CN110238758A - 复合抛光机床及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合抛光机床及其加工方法，包括六关节机器人，其底部可转动于基座上；六关节机器人的操作端连接有驱动装置；抛光操作机构包括气囊抛光机构和数控抛光机构；气囊抛光机构或数控抛光机构的连接端与驱动装置通过液压胀套可拆卸连接；抛光台设置于六关节机器人的操作端操作范围内；且光学元件固定于抛光台顶部，抛光操作机构与光学元件外轮廓抵接；抛光液循环过滤装置设置于抛光台附近，用于光学元件抛光中持续提供洁净的抛光液；控制终端内预设和/或在线设置抛光工艺程序，六关节机器人、驱动装置和抛光液循环过滤装置均与控制终端电性连接。实现了机床的通用性，提高了光学元件的加工精度和加工效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件制造技术领域，更具体的说是涉及复合抛光机床及其加工方法。
背景技术
高精度光学元件是航空航天和军事国防领域许多重大工程不可或缺的关键基础器件，其指标要求高且需求量巨大，因此发展其精密批量加工装备与技术十分重要。为了提高光学元件加工效率及精度，现有技术中出现了磁流变抛光技术、离子束抛光技术、气囊抛光技术、等离子体抛光技术等，同时基于先进制造技术的各种工艺加工方法被提出，如“超精密磨削+气囊抛光+小工具数控抛光”、“超精密磨削+磁流变抛光+小工具数控抛光”等。英国Zeeko公司的Walker等采用“超精密磨削+气囊抛光”的工艺加工方法完成欧洲超大望远镜工程(E-ELT)所需大口径非球面元件加工，所加工米级口径六边形非球面光学元件面形PV达到62nm，RMS达到11nm。美国QED公司的Dumas等提出采用“超精密磨削+磁流变抛光+小工具数控抛光”工艺方法，经3天抛光加工使300mm×90mm离轴非球面镜面形PV优于λ/20(λ＝632.8nm)。国防科学技术大学的胡浩等基于与QED公司类似的工艺流程，完成楔形非球面镜的抛光加工，获得了高质量的加工效果。激光聚变研究中心的钟波等提出“气囊抛光+沥青小工具抛光”相结合的非球面元件高效制造方法，基于该方法离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。由此可见，通过“气囊抛光+小工具数控抛光”相结合的抛光方法是一种有效的高精度光学元件制造方法。
但是现有技术中气囊抛光和小工具数控抛光两种工艺主要是基于两种专用数控抛光机床实现，由此这种方式需要配置两台数控机床，其价格高昂，另外两种工艺需要两台设备加工，两台设备间元件拆装麻烦，耗时且易出现装夹误差。
因此，如何提供一种满足气囊抛光和小工具数控抛光两种工艺的复合抛光机床是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种复合抛光机床，解决了现有技术中采用气囊抛光和小工具数控抛光两种工艺抛光光学元件，设备使用成本高，更换设备复杂的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
复合抛光机床，包括：
六关节机器人，六关节机器人底部可转动于基座上；
驱动装置，六关节机器人的操作端连接有驱动装置；
抛光操作机构，抛光操作机构包括气囊抛光机构和数控抛光机构；气囊抛光机构或数控抛光机构的连接端与驱动装置通过液压胀套可拆卸连接；
抛光台，抛光台设置于六关节机器人的操作端操作范围内；且光学元件固定于抛光台顶部，抛光操作机构与光学元件外轮廓抵接；
抛光液循环过滤装置，抛光液循环过滤装置设置于抛光台附近，用于光学元件抛光中持续提供洁净的抛光液；
及控制终端，控制终端内预设和/或在线设置抛光工艺程序，六关节机器人、驱动装置和抛光液循环过滤装置均与控制终端电性连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种复合抛光机床，采用六关节机器人可以实现空间任意位置定位和法向定位，满足曲面光学元件加工运动控制的要求；机器人相比数控抛光机床设备，优势在于价格低、运动空间大、能耗小，具有多种工序的加工能力；同时在六关节机器人的操作端连接有驱动装置，控制终端通过内预设和/或在线设置抛光工艺程序，控制六关节机器人、驱动装置和抛光液循环过滤装置工作；更重要的是在驱动装置上设置有液压胀套，操作人员能够快捷的更换气囊抛光机构和数控抛光机构；本发明通过快速更换抛光操作机构，在一台机床上实现元件的多工序加工，可减少机床配置量，降低工厂搭建前置成本，另外抛光工艺过程中元件无需更换机床，避免了元件多次装夹造成的工时损耗，提高了工作效率，同时也避免了元件多次装夹造成的安装误差。
优选地，驱动装置包括旋转电机和压缩气源机构；压缩气源机构设置于六关节机器人的操作端内，其通过管路连接气源，且与气囊抛光机构连接；旋转电机一侧与六关节机器人的操作端连接，另一侧连接液压胀套；
其中旋转电机和压缩气源机构均与控制终端电性连接；气源设置于六关节机器人附近。
优选地，旋转电机采用中空电机；压缩空气可以从中空电机主轴中间孔传输并作用于气囊抛光机构上。
优选地，气囊抛光机构包括连接杆和气囊抛光头，连接杆内部形成气流通道，其一端为连接端与液压胀套可拆卸连接，其另一端与气囊抛光头连接，且气囊抛光头内部经气流通道与压缩气源机构连通。其中气囊抛光头采用可自调气压的球冠形气囊抛光头，实现抛光气囊的抛光腔气压自动缓冲平衡、达到避免刚性接触、缓冲柔性好的超精密抛光的目的。
优选地，数控抛光机构包括连接轴和数控抛光盘，连接轴一端与液压胀套可拆卸连接，其另一端与数控抛光盘固定，数控抛光盘与光学元件外轮廓抵接。其中连接轴和连接杆靠近液压胀套的尺寸规格相同，方便快速、高精度更换。
优选地，抛光台为磁力工作台，其周围设置有抛光液收集槽，方便装夹光学元件，及方便收集抛光液进行循环利用。
优选地，抛光液循环过滤装置包括供液通道、回液通道、恒温储液桶和过滤器；供液通道入口端与恒温储液桶出口连通，其出液端延伸至抛光台上；回液通道一端与抛光液收集槽连通，另一端与恒温储液桶入口连通；过滤器设置于恒温储液桶的出口与供液通道入口端之间。实现了抛光液循环、过滤和恒温控制，为加工区提供恒温的无杂质的抛光溶液，防止大颗粒杂质参与抛光导致元件缺陷，同时防止温度大幅变化导致工具性能变化、抛光液性能变化或工件变形等情况。
优选地，六关节机器人的操作端为法兰结构，法兰结构与驱动装置连接；方便固定驱动装置。
本发明还提供了一种复合抛光机床的加工方法，包括以下步骤：
S1、光学元件装夹于抛光台上；
S2、控制终端上选择数控抛光加工工艺或气囊抛光工艺，对应更换气囊抛光机构或数控抛光机构；
S3、根据控制终端内预设的程序抛光光学元件外轮廓至加工要求。
其中，S3气囊抛光加工工艺中，气囊抛光头旋转轴线与元件加工点的法线保持固定角度；如光学元件为非球面结构，加工时气囊抛光头旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化；其中固定角度一般为15°-30°。
S3数控抛光加工工艺中，数控抛光盘旋转轴线与元件加工点的法线重合；如光学元件为非球面结构，加工时数控抛光盘旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种复合抛光机床的加工方法，由于气囊抛光和数控抛光两种工艺差异较大，本发明通过将数控程序的在线或者离线调整，实现了在同一机床上，满足不同工艺的加工需求，本发明通过快速更换抛光操作机构，在一台机床上实现元件的多工序加工，可减少机床配置量，降低工厂搭建前置成本，另外抛光工艺过程中元件无需更换机床，避免了元件多次装夹造成的工时损耗，提高了工作效率，同时也避免了元件多次装夹造成的安装误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的复合抛光机床处于数控加工中的结构示意图；
图2附图为本发明提供的复合抛光机床处于气囊加工中的结构示意图；
图3附图为本发明提供的复合抛光机床的气囊抛光机构的剖视示意图；
图4附图为本发明提供的复合抛光机床的数控抛光机构的剖视示意图；
图5附图为本发明提供的复合抛光机床的气囊抛光头加工状态的示意图；
图6附图为本发明提供的复合抛光机床的数控抛光机构的加工状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种复合抛光机床，解决了现有技术中采用气囊抛光和小工具数控抛光两种工艺抛光光学元件，设备使用成本高，更换设备复杂的技术问题。
参见附图1-2，本发明提供的复合抛光机床，包括：
六关节机器人1，六关节机器人1底部可转动于基座11上；
驱动装置2，六关节机器人1的操作端连接有驱动装置2；
抛光操作机构，抛光操作机构包括气囊抛光机构3和数控抛光机构4；气囊抛光机构3或数控抛光机构4的连接端与驱动装置2通过液压胀套7可拆卸连接；
抛光台5，抛光台5设置于六关节机器人1的操作端操作范围内；且光学元件固定于抛光台5顶部，抛光操作机构与光学元件外轮廓抵接；
抛光液循环过滤装置6，抛光液循环过滤装置6设置于抛光台5附近，用于光学元件抛光中持续提供洁净的抛光液；
及控制终端，控制终端内预设和/或在线设置抛光工艺程序，六关节机器人1、驱动装置2和抛光液循环过滤装置6均与控制终端电性连接。
本发明公开提供了一种复合抛光机床，采用六关节机器人可以实现空间任意位置定位和法向定位，满足曲面光学元件加工运动控制的要求；机器人相比数控抛光机床设备，优势在于价格低、运动空间大、能耗小，具有多种工序的加工能力；同时在六关节机器人的操作端连接有驱动装置，控制终端通过内预设和/或在线设置抛光工艺程序，控制六关节机器人、驱动装置和抛光液循环过滤装置工作；更重要的是在驱动装置上设置有液压胀套，操作人员能够快捷的更换气囊抛光机构和数控抛光机构；本发明通过快速更换抛光操作机构，在一台机床上实现元件的多工序加工，可减少机床配置量，降低工厂搭建前置成本，另外抛光工艺过程中元件无需更换机床，避免了元件多次装夹造成的工时损耗，提高了工作效率，同时也避免了元件多次装夹造成的安装误差。
有利的是，驱动装置2包括旋转电机和压缩气源机构；压缩气源机构设置于六关节机器人1的操作端内，其通过管路连接气源，且与气囊抛光机构3连接；旋转电机一侧与六关节机器人1的操作端连接，另一侧连接液压胀套7；
其中旋转电机和压缩气源机构均与控制终端电性连接；气源设置于六关节机器人附近。
更有利的是，旋转电机采用中空电机；压缩空气可以从中空电机主轴中间孔传输并作用于气囊抛光机构上。
在本发明提供的实施例中，参见附图3，气囊抛光机构3包括连接杆31和气囊抛光头32，连接杆31内部形成气流通道，其一端为连接端与液压胀套7可拆卸连接，其另一端与气囊抛光头32连接，且气囊抛光头32内部经气流通道与压缩气源机构连通；其中气囊抛光头采用可自调气压的球冠形气囊抛光头，实现抛光气囊的抛光腔气压自动缓冲平衡、达到避免刚性接触、缓冲柔性好的超精密抛光的目的。
其中，参见附图4，数控抛光机构4包括连接轴41和数控抛光盘42，连接轴41一端与液压胀套可拆卸连接，其另一端与数控抛光盘42固定，数控抛光盘42与光学元件外轮廓抵接。连接轴和连接杆靠近液压胀套的尺寸规格相同，方便快速、高精度更换。
在本发明提供的上述实施例中，抛光台5为磁力工作台，其周围设置有抛光液收集槽，方便装夹光学元件，及方便收集抛光液进行循环利用。
上述实施例中，抛光液循环过滤装置6包括供液通道61、回液通道62、恒温储液桶63和过滤器；供液通道61入口端与恒温储液桶63出口连通，其出液端延伸至抛光台5上；回液通道62一端与抛光液收集槽连通，另一端与恒温储液桶63入口连通；过滤器设置于恒温储液桶63的出口与供液通道61入口端之间。实现了抛光液循环、过滤和恒温控制，为加工区提供恒温的无杂质的抛光溶液，防止大颗粒杂质参与抛光导致元件缺陷，同时防止温度大幅变化导致工具性能变化、抛光液性能变化或工件变形等情况。
更有利的是，六关节机器人1的操作端为法兰结构，法兰结构与驱动装置2连接；方便固定驱动装置。
本发明还提供了一种复合抛光机床的加工方法，包括以下步骤：
S1、光学元件装夹于抛光台上；
S2、控制终端上选择数控抛光加工工艺或气囊抛光工艺，对应更换气囊抛光机构或数控抛光机构；
S3、根据控制终端内预设的程序抛光光学元件外轮廓至加工要求。
其中，参见附图5，S3气囊抛光加工工艺中，气囊抛光头旋转轴线A与元件加工点的法线B保持固定角度；如光学元件为非球面结构，加工时气囊抛光头旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化；
参见附图6，S3数控抛光加工工艺中，数控抛光盘旋转轴线A与元件加工点的法线B重合；如光学元件为非球面结构，加工时数控抛光盘旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化。
本发明公开提供了一种复合抛光机床的加工方法，由于气囊抛光和数控抛光两种工艺差异较大，本发明通过将数控程序的在线或者离线调整，实现了在同一机床上，满足不同工艺的加工需求，本发明通过快速更换抛光操作机构，在一台机床上实现元件的多工序加工，可减少机床配置量，降低工厂搭建前置成本，另外抛光工艺过程中元件无需更换机床，避免了元件多次装夹造成的工时损耗，提高了工作效率，同时也避免了元件多次装夹造成的安装误差。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.复合抛光机床，其特征在于，包括：
六关节机器人(1)，所述六关节机器人(1)底部可转动于基座(11)上；
驱动装置(2)，所述六关节机器人(1)的操作端连接有所述驱动装置(2)；
抛光操作机构，所述抛光操作机构包括气囊抛光机构(3)和数控抛光机构(4)；所述气囊抛光机构(3)或所述数控抛光机构(4)的连接端与所述驱动装置(2)通过液压胀套(7)可拆卸连接；
抛光台(5)，所述抛光台(5)设置于所述六关节机器人(1)的操作端操作范围内；且光学元件固定于所述抛光台(5)顶部，所述抛光操作机构与所述光学元件外轮廓抵接；
抛光液循环过滤装置(6)，所述抛光液循环过滤装置(6)设置于所述抛光台(5)附近，用于光学元件抛光中持续提供洁净的抛光液；
及控制终端，所述控制终端内预设和/或在线设置抛光工艺程序，所述六关节机器人(1)、所述驱动装置(2)和所述抛光液循环过滤装置(6)均与所述控制终端电性连接。
2.根据权利要求1所述的复合抛光机床，其特征在于，所述驱动装置(2)包括旋转电机和压缩气源机构；所述压缩气源机构设置于所述六关节机器人(1)的操作端内，其通过管路连接气源，且与所述气囊抛光机构(3)连接；所述旋转电机一侧与所述六关节机器人(1)的操作端连接，另一侧连接所述液压胀套(7)；
其中所述旋转电机和所述压缩气源机构均与所述控制终端电性连接。
3.根据权利要求2所述的复合抛光机床，其特征在于，所述旋转电机采用中空电机。
4.根据权利要求3所述的复合抛光机床，其特征在于，所述气囊抛光机构(3)包括连接杆(31)和气囊抛光头(32)，所述连接杆(31)内部形成气流通道，其一端为连接端与所述液压胀套(7)可拆卸连接，其另一端与气囊抛光头(32)连接，且所述气囊抛光头(32)内部经所述气流通道与所述压缩气源机构连通。
5.根据权利要求3所述的复合抛光机床，其特征在于，所述数控抛光机构(4)包括连接轴(41)和数控抛光盘(42)，所述连接轴(41)一端与所述液压胀套可拆卸连接，其另一端与所述数控抛光盘(42)固定，所述数控抛光盘(42)与光学元件外轮廓抵接。
6.根据权利要求3所述的复合抛光机床，其特征在于，所述抛光台(5)为磁力工作台，其周围设置有抛光液收集槽。
7.根据权利要求6所述的复合抛光机床，其特征在于，所述抛光液循环过滤装置(6)包括供液通道(61)、回液通道(62)、恒温储液桶(63)和过滤器；所述供液通道(61)入口端与所述恒温储液桶(63)出口连通，其出液端延伸至所述抛光台(5)上；所述回液通道(62)一端与所述抛光液收集槽连通，另一端与所述恒温储液桶(63)入口连通；所述过滤器设置于所述恒温储液桶(63)的出口与所述供液通道(61)入口端之间。
8.根据权利要求1-7任一项所述的复合抛光机床，其特征在于，所述六关节机器人(1)的操作端为法兰结构，所述法兰结构与所述驱动装置(2)连接。
9.一种复合抛光机床的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光学元件装夹于抛光台上；
S2、控制终端上选择数控抛光加工工艺或气囊抛光工艺，对应更换气囊抛光机构或数控抛光机构；
S3、根据控制终端内预设的程序抛光光学元件外轮廓至加工要求。
10.根据权利要求9所述的一种复合抛光机床的加工方法，其特征在于，
S3气囊抛光加工工艺中，气囊抛光头旋转轴线与元件加工点的法线保持固定角度；如光学元件为非球面结构，加工时气囊抛光头旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化；
S3数控抛光加工工艺中，数控抛光盘旋转轴线与元件加工点的法线重合；如光学元件为非球面结构，加工时数控抛光盘旋转轴线跟随元件加工点的法线变化而变化。
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