力位耦合微动精密抛光装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种力位耦合微动精密抛光装置及在线力检测与控制方法，属于机械制造领域。X轴导轨固定安装在床身上，Y轴导轨安装在X轴导轨上溜板上，Y轴导轨上溜板与Y轴导轨滑动连接，微动抛光工具系统安装在Y轴导轨上溜板上，Z轴导轨固定安装在床身上，Z轴导轨溜板与Z轴导轨滑动连接，工件夹具固定在Z轴导轨溜板上。优点在于：结构新颖，具备三维移动及两个转动自由度，可以适应复杂的工件加工表面，实现刀具与工件接触力恒定；工具头径向轴向气缸推动为柔性结构，可以避免加工过程中接触力突然增大引起的刀具和工件的损坏。
【专利说明】
力位耦合微动精密抛光装置
技术领域
[0001]本实用新型属于机械制造领域，尤其是指一种力位耦合微动精密抛光装置。
【背景技术】
[0002]精密加工以及超精密加工技术是发展国防尖端技术的重要基础保证，是具有战略意义的重要技术。但精密抛光平台将不可避免地存在变形、机械运动不稳定等问题。常见抛光机床主轴与刀具刚性连接，不仅难以适应自由曲面的变化，而且表面粗糙度难以控制。加工时通常无法获得加工过程中刀具与工件接触力的动态变化，不能进行相应的反馈调节，遇到轨迹规划错误等突发情况导致刀具与工件间接触力剧增，引起刀具或工件的损坏。现有力控制抛光机床为了实现工具头沿接触点法向进给，需要至少4轴联动机床，造价成本高并且逆解复杂，不能兼顾位置精度和力控制精度。本实用新型简化了运动结构，通过微动工具系统法向进给很好地解决了力和位置的矛盾，提高了加工精度，降低了成本。
【发明内容】
[0003]本实用新型提供一种力位耦合微动精密抛光装置，目的是提供一种具有在线检测刀具与工件接触力大小并可以实现接触力可控的抛光加工平台，主要面向复杂曲面抛光，实现加工过程中保证位置精度的同时实现刀具与工件接触力的精确控制，从而提高精密加工过程中工件的精度和良品率。
[0004]本实用新型采取的技术方案是:X轴导轨固定安装在床身上，Y轴导轨安装在X轴导轨上溜板上，Y轴导轨上溜板与Y轴导轨滑动连接，微动抛光工具系统安装在Y轴导轨上溜板上，Z轴导轨固定安装在床身上，Z轴导轨溜板与Z轴导轨滑动连接，工件夹具固定在Z轴导轨溜板上。
[0005]本实用新型所述微动抛光工具系统由连接板、主轴基座、轴向力位耦合单元、球笼联轴器、滚珠花键、固定支架、电主轴、三组径向力位耦合单元组成，固定支架与连接板固定连接，三组力位耦合单元通过两端关节轴承一、关节轴承二分别连接在电主轴和固定支架上，该三组力位耦合单元位于同一平面内、且互成120度夹角，轴向由电主轴与滚珠花键、力位耦合单元、球笼联轴器通过连接件串联组成，所述滚珠花键花键轴左端与主轴后座固定连接、右端与力传感器左杆端固连，轴套与连接架固连，连接架与球笼联轴器一端固连，球笼联轴器另一端与基座固连，所述连接板固定在Y轴导轨上溜板上。
[000?]本实用新型所述的径向力位親合单元杆长方向由关节轴承、力传感器一、气缸一、关节轴承通过连接件串联组成，位移传感器一的一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。
[0007]本实用新型所述的轴向力位親合单元杆长方向由力传感器二、气缸二通过连接件串联组成，气缸二底座与连接架固定连接，位移传感器二一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。
[0008]本实用新型通过机床提供三维移动，同时微动抛光工具系统可以进行轴向径向微动调节，可以满足复杂工件表面的加工，加工过程中保持主轴初始位置不变，可以在线检测出刀具与工件接触力大小，进而方便研究接触力与工件加工质量之间的关系；同时微动抛光工具系统可以实现抛光过程中刀具与工件接触力控制，比如在精密磨削时需要磨头与工件恒定接触力，应用该微动抛光工具系统可以很好的实现，提高加工精度。
[0009]本实用新型的优点在于:结构新颖，具备三维移动及两个转动自由度，可以适应复杂的工件加工表面;通过控制微动抛光工具系统四伸缩杆上力传感器可以在线检测工件与刀具接触力变化;通过工具系统伸缩杆闭环控制微动调节法向进给可以实现刀具与工件接触力恒定;工具头径向轴向气缸推动为柔性结构，可以避免加工过程中接触力突然增大引起的刀具和工件的损坏。
【附图说明】
[00?0]图1是本实用新型的结构不意图；
[0011]图2是本实用新型微动抛光工具系统的结构示意图
[0012]图3是本实用新型微动抛光工具系统中径向力位耦合单元的结构示意图；
[0013]图4是本实用新型微动抛光工具系统中轴向力位耦合单元的结构示意图；
[0014]图5是本实用新型微动抛光工具系统中滚珠花键的结构示意图；
[0015]其中:1.X轴导轨上溜板，2.Y轴导轨上溜板，3.微动抛光工具系统，4.Z轴导轨溜板，5.工件夹具，6.工件，7.床身，8.X轴导轨，9.Y轴导轨，10.Z轴导轨，301.连接板，302.主轴基座，303.轴向力位耦合单元，304.球笼联轴器，305.滚珠花键，306.固定支架，307.电主轴，308.径向力位耦合单元，30801.关节轴承二，30802.气缸一，30803.位移传感器一，30804.关节轴承一，30805.力传感器一，30301.气缸二，30302.位移传感器二，30303.力传感器二，30304.连接架。
【具体实施方式】
[0016]X轴导轨8固定安装在床身7上，Y轴导轨安装在X轴导轨上溜板I上，Y轴导轨上溜板2与Y轴导轨9滑动连接，微动抛光工具系统3安装在Y轴导轨上溜板2上，Z轴导轨10固定安装在床身7上，Z轴导轨溜板4与Z轴导轨滑动连接，工件夹具5固定在Z轴导轨溜板4上；
[0017]所述微动抛光工具系统3由连接板301、主轴基座302、轴向力位耦合单元303、球笼联轴器304、滚珠花键305、固定支架306、电主轴307、三组径向力位耦合单元308组成，固定支架306与连接板301固定连接，三组力位耦合单元308通过两端关节轴承一 30804、关节轴承二 30801分别连接在电主轴307和固定支架306上，该三组力位耦合单元308位于同一平面内、且互成120度夹角，实现主轴径向运动;轴向由电主轴307与滚珠花键305、力位耦合单元303、球笼联轴器304通过连接件串联组成，所述滚珠花键305花键轴30502左端与主轴307后座固定连接、右端与力传感器30303左杆端固连，轴套30501与连接架30304固连，连接架30304与球笼联轴器304—端固连，球笼联轴器304另一端与基座302固连，轴向力位耦合单元303、滚珠花键305实现主轴307轴向运动并将扭矩通过连接架30304、球笼联轴器304传递到基座302上;所述连接板301固定在Y轴导轨上溜板2上进行Y向移动，可实现主轴方向的轴向和径向微动调节；
[0018]所述的径向力位耦合单元308杆长方向由关节轴承30804、力传感器一 30805、气缸一 30802、关节轴承30801通过连接件串联组成，位移传感器一 30803—端通过连接件与力传感器30805左端杆相连，另一端与气缸30802固定座相连。
[0019]所述的轴向力位耦合单元303杆长方向由力传感器二30303、气缸二30301通过连接件串联组成，气缸二 30301底座与连接架30304固连，位移传感器二 30302—端通过连接件与力传感器30805左端杆相连，另一端与气缸30802固定座相连。
[0020]工作原理:被加工工件6固定在工件夹具5上，通过Z轴导轨溜板进行竖直方向移动，X轴导轨上溜板I和Y轴导轨上溜板2带动微动抛光工具系统进行水平方向的二维运动，微动抛光工具系统径向由初始位置同一平面内互成120度夹角的三组径向力位耦合单元308夹持电主轴307，其中三组径向力位耦合单元308两端由两个关节轴承分别连接主轴307和固定支架306，确保径向力位耦合单元308只沿气缸伸缩方向受力，位移传感器一 30803实时监测径向力位耦合单元伸缩长度，力传感器一 30805实时监测沿伸缩方向推力;微动抛光工具系统轴向由电主轴307与滚珠花键305、轴向力位耦合单元303、球笼联轴器304串联组成，滚珠花键305和球笼联轴器304确保电主轴307扭矩传递到基座302上，力传感器二 30303实时监测轴向推力，位移传感器二 30302实时监测轴向力位耦合单元伸缩长度;工作过程中三组力传感器一 30805与轴向力传感器二 30303合力得到工具头与工件接触力沿主轴307轴线方向分力，根据主轴307轴线方向与工件接触点法线方向夹角求出实际接触力Fn，将Fn与期望接触力Fr进行比较，将差值Ef输入到位置阻抗模型中得到接触点法线方向位移修正量E，然后反求到各个力位移耦合单元的伸缩量进行微动调整，实现接触力的闭环控制。
【主权项】
1.一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于:x轴导轨固定安装在床身上，Y轴导轨安装在X轴导轨上溜板上，Y轴导轨上溜板与Y轴导轨滑动连接，微动抛光工具系统安装在Y轴导轨上溜板上，Z轴导轨固定安装在床身上，Z轴导轨溜板与Z轴导轨滑动连接，工件夹具固定在Z轴导轨溜板上。2.根据权利要求1所述的一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于:所述微动抛光工具系统由连接板、主轴基座、轴向力位耦合单元、球笼联轴器、滚珠花键、固定支架、电主轴、三组径向力位耦合单元组成，固定支架与连接板固定连接，三组力位耦合单元通过两端关节轴承一、关节轴承二分别连接在电主轴和固定支架上，该三组力位耦合单元位于同一平面内、且互成120度夹角，轴向由电主轴与滚珠花键、力位耦合单元、球笼联轴器通过连接件串联组成，所述滚珠花键花键轴左端与主轴后座固定连接、右端与力传感器左杆端固连，轴套与连接架固连，连接架与球笼联轴器一端固连，球笼联轴器另一端与基座固连，所述连接板固定在Y轴导轨上溜板上。3.根据权利要求2所述的一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于:所述的径向力位耦合单元杆长方向由关节轴承、力传感器一、气缸一、关节轴承通过连接件串联组成，位移传感器一的一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。4.根据权利要求2所述的一种力位耦合微动精密抛光装置，其特征在于:所述的轴向力位耦合单元杆长方向由力传感器二、气缸二通过连接件串联组成，气缸二底座与连接架固定连接，位移传感器二一端通过连接件与力传感器左端杆相连，另一端与气缸固定座相连。
【文档编号】B24B41/02GK205497223SQ201620230920
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】冀世军, 张祚华, 赵继, 张富, 刘义军, 翟春阳
【申请人】吉林大学