CN111571368B - 一种中心供液行星抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中心供液行星抛光装置，包括基座板、公转单元、自转单元、供液供气单元、加载单元和抛光轴组件；公转单元中的公转电机通过一级带传动副将动力传递给中空公转轴，中空公转轴的一端设有连接法兰，连接法兰设有偏心调节机构；自转单元包括自转电机、传动软轴和抛光盘；供液供气单元的空心转轴与中空公转轴的另一端连接，抛光轴组件中的空心抛光轴与供液供气单元中的供液管和自转单元中的抛光盘连接；公转电机带动偏心调节机构绕轴线O1公转；自转电机带动抛光盘绕其轴线O2自转，本发明实现了将抛光液从工具中心进行供给，供液更加充分；公自转速度和偏心距可实现无极变化调节，且调节方便；自转电机不参与公转，降低了转动惯量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学制造领域的行星抛光装置，尤其涉及一种中心供液的行星抛光装置及方法。
背景技术
随着现代光学系统的迅猛发展，大口径非球面光学元件相对于普通球面镜片由于其精度高、质量轻、可靠性好和成本低等诸多优良特性被广泛应用于激光核聚变装置、大型天文望远镜、红外热成像、医疗影像设备等国防和民用尖端技术领域，其加工技术也在朝着高精度、高效率及高质量方向发展。
现阶段，非球面光学元件的抛光技术主要是计算机控制光学表面成型(ComputerControlled Optics Surfacing,CCOS)。国外大量研究表明，去除函数形状是影响抛光质量和效率重要因素，直接决定着最终面型误差能否收敛以及收敛的程度。传统自转动磨头抛光因磨头中心线速度为零，根据Preston假设会造成去除函数中心为零，获得中心为零的环形去除函数，导致面型误差收敛有限或不能收敛。然而行星抛光能够克服上述缺陷，获得较好的类Gauss型去除函数，使得工件表面面型误差快速收敛，提高加工精度与加工效率，因而被广泛应用于CCOS技术中。但是现有的行星抛光装置存在结构过于复杂、不可中心供液、转动惯量大和动力学性能差等缺点。例如，申请号为201710546844.X的专利文献中披露了《一种含双平行四边形机构的行星抛光装置》，该装置的自转与公转分别采用两个伺服电机驱动，公转传动采用双平行四边形机构实现，自转电机固定在基座上，采用二级带传动将运动传递给抛光盘。虽然，该技术方案能实现中心供液；是机构过于复杂，且运动不平稳。再如，申请号为201910266143.X的专利文献中公开了《一种行星抛光装置》，该装置的行星运动由行星轮系来实现，其结构紧凑，仅用一个电机可实现抛光盘的公转与自转，惯性力小；但不可中心供液，调节偏心距和公自转速比要更换不同齿数的齿轮和带轮，操作麻烦且调节范围小。
发明内容
针对现代大口径非球面光学元件超精密加工难度大，加工成本高，加工效率低等问题，本发明提出一种中心供液的行星抛光装置，实现了将抛光液从工具中心进行供给，供液更加充分；公自转速度和偏心距可实现无极变化调节(在允许的范围内)，且调节方便；自转电机不参与公转，降低了转动惯量。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种中心供液行星抛光装置，包括基座板、公转单元、自转单元、供液供气单元、加载单元和抛光轴组件；所述公转单元包括公转电机和中空公转轴，所述公转电机固定在基座板上，所述公转电机的输出端通过一级带传动副将动力传递给所述中空公转轴，所述中空公转轴的两端分别由固定在所述基座板上的两个带座轴承支承；所述中空公转轴的一端设有连接法兰，所述连接法兰设有偏心调节机构；所述自转单元包括自转电机、传动软轴和抛光盘；所述自转电机固定在所述基座板上，所述传动软轴的一端与所述自转电机的输出端连接；所述供液供气单元包括空心气路旋转接头、空心水路旋转接头、空心转轴、供气管和供液管；所述空心转轴与所述中空公转轴的另一端连接，所述空心气路旋转接头的转子部分和所述空心水路旋转接头的转子部分均串联在所述空心转轴上，所述空心气路旋转接头的定子部分和所述空心水路旋转接头的定子部分与所述基座板固定；所述供气管的一端与空心气路旋转接头相连；所述供液管的一端与所述空心水路旋转接头相连；所述加载单元包括与所述偏心调节机构固定的支承座，所述支承座上设有薄壁气缸和L型连接件，所述L型连接件与所述支承座之间通过直线导轨副滑动连接；所述薄壁气缸与所述供液供气单元的供气管的另一端连通；所述抛光轴组件包括传动轴、对开合腔体和空心抛光轴，所述传动轴的输入端与所述传动软轴的另一端连接，所述对开合腔体设置在所述L型连接件上，所述空心抛光轴由所述对开合腔体支承，所述空心抛光轴的一端与供液供气单元中的供液管的另一端连通；所述空心抛光轴的另一端与自转单元中的抛光盘连接；所述公转电机通过所述一级带传动副带动所述偏心调节机构绕轴线O1公转；所述自转电机依次通过所述传动软轴、所述抛光轴组件中的传动轴和齿轮副带动所述抛光盘绕其轴线O2自转；所述抛光盘自转与公转的速度比范围为0～500，且大于0。
进一步讲，本发明所述的中心供液行星抛光装置，其中，所述偏心调节机构包括滑座、滑块、调节螺杆和锁紧螺钉，所述滑座与所述连接法兰固定，所述滑块与所述滑座之间采用燕尾槽-燕尾块滑动配合；所述偏心调节机构绕轴线O1公转的半径为e，e为0-32mm。所述偏心调节机构达到设定的偏心距时，用所述锁紧螺钉进行锁紧。
所述加载单元进行加载时，将压缩空气从所述空心气路旋转接头定子部分压入，依次经过所述供气管传递给所述薄壁气缸实现加载；所述薄壁气缸活塞杆移动行程为气缸最大行程。所述薄壁气缸通过所述直线导轨副带动固定于所述L型连接件上的抛光轴组件上下移动，从而实现在抛光过程中所述抛光盘对工件的横压加载，加载范围为0-100N。
所述空心抛光轴与所述抛光盘之间的连接采用单膜片式柔性联轴器连接。所述空心抛光轴与所述供液管之间的连接采用快插旋转接头连接。
利用本发明所述的中心供液行星抛光装置进行加工的方法是，所述抛光盘设有中心通孔，加工时，抛光液从所述空心水路旋转接头的定子部分注入，并依次经过所述供液管、所述快插旋转接头和所述空心抛光轴，最后从所述抛光盘的中心通孔流向加工区域，实现中心供液。
所述抛光液是去离子水、氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、氧化硅抛光液、碳化硅抛光液和金刚石抛光液中的任何一种。所述金刚石抛光液是多晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液中的任何一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)抛光液从抛光盘中心供给，防止抛光盘转速过大而被甩出，磨粒分布更加均匀，加工过程更加稳定。
2)自转电机不参与公转运动，降低了转动惯量，动力学特性更好。
3)通过调节偏心机构可获得不同的公转半径，适应于不同的工艺需要，也更容易获得理想的类Gauss型去除函数，使表面面型误差快速收敛，提高表面加工质量与加工效率。
4)适应性强。可随意安装在常见的数控机床或机器人末端或自行搭建的试验台上，无需专用的设备。
附图说明
图1是本发明中心供液行星抛光装置的主视图；
图2是图1所示中心供液行星抛光装置的侧视图；
图3是图1中所示抛光轴组件的结构示意图。
图中：
101-公转电机 102-中空公转轴 103-偏心调节机构
104-一级带传动副 105-带座轴承 106-连接法兰
201-自转电机 202-传动软轴 203-抛光盘
301-空心气路旋转接头 302-空心水路旋转接头 303-空心转轴
304-供气管 305-供液管 401-薄壁气缸
402-L型连接件 403-直线导轨副 404-支承座
501-空心抛光轴 502-齿轮副 503-对开合腔体
504-快插旋转接头 505-传动轴 1031-调节螺杆
1032-锁紧螺钉 600-基座板
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种中心供液行星抛光装置，包括基座板600、公转单元、自转单元、供液供气单元、加载单元和抛光轴组件。
如图1和图2所示，所述公转单元包括公转电机101和中空公转轴102，所述公转电机101固定在基座板600上，所述公转电机101的输出端通过一级带传动副104将动力传递给所述中空公转轴102，所述中空公转轴102的两端分别由固定在所述基座板600上的两个带座轴承05支承；所述中空公转轴102的一端设有连接法兰106，所述连接法兰106设有偏心调节机构103；所述偏心调节机构103包括滑座、滑块、调节螺杆1031和锁紧螺钉1032，所述滑座与所述连接法兰106固定，所述滑块与所述滑座之间采用燕尾槽-燕尾块滑动配合；所述偏心调节机构103绕轴线O1公转的半径为e，e为0-32mm，可根据不同的工艺需求选取不同的公转半径或寻求最优的类Gauss型去除函数，以提高工件表面加工质量及加工效率。所述偏心调节机构103达到设定的偏心距时，用所述锁紧螺钉1032进行锁紧。
如图1和图2所示，所述自转单元包括自转电机201、传动软轴202和抛光盘203；所述自转电机201固定在所述基座板600上，所述传动软轴202的一端与所述自转电机201的输出端连接。
如图1和图2所示，所述供液供气单元包括空心气路旋转接头301、空心水路旋转接头302、空心转轴303、供气管304和供液管305；所述空心转轴303与所述中空公转轴102的另一端连接，所述空心气路旋转接头301的转子部分和所述空心水路旋转接头302的转子部分均串联在所述空心转轴303上，所述空心气路旋转接头301的定子部分和所述空心水路旋转接头302的定子部分与所述基座板600固定；所述供气管304的一端与空心气路旋转接头301相连；所述供液管305的一端与所述空心水路旋转接头302相连。
如图1和图2所示，所述加载单元包括与所述偏心调节机构103固定的支承座404，所述支承座404上设有薄壁气缸401和L型连接件402，所述L型连接件402与所述支承座404之间通过直线导轨副403滑动连接；所述薄壁气缸401与所述供液供气单元的供气管304的另一端连通。
如图1、图2和图3所示，所述抛光轴组件包括传动轴505、对开合腔体503和空心抛光轴501，所述传动轴505的输入端与所述传动软轴202的另一端连接，所述对开合腔体503设置在所述L型连接件402上，所述空心抛光轴501由所述对开合腔体503支承，所述空心抛光轴501的一端与供液供气单元中的供液管305的另一端连通，所述空心抛光轴501与所述供液管305之间的连接采用快插旋转接头504连接；所述空心抛光轴501的另一端与自转单元中的抛光盘203连接，所述空心抛光轴501与所述抛光盘203之间的连接采用单膜片式柔性联轴器连接，以补偿工件或抛光盘的装夹与安装误差。
如图1和图3所示，本发明中，所述公转电机101通过所述一级带传动副104带动所述偏心调节机构103绕轴线O1公转；本发明采用圆弧齿同步带将公转电机101的运动传递给中空公转轴102，进而带动抛光盘203实现公转运动。
所述自转电机201依次通过所述传动软轴202、所述抛光轴组件中的传动轴505和齿轮副502(一级齿轮传动)将传动软轴202的运动传递给空心抛光轴501，进而带动所述抛光盘203绕其轴线O2实现自转；本发明采用传动软轴202将自转电机201的运动灵活传递给在任意位置停留的抛光盘203，自转电机201本身不参与公转，减小了转动惯量，使抛光过程更加平稳。本发明中，所述抛光盘203自转与公转的速度比范围为0～500，且大于0。
本发明中，所述加载单元进行加载时，将压缩空气从所述空心气路旋转接头301定子部分压入，依次经过所述供气管304传递给所述薄壁气缸401实现加载；所述薄壁气缸401活塞杆移动行程为气缸最大行程。所述薄壁气缸401通过所述直线导轨副403带动固定于所述L型连接件402上的抛光轴组件上下移动，从而实现在抛光过程中所述抛光盘203对工件的横压加载，加载范围为0-100N。
本发明中，所述抛光盘203设有中心通孔，利用本发明装置进行加工时，将预先混合好的抛光液以一定的压力从空心水路旋转接头302的定子部分的进水孔注入，并依次经过所述供液管305、所述快插旋转接头504和所述空心抛光轴501，最后从所述抛光盘203的中心通孔流向加工区域，实现中心供液。所述抛光液可以是去离子水、氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、氧化硅抛光液、碳化硅抛光液和金刚石抛光液中的任何一种。所述金刚石抛光液可以是多晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液中的任何一种。
使用本发明所述的中心供液行星抛光装置时，通过基座板600将该装置安装在普通数控机床的移动轴上或工业机器人末端或自行搭建的试验台上，通过控制抛光液供给压力、加载压力、公自转速度、加工点的驻留时间等参数控制加工区域材料去除量和加工精度，实现大口径非球面光学元件的超精密加工。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，在本实例中，需要将本发明的中心供液行星抛光装置垂直安装在数控机床工作台上方的移动轴上，将装置用管路连接至抛光液循环系统和气泵，将工件固定在机床工作台上。将抛光盘203移动至工件表面合适的位置，利用压力泵将抛光液增压至工作压力，从空心水路旋转接头302进水孔注入，最后从抛光盘203中心流出，流向工件表面加工区域。利用气泵将压缩空气以设定的压力从空心气路旋转接头301进气孔注入，流向加载的薄壁气缸401，实现加工中抛光盘203对工件表面的加载。在加工过程中，首先设置公转速度80rmp/min，自转速度500rmp/min，偏心距e为10mm，气压载荷0.1MPa，供液压力0.5MPa，选用粒径为5μm的氧化铈抛光液，单次研磨时间5min，走行星运动轨迹，根据工件的初始面型误差计算驻留时间生成数控加工程序，将加工程序导入机床并对工件表面进行确定性抛光。
实施例2：
如图1、图2和图3所示，在本实例中，将本发明的中心供液行星抛光装置安装于工业机器人的末端，通过控制工业机器人末端的位姿来改变抛光盘相对于工件表面的位姿，以适应自由曲面元件的加工。
本发明装置既可安装在普通数控机床的移动轴上，也可安装在工业机器人的末端，甚至可安装在自行搭建的简易试验台上，通用性强；通过调节偏心距e大小可获得理想的类Gauss型去除函数，使得表面面型误差快速收敛，提高加工精度和效率；抛光液通过空心抛光轴从抛光盘中心供给，防止抛光中因转速过高而被甩出，供液更加充分；自转电机固定于基座板上不参与公转运动，降低了转动惯量。本发明加工过程中抛光盘的公自转速度通过调节公转电机和自转电机转速来控制，通过控制偏心距、供液压力、加载力和加工点的驻留时间等参数控制加工区域材料去除量和加工精度，实现大口径非球面光学元件的超精密加工。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明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发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种中心供液行星抛光装置，其特征在于：包括基座板(600)、公转单元、自转单元、供液供气单元、加载单元和抛光轴组件；
所述公转单元包括公转电机(101)和中空公转轴(102)，所述公转电机(101)固定在基座板(600)上，所述公转电机(101)的输出端通过一级带传动副(104)将动力传递给所述中空公转轴(102)，所述中空公转轴(102)的两端分别由固定在所述基座板(600)上的两个带座轴承(105)支承；所述中空公转轴(102)的一端设有连接法兰(106)，所述连接法兰(106)设有偏心调节机构(103)；
所述自转单元包括自转电机(201)、传动软轴(202)和抛光盘(203)；所述自转电机(201)固定在所述基座板(600)上，所述传动软轴(202)的一端与所述自转电机(201)的输出端连接；
所述供液供气单元包括空心气路旋转接头(301)、空心水路旋转接头(302)、空心转轴(303)、供气管(304)和供液管(305)；所述空心转轴(303)与所述中空公转轴(102)的另一端连接，所述空心气路旋转接头(301)的转子部分和所述空心水路旋转接头(302)的转子部分均串联在所述空心转轴(303)上，所述空心气路旋转接头(301)的定子部分和所述空心水路旋转接头(302)的定子部分与所述基座板(600)固定；所述供气管(304)的一端与空心气路旋转接头(301)相连；所述供液管(305)的一端与所述空心水路旋转接头(302)相连；
所述加载单元包括与所述偏心调节机构(103)固定的支承座(404)，所述支承座(404)上设有薄壁气缸(401)和L型连接件(402)，所述L型连接件(402)与所述支承座(404)之间通过直线导轨副(403)滑动连接；所述薄壁气缸(401)与所述供液供气单元的供气管(304)的另一端连通；
所述抛光轴组件包括传动轴(505)、对开合腔体(503)和空心抛光轴(501)，所述传动轴(505)的输入端与所述传动软轴(202)的另一端连接，所述对开合腔体(503)设置在所述L型连接件(402)上，所述空心抛光轴(501)由所述对开合腔体(503)支承，所述空心抛光轴(501)的一端与供液供气单元中的供液管(305)的另一端连通；所述空心抛光轴(501)的另一端与自转单元中的抛光盘(203)连接；
所述公转电机(101)通过所述一级带传动副(104)带动所述偏心调节机构(103)绕轴线O1公转；
所述自转电机(201)依次通过所述传动软轴(202)、所述抛光轴组件中的传动轴(505)和齿轮副带动所述抛光盘(203)绕其轴线O2自转；
所述抛光盘(203)自转与公转的速度比范围为0～500，且大于0。
2.根据权利要求1所述的中心供液行星抛光装置，其特征在于，所述偏心调节机构(103)包括滑座、滑块、调节螺杆(1031)和锁紧螺钉(1032)，所述滑座与所述连接法兰(106)固定，所述滑块与所述滑座之间采用燕尾槽-燕尾块滑动配合；所述偏心调节机构(103)绕轴线O1公转的半径为e，e为0-32mm。
3.根据权利要求2所述的中心供液行星抛光装置，其特征在于，所述偏心调节机构(103)达到设定的偏心距时，用所述锁紧螺钉(1032)进行锁紧。
4.根据权利要求1所述的中心供液的行星抛光装置，其特征在于，所述加载单元进行加载时，将压缩空气从所述空心气路旋转接头(301)定子部分压入，依次经过所述供气管(304)传递给所述薄壁气缸(401)实现加载；所述薄壁气缸(401)活塞杆移动行程为气缸最大行程。
5.根据权利要求4所述的中心供液的行星抛光装置，其特征在于，所述薄壁气缸(401)通过所述直线导轨副(403)带动固定于所述L型连接件(402)上的抛光轴组件上下移动，从而实现在抛光过程中所述抛光盘(203)对工件的横压加载，加载范围为0-100N。
6.根据权利要求1所述的中心供液行星抛光装置，其特征在于，所述空心抛光轴(501)与所述抛光盘(203)之间的连接采用单膜片式柔性联轴器连接。
7.根据权利要求1所述的中心供液行星抛光装置，其特征在于，所述空心抛光轴(501)与所述供液管(305)之间的连接采用快插旋转接头(504)连接。
8.一种中心供液的行星抛光方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的中心供液的行星抛光装置，其中，所述偏心调节机构(103)绕轴线O1公转的半径为e，e为0-32mm；所述抛光盘(203)设有中心通孔，加工时，抛光液从所述空心水路旋转接头(302)的定子部分注入，并依次经过所述供液管(305)和所述空心抛光轴(501)，最后从所述抛光盘(203)的中心通孔流向加工区域，实现中心供液。
9.根据权利要求8所述的中心供液的行星抛光方法，其特征在于，所述抛光液是去离子水、氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、氧化硅抛光液、碳化硅抛光液和金刚石抛光液中的任何一种。
10.根据权利要求9所述的中心供液的行星抛光方法，其特征在于，所述金刚石抛光液是多晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液中的任何一种。
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