五自由度光学镜面加工设备及其工作方法与流程

本发明属于机械加工制造技术领域，具体涉及一种光学镜面加工设备，尤其涉及一种五自由度光学镜面加工设备及其工作方法。

背景技术：

随着望远镜技术的发展，对望远镜的光学性能的要求越来越高，镜面的设计越来越精密，使得对于镜面加工误差和加工精度的要求提出新的要求。

目前在光学镜面加工领域主要使用传统的串联型设备进行镜面的车削、磨削、抛光等工序。但是由于串联型设备存在累计误差叠加的原因，在每个轴的误差一定时，设备的轴数越多，累计误差也一般会越大，使得串联设备越来越难以满足目前越来越高的镜面加工精度的要求。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足：现有的镜面串联型加工设备存在的容易产生误差累积，从而较难满足光学镜面的加工精度要求的问题，本发明提供一种五自由度光学镜面加工设备及其工作方法，该加工设备应用并联机构作为构型，具有加工精度高，系统刚度较大的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种五自由度光学镜面加工设备，包括机架及由下而上依次设置在其内部的镜面支撑与固定装置、加工刀具、刀具驱动电机、动平台、辅助平台和五个直线滑台，其中，镜面支撑与固定装置位于所述机架的内部底部，五个直线滑台位于机架顶部且平行于机架内部下表面，相邻两直线滑台间成72°角，所述动平台的上端穿过辅助平台的中心与其连接，所述动平台的下端依次固定连接刀具驱动电机和加工刀具；

所述五个直线滑台为：第一支链滑台、第二支链滑台、第三支链滑台、第四支链滑台、第五支链滑台，其中两个直线滑台通过两条主运动支链与所述动平台连接，另外三个直线滑台通过三条辅助运动支链与所述辅助平台连接。

进一步的，所述两条主运动支链分别为第二运动支链、第四运动支链，其上端分别与所述第二支链滑台、第四支链滑台连接并沿其直线方向滑动，其下端分别与所述动平台的上端连接。

进一步的，每一条主运动支链由上至下由主运动支链滑块、主运动支链连杆连接组成，所述主运动支链连杆通过主运动支链滑块与所述直线滑台的丝杠连接，下端与动平台连接；每条主运动支链中，位于下端的连接元件的转动中心都不经过动平台的轴线。

进一步的，所述三条辅助运动支链分别为第一运动支链、第三运动支链、第五运动支链，其上端分别与所述第一支链滑台、第三支链滑台、第五支链滑台连接并沿其直线方向滑动，其下端分别与所述辅助平台连接。

进一步的，每一条辅助运动支链由上至下由辅助运动支链滑块同时与辅助运动支链连杆a、辅助运动支链连杆b该两条辅助运动支链连杆并联组成，所述辅助运动支链连杆a、辅助运动支链连杆b均通过辅助运动支链滑块与所述直线滑台的丝杠连接，下端与所述辅助平台连接；

每条辅助运动支链中，辅助运动支链上端的两个铰链的转动中心与下端的两个铰链的转动中心构成一个平行四边形的四个顶点。

进一步的，所述滑台结构均相同，均为滚珠丝杠型直线滑台，五个直线滑台沿滑块滑动方向依次包括丝杠驱动电机、联轴器和丝杠，所述丝杠布置在五个直线滑台中，并且丝杠轴线汇聚于一点。

进一步的，三条辅助运动支链与辅助平台的连接中心点在机架内部下表面上的三个投影点、两条主运动支链与动平台的连接中心点在机架内部下表面上的两个投影点，与辅助平台的中心点在机架内部下表面的投影点间的连线为五条相交于一点的直线，相邻两条直线间夹角均为72°。

进一步的，所述动平台和辅助平台间通过辅助平台虎克铰连接；所述五个直线滑台、动平台、辅助平台与两条主运动支链、三条辅助运动支链之间为铰连接，包括虎克铰和球铰链。

进一步的，所述镜面支撑与固定装置的镜面轴向支撑采用多液压缸的液压whiffletree支撑，径向支撑采用切向杆bipod支撑。

上述的一种五自由度光学镜面加工设备的工作方法，具体步骤如下：

1)镜片固定与定位：将待加工镜面连接在镜面支撑与固定装置上，调整多液压缸的液压whiffletree中三个联通器中的油液压力，完成轴向支撑和定位，使用切向杆bipod完成镜面的径向固定和定位；

2)滑块位置调整：丝杆驱动电机通过联轴器带动丝杆做旋转运动，辅助运动支链滑块随丝杆的转动角度按照对应的规格的丝杆导程转化为沿第一支链滑台方向的直线滑动；五个丝杠的丝杆驱动电机后端安装有旋转编码器，旋转编码器反馈丝杆驱动电机的转子角位置信息，形成电机输出参数的闭环控制；通过计算丝杆驱动电机的转动角度和丝杠的导程求得五个滑块的所在位置，进而得出动平台的空间位置和姿态；

3)刀具位置调整：通过分别调节三条辅助运动支链上辅助运动支链滑块的移动距离和两条主运动支链上主运动支链滑块在第二支链滑台上的移动距离，三条辅助运动支链推动辅助平台产生三个方向的上平动；，两条主运动支链和辅助平台共同推动动平台产生三个方向平动和两个方向转动，进而控制加工刀具实现目标位姿。

进一步的，丝杆驱动电机处加装有减速机，在直线滑台上安装有位移传感器，根据位移传感器的反馈的滑块位移信号调节电机参数，形成滑块位置的闭环控制，进而精确控制动平台的位姿。此处的丝杆驱动电机一般是加减速器的，但是由于减速器有误差，导致计算的滑块的位置参数不准确，所以要在滑台上再安装直线位置传感器；但是如果功率较小时，也可不加减速器，由丝杆驱动电机直接和丝杆直接连接，根据旋转编码器反馈的转子的角度和丝杆的导程计算的滑块的位置参数误差相对较小，可根据精度需要选择是否是在滑台上安装直线位移传感器。

有益效果：本发明提供的五自由度光学镜面加工设备及其工作方法，与现有技术相比，具有以下优势：本发明采用并联结构形式，刚度大，结构稳定，累积误差小。驱动方式采用伺服电机驱动滚珠丝杠形式，运动精度高，易于提升加工精度。

附图说明

图1是本发明的提供的光学镜面加工设备的三维整体结构示意图；

图2是本发明的提供的设备主运动支链连接关系示意图；

图3是本发明的提供的设备辅助运动支链连接关系示意图；

图4是本发明的提供的设备辅助平台虎克铰示意图。

图中：1-机架，2-刀具驱动电机，3-动平台，4-辅助平台，5-加工刀具，6-待加工镜面，7-镜面固定与支撑装置，8-主运动支链下端虎克铰，9-主运动支链连杆，10-主运动支链上端虎克铰，11-主运动支链滑块，12-第二支链滑台，13-第三支链滑台，14-第四支链滑台，15-第五支链滑台，16-第一支链滑台，17a-辅助运动支链下端虎克铰a，17b-辅助运动支链下端虎克铰b，18a-辅助运动支链连杆a，18b-辅助运动支链连杆b，19a-辅助运动支链上端虎克铰a，19b-辅助运动支链上端虎克铰b，20-辅助运动支链滑块，21-丝杠驱动电机，22-联轴器，23-丝杠，24-辅助平台虎克铰，25-旋转编码器，26-直线位移传感器。

具体实施方式

本发明为一种五自由度光学镜面加工设备及其工作方法，其包括机架、五个直线滑台、辅助平台、动平台、设置在滑台和辅助平台之间的第一运动链、第三运动支链、第五运动支链以及设置在机架和动平台上端之间的第二运动支链和第四运动支链、刀具驱动电机、刀具、镜面固定与支撑装置。其中动平台上端穿过辅助平台中心，通过虎克铰链和辅助平台连接。辅助平台在第一、三、五运动支链的作用下产生三个方向上的移动自由度，动平台在辅助平台和第二、四运动支链的共同作用下实现了三维平动和二维转动。本发明将并联机构刚度大、精度高的特点运用于光学加工中，提升其加工精度。

本发明要解决的技术问题是现普遍在光学镜面使用的串联型设备，存在着容易产生累积误差，整体刚度不高等问题。就上述技术问题本发明提出了一种并联型光学镜面加工设备。为了使本发明的技术目的、技术意义以及技术方案表达的更为清楚，便于本领域的技术人员理解，并加以应用，下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为光学镜面加工设备的三维整体结构示意图，从下往上依次为机架1、镜面支撑与固定装置7、待加工镜面6、加工刀具5、刀具驱动电机2、动平台3、辅助平台4、三条辅助运动支链、两条主运动支链和五个直线滑台。

在动平台上3的下端固定有刀具驱动电机2。在刀具驱动电机前端固定有镜面加工刀具5。加工刀具5在动平台产生的三个移动自由度和两个转动自由度的作用下，保证加工刀具5和待加工镜面6之间形成合适的加工角度，从而使设备能满足镜面的加工要求。由于尺寸较大的镜面不能视作为刚体，所以用于常规机械加工领域的支撑方式不适用于镜面加工。所以本发明所用的夹具不是常用的机械加工领域的夹具，而是光学镜面加工采用专用的镜面固定与支撑装置7，该装置固定在本发明所述设备内部下表面上作为设备的固定与支撑装置。镜面固定与支撑装置7在实施时，镜面轴向支撑可以根据需要采用多液压缸的液压whiffletree支撑，由三组液压缸分别构成三个连通器，再加上压力产生与保持装置，形成虚拟的三硬点，支撑光学镜面，将原来三个硬点上的力，分散三组液压缸上，减少单个支撑点处的力，保证镜面在轴向能保持在目标位置，且不出现较大的变形。考虑到温度对于镜面的影响，支撑结构要有一定的温度补偿能力，径向支撑采用切向杆bipod支撑，切向杆bipod能将因主镜的热胀冷缩而产生的镜面变形转化为主镜的转动，降低因热胀冷缩而产生的应力。液压whiffletree系统和切向杆bipod系统共同实现六点定位，约束镜面空间的六个自由度，再加上相应的固定装置，保证镜面在不发生较大变形的情况，完成镜面的加工，提升镜面的面型加工精度。

如图2所示，所述机架1内部上部为滑台固定平面，下表面为镜面固定与支撑装置7的固定表面。五个直线滑台包括：第一支链滑台16，第二支链滑台12，第三支链滑台13，第四支链滑台14，第五支链滑台15。所述滑台均为滚珠丝杠型直线滑台，并且平行于机架内部下表面，均布在机架顶面。

如图3所示，五个直线滑台结构均相同，所述滑台的具体包括：丝杠驱动电机21，联轴器22，丝杠23。所述丝杠23布置平面平行于机架1内部下表面。

在滑台和辅助平台4之间连接有三条辅助运动支链，包括：第一支链滑台16连接的第一运动支链，第三支链滑台13连接的第三运动支链，第五支链滑台15连接的第五运动支链。三条辅助运动支链结构相同，每一条辅助运动支链具体包括：辅助运动支链滑块20，辅助运动支链上端虎克铰a19a，辅助运动支链上端虎克铰b19b，辅助运动支链连杆a18a，辅助运动支链连杆b18b，辅助运动支链下端虎克铰a17a，辅助运动支链下端虎克铰b17b。所述辅助运动支链滑块20连接在滑台的丝杠上，辅助运动支链滑块20在滑台上移动。辅助运动支链连杆a18a，辅助运动支链连杆b18b通过辅助运动支链上端虎克铰a19a，辅助运动支链上端虎克铰b19b连接在辅助运动支链滑块20上，同时通过辅助运动支链下端虎克铰a17a，辅助运动支链下端虎克铰b17b连接在辅助平台4上。每条辅助运动支链中，辅助运动支链上端虎克铰a19a转动中心和辅助运动支链上端虎克铰b19b转动中心，辅助运动支链下端虎克铰a17a转动中心和辅助运动支链下端虎克铰b17b转动中心构成一个平行四边形的四个顶点。三个辅助运动支链均为平行四边形，使得辅助平台始终和滑台平行，只产生三个方向上的平动。三条辅助运动支链使得辅助平台4产生三个方向上的移动自由度。所述三条辅助运动支链使得辅助平台4始终和五个滑台构成的平面平行。

如图2所示，在滑台和动平台3之间连接有两条主运动支链。两条主运动支链包括：第二支链滑台12连接的第二运动支链，第四支链滑台14连接的第四运动支链。每一条主运动包括：主运动支链滑块11，主运动支链上端虎克铰10，主运动支链连杆9，主运动支链下端虎克铰8。每条主运动支链中，主运动支链滑块11和丝杠连接，主运动支链滑块11在滑台上移动。主运动支链连杆9上端通过主运动支链上端虎克铰10和主运动支链滑块11连接，又通过主运动支链下端虎克铰8和平台3连接。每条主运动支链中，主运动支链下端虎克铰8的转动中心都不经过动平台3的轴线。辅助平台4通过辅助平台虎克铰24和两条主运动支链共同作用动平台3，使得动平台产生三个方向上的移动自由度和两个方向上的转动自由度。

如图4所示，动平台3辅助平台4间通过辅助平台虎克铰24直接连接。三条辅助运动支链与辅助平台4的连接中心点在机架内部下表面上的三个投影点，两条主运动支链与动平台4的连接中心点在机架内部下表面上的两个投影点，与辅助平台4的轴线在机架内部下表面的投影点间的连线为五条汇聚于一点的直线，且任意两条相邻直线之间的夹角为72°；

本发明中三条主运动支链和两条辅助运动支链中的任意虎克铰，都可换成球铰链，本发明所述的设备可以正常工作。

本发明设备的工作方法为：通过计算所述电机的转动角度和丝杠的导程可以求得五个滑块的所在位置，进而得出动平台3的空间位置和姿态。五个丝杠的驱动电机后端安装有旋转编码器，旋转编码器用于反馈五个丝杠驱动电机的转子角位置信息，形成电机输出量的闭环控制；由于为了增大输出力，电机处加装有减速机，而减速机存在空程差，为了精确的控制滑块位置，在直线滑台上安装有位移传感器，根据位移传感器的信号调节电机参数，形成滑块位置的闭环控制，进而精确控制动平台的位姿。

具体步骤如下：

1)镜片固定与定位：将待加工镜面6连接在镜面支撑与固定装置7上，调整多液压缸的液压whiffletree中三个联通器中的油液压力，使其对镜面的支撑到达合适的刚度，完成轴向支撑和定位，使用切向杆bipod完成镜面的径向固定和定位，切向杆bipod能将因主镜的热胀冷缩而产生的镜面变形转化为主镜的转动，降低因热胀冷缩而产生的应力。

2)滑块位置调整：丝杆驱动电机21通过联轴器22带动丝杆23做旋转运动，辅助运动支链滑块20随丝杆23的转动角度按照对应的规格的丝杆导程转化为沿第一支链滑台16方向的直线滑动；五个丝杠23的丝杆驱动电机21后端安装有旋转编码器25，旋转编码器25用于反馈丝杆驱动电机的转子角位置信息，形成电机输出参数的闭环控制；在五个直线滑台上安装有直线位移传感器26，控制器根据位移传感器26的反馈的滑块的位移信号和目标位置参数的差值调节电机输出参数，形成滑块位置的闭环控制。

3)刀具位置调整：通过分别调节三条辅助运动支链上辅助运动支链滑块16的移动距离和两条主运动支链上主运动支链滑块11在第二支链滑台12上移动距离，三条辅助运动支链推动辅助平台4产生三个方向的上平动；两条主运动支链和辅助平台4共同推动平台3产生三个方向平动和两个方向转动，进而控制加工刀具5实现目标位姿。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

1.传统串联机构各构件弹性叠加，杆件易受弯矩的问题，本发明中采用滚珠丝杠驱动三条辅助运动支链和主运动支链，进而驱动辅助平台和主运动平台，各构件刚性叠加，杆件只受拉力和压力，使得本发明所述的设备具有较大的刚度。

2.传统串联型构件误差相互叠加，本发明中所述的并联型光学加工设备相比于传统的串联型设备误差为各构件误差的平均值，具有累积误差小的特点。本发明所述光学镜面加工设备可以满足于光学镜面越来越高的加工要求。

3.本发明所述光学加工设备可以实现三个平动和两个转动自由度，从而使得加工刀具能一直和加工镜面保持理想的加工角度，可以加工形状较为复杂的光学镜面。

4.各杆件协同工作，使得设备具备良好的动态性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。