(tǒng)相連的磁場(chǎng)發(fā)生裝置 安裝于拋光輪212內(nèi)。本實(shí)施例中，磁場(chǎng)發(fā)生裝置用螺釘固定在支架211上，置于拋光輪212的內(nèi)部。拋光輪212采用不銹鋼材料制作，加工成一面有底的中空?qǐng)A柱形狀，其 外表面是球形表面，可以加工高陡度的非球面光學(xué)零件。參見圖15所示，拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)包括拋光輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)217、拋光輪減速機(jī)218、主動(dòng)帶輪219、從動(dòng)帶輪220以及同步 帶221，拋光輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)217通過拋光輪減速機(jī)218與主動(dòng)帶輪219相連，從動(dòng)帶輪220 與拋光輪轉(zhuǎn)軸216相連，同步帶221套設(shè)于主動(dòng)帶輪219和從動(dòng)帶輪220上。通過拋光 輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)217可以驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪219轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過同步帶221帶動(dòng)從動(dòng)帶輪220轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而使拋光輪轉(zhuǎn)軸216帶動(dòng)拋光輪212轉(zhuǎn)動(dòng)。受到控制系統(tǒng)的控制，可以根據(jù)需要實(shí)時(shí) 控制拋光輪212的轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，其特征在于它包括機(jī)床(1)、磁流變拋光裝置(2)以及與分別以上各組件相連的控制系統(tǒng)，機(jī)床(1)包括用來(lái)放置待加工工件(10)的床身(101)以及X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、可移動(dòng)龍門(4)、Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)、Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)、第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(513)以及A軸轉(zhuǎn)臺(tái)(9)，X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)布置于床身(101)上兩側(cè)，可移動(dòng)龍門(4)的兩個(gè)立柱(401)分別固定于X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)的滑塊上，Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)布置于可移動(dòng)龍門(4)的橫梁(402)上，Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)固定于Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)的滑塊上，用來(lái)安裝磁流變拋光裝置(2)的A軸轉(zhuǎn)臺(tái)(9)固定于Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)的滑塊上，所述磁流變拋光裝置(2)的磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)(6)通過第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(513)固定于橫梁(402)上，第四直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(513)與Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)的運(yùn)動(dòng)方向一致，磁流變拋光裝置(2)位于待加工工件(10)的正上方。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，其特征 在于所述磁流變拋光裝置(2)包括雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)(201)以及安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī) 構(gòu)(201)上的倒置式拋光頭(202)，雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)(201)包括轉(zhuǎn)臺(tái)(203)、橫梁(204)、 第一支撐臂(205)、第二支撐臂(206)、轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)(207)以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)(208)，轉(zhuǎn)臺(tái)(203) 與轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)(207)相連，橫梁(204)安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)(203)上，第一支撐臂(205)和第 二支撐臂(206)相對(duì)安裝于橫梁(204)的兩端，第一支撐臂(205)和第二支撐臂(206) 上相對(duì)位置處開設(shè)有用來(lái)安裝倒置式拋光頭(202)的軸孔(210)，裝設(shè)于第一支撐臂(205) 或第二支撐臂(206)上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(208)通過減速機(jī)(209)與倒置式拋光頭(202) 相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，其特征 在于所述倒置式拋光頭(202)包括支架(211)、拋光輪(212)、懸臂(213)、磁場(chǎng)發(fā) 生裝置以及拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，支架(211)通過轉(zhuǎn)軸(215)安裝于雙轉(zhuǎn)軸支承機(jī)構(gòu)(201) 上，支架(211)上一側(cè)設(shè)有懸臂(213)，拋光輪(212)通過拋光輪轉(zhuǎn)軸(216)裝設(shè)于 懸臂(213)上，拋光輪轉(zhuǎn)軸(216)與固定于支架(211)上的拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，與 控制系統(tǒng)相連的磁場(chǎng)發(fā)生裝置安裝于拋光輪(212)內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，其特征在于所述磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)(6)包括通過管路相連的噴嘴(601)、回收器(602)、 儲(chǔ)液罐(603)、輸出泵(604)、加水泵(605)、回收泵(607)以及用來(lái)控制輸出泵(604) 的調(diào)速裝置(612)，噴嘴(601)和回收器(602)分別位于拋光輪(212)的一側(cè)，噴嘴 (601)通過輸出管路(606)和輸出泵(604)與儲(chǔ)液罐(603)相連組成拋光液輸出回 路，回收器(602)通過回收泵(607)和回收管路(608)與儲(chǔ)液罐(603)相連組成拋 光液回收回路，加水泵(605)與儲(chǔ)液罐(603)相連組成粘度調(diào)節(jié)回路；所述拋光液輸 出回路的輸出管路(606)上裝設(shè)有流量計(jì)(609)和粘度計(jì)(610)，輸出泵(604)、加 水泵(605)、流量計(jì)(609)和粘度計(jì)(610)均與控制系統(tǒng)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光 裝置，其特征在于所述橫梁(402)的橫截面為呈階梯狀的近三角形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光 裝置，其特征在于所述X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、 Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)、 Z軸向直 線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)和第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(513)的結(jié)構(gòu)相同，均包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、 絲桿、導(dǎo)軌以及滑塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿相連，滑塊滑設(shè)于導(dǎo)軌中。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光 裝置，其特征在于所述床身(101)包括基座(801)和立柱底座(803)，立柱底座(803) 位于基座(801)的兩端，基座(801)上開設(shè)有T形槽(802)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，其特征 在于所述基座(801)的底部設(shè)有一個(gè)以上的千斤頂(11)。
全文摘要
一種用于超大口徑非球面光學(xué)零件的磁流變拋光裝置，它包括機(jī)床、磁流變拋光裝置以及與分別以上各組件相連的控制系統(tǒng)，機(jī)床包括用來(lái)放置待加工工件的床身，其X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于床身上兩側(cè)，可移動(dòng)龍門固定于X軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于可移動(dòng)龍門的橫梁上，Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于Y軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，用來(lái)安裝磁流變拋光裝置的A軸轉(zhuǎn)臺(tái)固定于Z軸向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊上，磁流變拋光液循環(huán)系統(tǒng)通過第四直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于橫梁上，兩者的運(yùn)動(dòng)方向一致，磁流變拋光裝置位于待加工工件的正上方。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、控制簡(jiǎn)單、加工能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可加工超大口徑非球面光學(xué)零件。
文檔編號(hào)B24B13/005GK101323097SQ20081003189
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月28日
發(fā)明者關(guān)朝亮, 尹自強(qiáng), 彭小強(qiáng), 戴一帆, 李圣怡, 王建敏, 陳善勇 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)