专利名称：计算机控制大型非球面修带机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用计算机控制的机械手加工装置，主要用于大口径(Φ400mm以上)光学非球面的修带过程。
背景技术：
随着空间光学技术、光束控制技术以及大型天文望远镜技术的不断发展，对大口径非球面镜的需求越来越多，在我国已经出现供不应求的局面。目前，国内大型非球面光学镜的主流加工技术依然是传统的经典加工技术，这种技术的基本思路是把工件毛坯成型为根据非球面方程得出的“最接近比较球面”，然后在这个球面的基础上将工件修改为要求的非球面形状。这个修改过程是对初始球面工件进行分环带材料去除，很明显，每个环带的材料去除量是不一样的，所以，修带是大型光学非球面加工的一个重要过程。现有的修带工具主要有两种当需要修磨的环带较宽时，通常采用机床的三角摆架驱动磨盘；修磨窄带或者到最后修磨阶段时，通常是采用“手修”，即通过人手施加的压力和运动来控制各环带的材料去除量。毫无疑问，工作压力和相对去除速度完全依赖于加工者的手感，而不能准确控制，加工效率和加工精度都不能得到很好的保证。所以，这也是制约我国大型非球面加工技术发展的一个重要因素。
发明内容
本发明的技术解决问题是提供一种模拟人手运动机理，并能够提供稳定的相对运动速度、工作压力和去除时间的工具，从而使修带过程控制稳定和量化的计算机控制大型非球面修带机械手。
本发明的技术解决方案是计算机控制大型非球面修带机械手，其特点在于它由起基础稳固、移动和升降功能的底座支架，为磨头在光学镜面提供径向直线运动、变速及定位的直线运动部分，为磨头提供摆动速度、摆幅等的磨头摆动部分，为磨头自转提供需要的磨削转速的磨头转动部分及控制部分组成，直线运动部分安装在底座支架的上端，并与磨头摆动部分一端相接，磨头摆动部分的另一端安装着磨头转动部分，控制部分通过伺服系统分别与直线运动部分、磨头摆动部分及磨头转动部分相接。被加工的工件置于抛光机旋转工作台上作连续均匀的转动，控制部分控制磨头转动部分和磨头摆动部分以设定的速度进行连续转动，并且以一定的摆幅和摆速在工件上作径向连续摆动；与此同时，控制部分还控制直线运动部分使磨头在不同的环带以不同的速度移动或定位，整个工作过程通过软件设定，并由计算机通过控制部分控制伺服系统自动完成。
本发明与现有技术相比具有如下优点(1)结构简单，安装和移位方便；(2)数字量精确控制，提高了加工精度；(3)操作方便，在一台计算机上可以完成所有的工作；(4)可以在单台机床上实用多套机械手，提高工作效率；(5)用自动化机械手替代了人手，降低了加工者的劳动强度，节约了劳动力。
图1为本发明的一个实施例的总装图；图2为图1中的直线运动部分部件示意图；图3为图2中的剖视图；图4为图1中的磨头摆动部分部件图；图5为图1中的磨头转动部分部件图；图6为本发明的控制部分结构原理图；图7为本发明的运动控制卡结构示意图；图8为本发明控制工作软件流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明实施例由底座支架部分1、直线运动部分2、磨头摆动部分3、磨头转动部分4及控制部分5组成，直线运动部分2安装在底座支架1的上端，并与磨头摆动部分3一端相接，磨头摆动部分3的另一端安装着磨头转动部分4，控制部分5通过伺服系统分别与直线运动部分2、磨头摆动部分3及磨头转动部分4相接，并控制其工作。
如图1所示，底座支架1在整个结构中不仅起到基础稳固作用，而且还有移动和升降功能，它采用可移动安装方式，可以很方便地在地面移动和固定。这样，本设备能够在不同机床之间切换，一台机床上可以同时使用几个机械手，从而大大提高工作效率。在底座支架1的底座18下面安装有四个车轮11，其中后面两个为万向轮，在其前端和后端固定四个螺母12，螺杆13下端采用活动连接方式与托盘14相连，底座18的上端安装有升降丝杠16及用于调节和固定升降丝杠16的升降螺母15。当需要移动设备时，调节螺杆13上下位置使托盘14离开地面，此时与地面接触的是四个车轮11，可以很轻松地推动设备到所需要的位置；调整好设备位置后，调节螺杆12使托盘14接触地面，设备也就固定下来。这样，设备可以在不同的机床上交换使用。对于不同高度的机床和不同厚度的光学玻璃，要求的加工高度是不一样的，调节升降螺母15，使升降丝杠16带动机械手到需要的高度并拧紧锁紧螺钉17。
如图2、图3所示，直线运动部分2完成磨头在光学元件表面径向各环带的运动、变速以及定位，它由导轨21、滑板22、丝杠23三层构成，导轨21位于最下面，其上面连接着滑板22，丝杠23位于最上面。导轨21采用一条滚动式导轨211，上面两个滚动导轨块212与滑板22连接，这样滑板22可以沿导轨21滑动，丝杠23采用滚珠丝杠231，滚珠螺母232安装在滑板22上，滚珠丝杠231通过蜗轮24、蜗杆25减速机构与伺服电机26连接，在导轨21的一端上安装有一个原点开关213，在导轨21两端安装着两个限位开关214和215，磨头可以自动找到原点并保证它的运动不会超出设定的范围。
如图4所示，磨头摆动部分3为磨头提供快速的直线往复运动，摆动速度和摆幅均可调整，它由蜗轮31、蜗杆32、偏心手轮33、偏摆轮34、连杆35和摆杆36组成，蜗轮31、蜗杆32连接偏摆轮34，偏摆轮34通过连杆35和摆杆36活动连接。伺服电机40通过蜗轮31、蜗杆32带动偏摆轮34转动，偏摆轮34通过连杆35和摆杆36活动连接，磨头安装在摆杆36的前端，从而实现摆杆36和磨头的来回往复运动，摆幅通过偏心手轮33调节。图中标号38是倾角调节架，需要调节机械手倾角时，松开锁紧螺钉37，此时机械手可以绕转轴39转动，调整好角度后锁紧。
如图5所示，磨头转动部分4包括轴套42、转轴43、万向节44、配重盒45及磨盘46，磨盘46位于最底部，其与转轴43之间通过万向节44连接，万向节44上安装一个可以方便拆取用于调节工作压力的配重盒45，转轴43与轴套42之间装有一键槽48及使转轴43可带动轴套42转动的键47。伺服电机49通过一对齿轮41驱动轴套42，轴套42与转轴43之间的转动传递通过键47完成，同时，这个键47可以在键槽48内自由上下滑动。这样，转轴43不仅能够随轴套42转动，而且可以使整个加工过程中的压力保持恒定，即等于转轴43上各零件的总重力，转轴42与磨盘46之间通过万向节44连接，不论磨盘46处于工件的哪个环带，都可以保证其法线垂直于镜面。配重盒45可以通过加减其内的铅块来达到调整加工压力的目的。转轴42与万向节44、万向节44与磨盘46之间都是螺纹连接，加减配重和更换磨盘46时，只需要取下螺纹连接即可。
如图6所示，控制部分5由运动控制卡54、接线板55、伺服动器51、伺服动器52及伺服动器53组成，运动控制卡54插入PCI插槽与计算机6连接，并通过一条15芯和一条25芯的电缆线与接线板连接，由接线板55上输出三条11芯的电缆线分别与三个伺服驱动器51、52、53之间建立通讯关系，三个伺服驱动器51、52、53通过一条4芯电源线和一条11芯编码器控制线分别控制直线运动部分2中的伺服电机26、磨头摆动部分3中的伺服电机40及磨头转动部分4中的伺服电机49转动；同时，直线运动部分2中的两个限位开关214和215和原点开关213通过接线板55连接到运动控制卡54，运动控制卡54有运动控制函数库并可为计算机调用。在本发明的实施例中，采用了三套日本Panasonic的MINAS A系列交流伺服电机及驱动器。
如图7所示，运动控制卡54由运动控制智能模块541、PC接口542、脉冲发射模块543、开关信号光电隔离模块544以及光码盘信号光电隔离模块545组成。其中运动控制智能模块541为核心部件，能够接受来自于上位PC机6的运动指令并向伺服控制器51、52、53发送脉冲信号；能够接受来自外原点开关213、限位开关214、限位开关215的开关信号并作出相应的控制；能够接受来自于电机光码盘的信号并向上位PC机6提供电机实际运行状态。PC接口542连接智能模块541和上位PC机6的PCI总线；脉冲发射模块543连接智能541和伺服控制器，具有对脉冲信号进行光电隔离及进行长线驱动的作用；开关信号光电隔离模块544连接智能模块541和原点开关213、限位开关214、限位开关215，对这些开关信号进行光电隔离；光码盘信号光电隔离模块545连接智能模块541和电机光码盘，对来自于光码盘的信号进行光电隔离。
如图8所示，启动控制软件后，首先执行回原点指令，磨头向负向移动直到检测到原点开关信号，此时系统把该位置设为零点；输入各项运动参数驻留环带数、返回速度、循环次数、各环带速度、各环带距离、各环带驻留时间及磨头的摆速和转速；接受来自于鼠标的运行指令后，系统开启计时器记录机械手修磨时间，同时从电机光码盘提取位置信号并在计算机屏幕上监控各轴的实际运行情况；设定控制摆动的电机40和控制转动的电机49以立即方式连续运转，运转速度分别为设定的摆速和转速；设定控制径向直线运动的电机26以批处理方式运行，依次以各驻留环带的设定速度运行设定的距离后驻留相应时间，直到最后一个驻留环带，然后以返回速度匀速返回起始环带，重复电机26的以上运动直到循环次数达到设定值；径向驻留运动的同时，始终伴随磨头的摆动和转动，直到电机26的运动指令执行完毕后所有控制电机26、40、49才同时停止运动并且停止计时器。通过上述控制方式，可以实现对不同环带的不同去除量。
权利要求
1.计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于它由起基础稳固、移动和升降功能的底座支架(1)，为磨头在光学镜面提供径向直线运动、变速及定位的直线运动部分(2)，为磨头提供摆动速度、摆幅等的磨头摆动部分(3)，为磨头自转提供需要的磨削转速的磨头转动部分(4)及控制部分(5)组成，直线运动部分(2)安装在底座支架(1)的上端，并与磨头摆动部分(3)一端相接，磨头摆动部分(3)的另一端安装着磨头转动部分(4)，控制部分(5)通过伺服系统分别与直线运动部分(1)、磨头摆动部分(2)及磨头转动部分(3)相接。
2.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于在底座支架(1)的底座(18)下面安装有四个车轮(11)，其中后面两个为万向轮，在底座(18)的前端和后端固定四个螺母(12)，螺杆(13)下端采用活动连接方式与托盘(14)相连，底座(18)的上端安装有升降丝杠(16)及用于调节和固定升降丝杠(16)的升降螺母(15)。
3.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于直线运动部分由由导轨(21)、滑板(22)、丝杠(23)三层构成，导轨(21)位于最下面，丝杠(23)位于最上面，中间连接着滑板(22)。
4.根据权利要求3所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于导轨(21)采用滚动式导轨(211)，上面两个滚动导轨块(212)与滑板(22)连接。
5.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于磨头摆部分(3)由蜗轮(31)、蜗杆(32)、偏心手轮(33)、偏摆轮(34)、连杆(35)和摆杆(36)组成，蜗轮(31)、蜗杆(32)连接偏摆轮(34)，偏摆轮(34)通过连杆(35)和摆杆(36)活动连接。
6.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于磨头转动部分(4)包括轴套(42)、转轴(43)、万向节(44)、配重盒(45)及磨盘(46)，磨盘(46)位于最底部，其与转轴(43)之间通过万向节(44)连接，万向节(44)上安装一个可以方便拆取用于调节工作压力的配重盒(45)，转轴(43)与轴套(42)之间装有一键槽(48)及使转轴(43)可带动轴套(42)转动的键(47)。
7.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于转轴(42)与万向节(44)，万向节(44)与磨盘(46)之间螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于控制部分(5)由运动控制卡(54)、接线板(55)、伺服动器(51)、伺服动器(52)及伺服动器(53)组成，运动控制卡(54)插入PCI插槽与计算机(6)连接，并通过电缆线与接线板(55)连接，由接线板(55)上输出三条电缆线分别与伺服驱动器(51)、伺服驱动器(52)、伺服驱动器(53)之间建立通讯关系，伺服驱动器(51)、伺服驱动器(52)、伺服驱动器(53)分别连接到直线运动部分(2)中的伺服电机(26)、磨头摆动部分(3)中的伺服电机(40)及磨头转动部分(4)中的伺服电机(49)。
9.根据权利要求3所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于直线运动部分(2)中还包括通过控制部分(5)中的接线板(55)连接到运动控制卡(54)上的限位开关(214)和限位开关(215)及原点开关(213)。
10.根据权利要求8所述的计算机控制大型非球面修带机械手，其特征在于运动控制卡(54)由处理运动参数、开关信号、光码盘信号的运动控制智能模块(541)，为智能模块(541)提供与计算机机(6)PCI总线I/O通讯的PC接口(542)，为智能模块(541)与伺服驱动器(51)(52)(53)之间的通讯提供脉冲发射、光电隔离、长线驱动的功能模块(543)，为原点、限位、减速等开关信号提供光电隔离的功能模块(544)以及为光码盘信号提供光电隔离的功能模块(545)组成。
全文摘要
计算机控制大型非球面修带机械手由底座支架，为磨头在光学镜面提供径向直线运动、变速及定位的直线运动部分，为磨头提供摆动速度、摆幅等的磨头摆动部分，为磨头自转提供需要的磨削转速的磨头转动部分及控制部分组成，直线运动部分安装在底座支架的上端，并与磨头摆动部分一端相接，磨头摆动部分的另一端安装着磨头转动部分，控制部分通过伺服系统分别控制直线运动部分、磨头摆动部分及磨头转动部分。本发明采用自动化机械手替代了人手，降低了加工者的劳动强度，节约了劳动力，通过数字量精确控制，提高了加工精度，且结构简单，安装和移位方便；同时操作方便，在一台计算机上可以完成所有的工作，可以在单台机床上实用多套机械手，提高工作效率。
文档编号B24B13/00GK1552552SQ0312356
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者伍凡, 郑耀, 吴时彬, 高平起, 凡 伍 申请人:中国科学院光电技术研究所