专利名称：小口径非球面复合精密加工机床的制作方法
技术领域：
本发明属于光学精密加工技术领域，具体涉及一种小口径非球面复合精密加工机床。
背景技术：
随着光电通讯、光学、汽车、生物工程及航空航天产业的迅速发展，超精密小口径非球面光学元件的需求量急剧增长。这类小口径非球面光学元件的制造，目前主要通过高精度的模具进行玻璃热压成型和光学塑料注射成型而成。而这种模具通常采用超硬合金制成，其模芯的非球面面型要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表面损伤。上述小口径非球面面型的加工，一般采用磨削和研抛两道工序，分别在超精密磨床和研抛机两种机床上进行加工。小口径非球面磨削加工时，由于加工口径较小，若砂轮与工件采用垂直方式安装，两者在加工过程中容易产生干涉现象。因此，为避免发生干涉，加工时将砂轮轴线相对工件轴线倾斜一定角度，采用斜轴磨削的方式进行加工。而为了达到超光滑和高精度表面，采用一种微粉金刚石砂轮对非球面进行镜面磨削。完成加工后将工件取下安装到非球面研抛机床上进行后续研磨抛光，进一步提高表面的形状精度并降低表面粗糙度。采用上述两道工序加工的缺陷是，工件需在两台不同的机床上进行多次装夹，这样会带来安装误差、对刀误差等影响加工精度的后果；同时多次装夹消耗了更多的辅助工时，降低了加工效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种小口径非球面复合精密加工机床，使用该机床可集成精密斜轴镜面磨削加工与斜轴磁流变研抛加工，并结合在位测量与补偿加工技术，减少安装误差、对刀误差以提高加工精度和工作效率，且能防止干涉现象的发生，特别适用于精密小口径非球面光学元件及其模具的高效制造与稳定生产。本发明的技术解决方案是，所提供的小口径非球面复合精密加工机床，参见图1， 具有其下端底面四角分别带有减震器16的床体22。所述床体22上表面一侧安装有带第一直线电机19的第一静压导轨21，该第一静压导轨21上装有第一滑台20。该第一滑台20 在所述第一直线电机19的电磁推力驱动下，可在所述第一静压导轨21上沿床体22的Y轴方向自由往复平移。而在所述第一滑台20上设置有一可夹持式装卸工件主轴2的主轴支架1。所述床体22上表面另一侧对应所述第一滑台20则安装有带第二直线电机15的第二静压导轨12，该第二静压导轨12上装有第二滑台13。该第二滑台13在所述第二直线电机15的电磁推力驱动下，可在所述第二静压导轨12上沿床体22的X轴方向自由往复平移。而在所述第二滑台13上设置有一 B轴旋转台11，该B轴旋转台11上还固定设置有一旋转支架17和一托板9。而该旋转支架17上又固定设置有一检测装置18，该检测装置18 可用于在位测量工件加工面的形状精度。所述托板9上并列固定设置有一带有三轴微调架的斜轴镜面磨削装置10和一亦带有三轴微调架的斜轴磁流变研抛装置14，故可带动斜轴镜面磨削装置10和斜轴磁流变研抛装置14旋转。其中所述斜轴镜面磨削装置10包括微粉砂轮6、砂轮主轴7及第一旋转支架8。其中所述第一旋转支架8安装于斜轴镜面磨削装置10所带三轴微调架上，砂轮主轴7固定安装于所述第一旋转支架8上。所述微粉砂轮6 安装在砂轮主轴7朝向上述第一滑台20的一端；所述斜轴磁流变研抛装置14包括研磨头 3、研磨头主轴4及第二旋转支架5。其中所述第二旋转支架5安装于斜轴磁流变研抛装置 14所带三轴微调架上，研磨头主轴4固定安装于所述第二旋转支架5上，所述研磨头3亦安装在研磨头主轴4朝向上述第一滑台20的一端。上述斜轴镜面磨削装置10和斜轴磁流变研抛装置14所带三轴微调架均可沿床体22的X轴、Y轴、Z轴三轴所代表的三个不同的方向对上述砂轮主轴7和研磨头主轴4的位置分别进行微调。本发明的工作原理是，上述斜轴镜面磨削装置10的砂轮主轴7的轴线与斜轴磁流变研抛装置14的研磨头主轴4的轴线始终保持平行，且两条轴线与第二滑台13之间的垂直间距相等；上述两条轴线与工件主轴2轴线等角度相交。加工时，首先将工件安装在工件主轴2前端，使砂轮主轴7的轴线和工件主轴2的轴线倾斜成Z θ工角度相交，Z θ工的角度取值范围为；40 50°。接着通过斜轴镜面磨削装置10，使微粉砂轮6在砂轮主轴7的带动下对工件上的非球面面型进行斜轴磨削加工。此初步加工完成后，采用检测装置18对工件形状进行在位测量，依据测量结果对照加工要求对工件进行进一步的磨削加工，即对初加工中出现的形状误差进行修正和补偿加工。完成补偿加工后，工件主轴2沿Y轴方向平移设定的距离，例如平移400 500mm，通过斜轴磁流变研抛装置14，使研磨头3在研磨头主轴4的带动下对工件进行研抛加工。所述研磨头主轴4的轴线与工件主轴2的轴线成 Z θ 2角度相交，ζ θ 2的角度取值范围为40 50°。研磨头3圆弧角的圆弧法线始终与工件研抛表面法线重合，所述工件与磁流变体的接触点始终构成工件研抛区域的法线方向。由于研磨头3前端存在一定强度的磁场，磁流变体可吸附在研磨头上以实现对工件的研磨和抛光。由于磨削和研抛加工采用斜轴加工，降低了工件尺寸要求，可有效防止干涉现象。由于加工过程中采用了误差补偿加工，有效提高了工件形状精度。同时，还由于采用直线电机驱动滑台移动，精度高，加工路径可控性好，从而可以获得较高的工件表面质量。本发明的有益效果是a.在单台机床上集成了精密斜轴镜面磨削与斜轴磁流变研抛两种加工装置，结合在位检测装置对工件进行补偿加工，一次性装夹，减少了安装误差、对刀误差等，提高了加工精度和效率；b.斜轴加工方式的采用可有效防止干涉现象，特别适用于精密小口径非球面光学元件及其模具的高效稳定制造；C.加工路径的可控性好，可连续进行精密磨削和研抛加工。
图1是本发明小口径非球面复合精密加工机床一个具体实施例的结构示意图，图中标示为
1-主轴支架，2-工件主轴，
3-研磨头，4-研磨头主轴，
5-第二旋转支架，6-微粉砂轮，
7-砂轮主轴，8-第一旋转支架，
9-托板，10-斜轴镜面磨削装置，
Il-B轴旋转台，12-第二静压导轨，
13-第二滑台，14-斜轴磁流变研抛装置，
15-第二直线电机，16-减震器，
17-旋转支架，18-检测装置，
19-第一直线电机，20-第一滑台，
21-第一静压导轨，22-床体。
具体实施例方式参见附图1，本发明小口径非球面复合精密加工机床的该实施例采用中国湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心微纳制造研究所制造的带减震器的ULPG型超精密机床，利用分布其四角的减震器16为天然大理石质床体22创造平稳加工环境。第一静压导轨21采用气体静压花岗岩导轨，二条，铺设安装在床体22上表面左侧，其所带第一直线电机19采用北京艾玛特科技有限公司生产的Aerotech ABL1500型直线电机。第一滑台20采用铝合金铸造成形，呈夹持状安装在上述二条第一静压导轨21之间。使该第一滑台20在所述第一直线电机19的电磁推力驱动下，可在所述第一静压导轨 21上沿床体22的Y轴方向自由往复平移。然后在第一滑台20上设置可夹持式装卸工件主轴2的主轴支架1。第二静压导轨12亦为二条，采用气体静压花岗岩导轨，铺设安装在对应第一滑台 20的床体22上表面右侧，其所带第二直线电机15亦采用北京艾玛特科技有限公司生产的 Aerotech ABL1500型直线电机。第二滑台13采用铝合金铸造成形，呈夹持状安装在上述二条第二静压导轨12之间。使该第二滑台13在所述第二直线电机15的电磁推力驱动下，可在所述第二静压导轨12上沿床体22的X轴方向自由往复平移。然后在第二滑台13上设置B轴旋转台11，在该B轴旋转台11上固定设置旋转支架17和托板9。检测装置18采用中国湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心微纳制造研究所研制的红宝石测头，安装在该旋转支架17上。而带有三轴微调架的斜轴镜面磨削装置10和也带有三轴微调架的斜轴磁流变研抛装置14，并列固定安装在托板9上。其中组成斜轴镜面磨削装置10的微粉砂轮6采用市售小直径微粉砂轮。将采用铝合金铸造成形的第一旋转支架8安装于斜轴镜面磨削装置10所带三轴微调架上，砂轮主轴7采用市售高精度空气主轴，固定安装在第一旋转支架8上。而微粉砂轮6则采用市售小直径金刚石微粉直角砂轮，安装在砂轮主轴7朝向第一滑台20的一端；组成斜轴磁流变研抛装置14的研磨头3采用中国湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心微纳制造研究所研制的不锈钢研磨头。将采用铝合金铸造成形的第二旋转支架 5安装于斜轴磁流变研抛装置14所带三轴微调架上，研磨头主轴4固定安装在第二旋转支架5上，而研磨头3亦安装在研磨头主轴4朝向第一滑台20的一端。可利用斜轴镜面磨削装置10和斜轴磁流变研抛装置14所带三轴微调架沿床体22的X轴、Y轴、Z轴三轴所代表的三个不同的方向对砂轮主轴7和研磨头主轴4的位置分别进行微调。
由此构成的本发明的小口径非球面复合精密加工机床经试制试用被证明效果显著，完全达到设计要求。该机床在单台床体上集成精密斜轴镜面磨削装置与斜轴磁流变研抛装置，结合精密斜轴镜面磨削与斜轴磁流变研抛两种工艺，并在工件的加工过程中，通过工件形状的在位测量，实现工件的误差补偿加工，提高了工件形状精度。
权利要求
1. 一种小口径非球面复合精密加工机床，其特征在于，它具有其下端底面四角分别带有减震器(16)的床体(22)，所述床体0 上表面一侧安装有带第一直线电机(19)的第一静压导轨(21)，该第一静压导轨上装有第一滑台(20)，该第一滑台OO)在所述第一直线电机(19)的电磁推力驱动下，可在所述第一静压导轨上沿床体0 的Y轴方向自由往复平移，所述第一滑台OO)上设置有一可夹持式装卸工件主轴( 的主轴支架(1)， 所述床体0 上表面另一侧对应所述第一滑台OO)安装有带第二直线电机(1 的第二静压导轨(12)，该第二静压导轨(1 上装有第二滑台(13)，该第二滑台(1 在所述第二直线电机(1 的电磁推力驱动下，可在所述第二静压导轨(1 上沿床体0 的X轴方向自由往复平移，所述第二滑台(1 上设置有一 B轴旋转台(11)，该B轴旋转台(11)上固定设置有一旋转支架(17)和一托板(9)，该旋转支架(17)上固定设置有一检测装置(18)， 所述托板(9)上并列固定设置有一带三轴微调架的斜轴镜面磨削装置(10)和一带三轴微调架的斜轴磁流变研抛装置(14)，所述斜轴镜面磨削装置(10)包括微粉砂轮(6)、砂轮主轴(7)及第一旋转支架(8)，其中所述第一旋转支架(8)安装于斜轴镜面磨削装置(10)所带三轴微调架上，砂轮主轴(7)固定安装于所述第一旋转支架(8)上，所述微粉砂轮(6)安装在砂轮主轴(7)朝向上述第一滑台OO)的一端；所述斜轴磁流变研抛装置(14)包括研磨头(3)、研磨头主轴(4)及第二旋转支架(5)，其中所述第二旋转支架(5)安装于斜轴磁流变研抛装置(14)所带三轴微调架上，研磨头主轴固定安装于所述第二旋转支架(5) 上，所述研磨头C3)亦安装在研磨头主轴(4)朝向上述第一滑台OO)的一端，上述斜轴镜面磨削装置(10)和斜轴磁流变研抛装置(14)所带三轴微调架均可沿床体0 的X轴、Y 轴、Z轴三轴所代表的三个不同的方向对上述砂轮主轴(7)和研磨头主轴的位置分别进行微调。
全文摘要
一种小口径非球面复合精密加工机床，具有带减震器(16)的床体(22)。床体(22)上装有第一滑台(20)，台上设有主轴支架(1)。对应第一滑台(20)装有第二滑台(13)，台上设有旋转支架(17)和托板(9)。旋转支架(17)上设有检测装置(18)。托板(9)上并列设有带三轴微调架的斜轴镜面磨削装置(10)和斜轴磁流变研抛装置(14)。本发明的该机床在单台床体上集成精密斜轴镜面磨削装置与斜轴磁流变研抛装置，结合精密斜轴镜面磨削与斜轴磁流变研抛两种工艺，加工路径的可控性好，有效防止了干涉现象，通过工件形状的在位测量，实现工件的误差补偿加工，提高了工件形状精度。
文档编号B24B1/04GK102161168SQ20111002139
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者余剑武, 刘林枝, 唐昆, 尹韶辉, 胡天, 范玉峰, 贺剑波, 陈逢军 申请人:湖南大学