一种光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床及其使用方法与流程

本发明涉及抛光用机械，特别是一种光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床及其使用方法。

背景技术：

随着工业技术的发展，硬脆材料在航空航天、汽车、模具、光学以及半导体等领域展现出广阔的应用前景。光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头、隐形雷达探照镜、高速飞行器窗口、天文望远镜的大型反射镜以及激光发射装置中的光学透镜、棱镜等。硬脆材料光学元件常规切削加工非常困难，通常通过超精密研磨、抛光及超精密磨削加工获得，但该方式加工时间长，加工成本较高。为解决这一加工难题，20世纪初一种超声抛光加工方法开始应用于工业领域。超声抛光可减小切削力和切削温度，减小刀具磨损，提高加工质量，拓展可加工材料范围，特别适合加工玻璃、陶瓷、石英、金刚石以及硅等各种硬脆材料。

为解决目前各种超声抛光机床存在的包括抛光头轴线方向与复杂曲面元件抛光点的法线方向不重合导致的因抛光头与工件表面接触应力不均匀影响工件表面抛光精度；抛光过程中抛光头在最大弹性压缩深度时对工件表面易产生损伤；工件浸泡在抛光液中使超声传递的能量被分散，传递给抛光液中磨粒的能量较少，加工效率较低；抛光过程中工件离线检测反复安装产生的定位误差对加工质量和效率的不利影响等诸多技术问题，本申请人曾在申请号为201611119653.7的中国专利申请说明书中披露了一种曲面加工用五轴二维超声抛光机床。该机床由机架、XYZ三维移动机构、旋转式超声振动抛光装置、旋转工作台、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置组成。用其抛光光学复杂曲面元件时，将元件的表面形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动(三维移动和二维转动)，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线始终保持重合；根据抛光需要的雾化程度确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率；旋转式超声振动抛光装置的振幅根据抛光液雾化施液装置和被加工工件的技术参数以及工件最大弹性压缩深度时的临界冲击速度和临界切削速度按计算公式求得；由工件在线检测装置对工件曲面进行在线检测。该超声抛光机床虽然解决了现有超声抛光机床存在的上述技术问题，但因施加在主轴上的一维超声振动只能使抛光头沿主轴方向做往复直线运动，抛光功率较低，同时因抛光加工时抛光头的运动轨迹在复杂曲面上仅为单一的点，加工效率不够高。

技术实现要素：

为提高光学曲面抛光加工效率，本发明提供一种光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床及这种机床的使用方法。

本发明提供的光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床，包括五轴机床、抛光液超声雾化施液装置和工件在线检测装置；

所述五轴机床包括由机座和与机座垂直固接成一体的机架构成的机身；在机身上有X向移动机构、Z向移动机构和Y向移动机构；在Z向移动机构上有主轴超声振动抛光装置，在Y向移动机构上有Y向超声振动装置，在Y向超声振动装置上有C向转动工作台；

所述X向移动机构包括固定在机架上部的X向移动机构底座，在X向移动机构底座上安装有X向伺服电机及由X向伺服电机驱动的X向滚珠丝杠,X向滚珠丝杠通过与其配合的X向螺母与X向溜板固接，X向溜板下部有可沿X向移动机构底座上部的X向导轨滑动的X向滑块；

所述Z向移动机构包括固定在所述X向溜板上的Z向移动机构底座，在Z向移动机构底座上安装有Z向伺服电机及由Z向伺服电机驱动的Z向滚珠丝杠，Z向滚珠丝杠通过与其配合的Z向螺母与Z向溜板固接，Z向溜板下部有可沿Z向移动机构底座上的Z向导轨滑动的Z向滑块；

所述Z向移动机构上的主轴超声振动抛光装置包括固定安装在Z向溜板上的箱体，在箱体上安装有B向伺服电机和由B向伺服电机驱动的B向蜗杆涡轮传动机构，箱体的前面有B向蜗杆涡轮传动机构带动的B向转动台，B向转动台上安装有由主轴电机、换能器、变幅杆组成的超声装置，变幅杆的下端安装有抛光头；

所述Y向移动机构包括固定在机座上的Y向移动机构底座，在Y向移动机构底座上安装有Y向伺服电机及由Y向伺服电机驱动的Y向滚珠丝杠，Y向滚珠丝杠通过Y向螺母驱动Y向溜板，通过与Y向底板下部固接的Y向滑块沿Y向移动机构底座两侧上部的Y向导轨做Y向移动；

所述Y向移动机构上的Y向超声振动装置包括固定安装在Y向溜板上的Y向超声装置底座，在Y向超声装置底座的左端固定安装Y向超声换能器，Y向超声换能器前端有Y向超声变幅杆，在Y向超声装置底座的两侧设有超精密导轨，在超精密导轨上有通过下部带有滑槽的精密滑块可在超精密导轨上滑动的平台，平台的右端通过弹簧与Y向超声装置底座的右端相接，Y向超声变幅杆的前端与平台的左端连接；

所述Y向超声装置上的C向转动工作台包括安装在所述平台上的C向伺服电机、C向蜗杆蜗轮传动机构和工件固定盘，C向伺服电机通过C向蜗杆蜗轮传动机构驱动工件固定盘做C向转动；

所述抛光液超声雾化施液装置(2)包括一个五自由度机械臂(201)和安装在五自由度机械臂前端的超声雾化喷头(202)；

所述工件在线检测装置为由三坐标测量机(系现有技术装置)和安装在三坐标测量机上的非接触式激光测量头组成。

上述光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床的使用方法，包括以下步骤：

(1)将工件(光学曲面元件)表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序，通过程序控制系统使机床五轴联动(三维移动和二维转动)，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持平行；

(2)通过抛光头的主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置五自由度机械臂的数控程序，使五自由度机械臂与抛光头实现随动，并使抛光液喷射方向与工件抛光点法线方向的保持45±5度夹角；

(3)根据工件抛光需要的雾化程度(液滴的直径)确定抛光液超声雾化施液装置使用的超声波频率f3(由喷头产品的标定函数给出)；

(4)Y向超声振动装置的超声波频率f1和主轴超声振动抛光装置的超声波频率f2在20—35KHz范围内选取，并使f1＝f2；Y向超声振动装置的超声波振幅A1和主轴超声振动抛光装置的超声波振幅A2按工件抛光要求选取，并使A1>A2；

(5)抛光过程中，当工件曲面加工精度需要检测时，通过Y向移动机构将工件退出加工区，由工件在线检测装置对工件曲面进行检测，根据检测结果，如需继续进行抛光，通过Y向移动机构将工件退回加工区，继续进行抛光加工，直至工件曲面抛光质量达到要求为止。

与背景技术中所述五轴二维超声抛光机床相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明超声抛光机床采用五轴联动(三维移动和二维转动)，可使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持平行，在抛光头转动的同时，Y向超声振动装置的超声波可与做B向摆动的主轴超声振动抛光装置的超声波在平面内垂直耦合，当Y向超声振动装置的振幅A1大于主轴超声振动抛光装置的振幅A2时，抛光头与工件能够形成长轴在Y方向、短轴处于工件抛光点法线位置的椭圆形加工轨迹，使抛光头与工件的接触面积大大超过上述现有五轴二维超声抛光机床的抛光头与工件的接触面积，从而使其曲面去除率和抛光加工效率大幅度提高。

2、同样，本发明通过抛光液超声雾化施液装置的五自由度机械臂带动超声雾化喷头与抛光头随动，并以与抛光点法线保持45度夹角方向喷射抛光液，使汽雾状态的抛光液对准抛光点喷入抛光头与工件之间，可避免抛光头干磨引起的工件表面损伤，并有利于节约抛光液；通过工件在线测量装置实现抛光过程在线测量，可避免工件离线检测因反复安装产生的定位误差对加工质量和抛光效率的不利影响；也可用其加工直径为300～350mm的大尺寸光学复杂曲面元件。

附图说明

图1是本发明超声抛光机床的整体结构示意图，

图2是图1中五轴机床的结构示意图，

图3是图2中X向移动机构的示意图，

图4是图2中Z向移动机构的示意图，

图5是图2中主轴超声振动抛光装置的示意图，

图6是图2中Y向移动机构的示意图，

图7是图2中Y向超声振动装置的示意图，

图8是图2中C向转动工作台的示意图，

图9是图1中抛光液超声雾化施液装置的示意图，

图10是图9抛光液超声雾化施液装置的超声雾化喷头喷洒抛光液方向示意图，

图11是工件表面抛光轨迹示意图，

图12是图1中工件在线检测装置的示意图。

图中：1五轴机床，101机座，102机架，103X向移动机构，1031X向移动机构底座，1032X向伺服电机，1033X向滚珠丝杠,1034X向溜板，1035X向滑块，1036X向螺母，1037X向导轨，104Z向移动机构，1041Z向移动机构底座，1042Z向伺服电机，1043Z向滚珠丝杠，1044Z向溜板,1045Z向螺母,1046Z向滑块,1047Z向导轨，105主轴超声振动抛光装置，1051箱体，1052B向伺服电机，1053B向蜗杆涡轮传动机构，1054B向转动台，1055抛光头，1056变幅杆，1057换能器，1058主轴电机，106C向转动工作台，1061C向伺服电机，1062C向蜗杆蜗轮传动机构，1063工件固定盘，107Y向超声振动装置，1071Y向超声装置底座，1072Y向超声换能器，1073Y向超声变幅杆，1074平台，1075超精密导轨，1076精密滑块，1077弹簧，108Y向移动机构，1081Y向移动机构底座，1082Y向伺服电机，1083Y向滚珠丝杠，1084Y向螺母，1085Y向溜板，1086Y向滑块，1087Y向导轨，2抛光液超声雾化施液装置，201五自由度机械臂，202超声雾化喷头，3工件在线检测装置，301三坐标测量机，302非接触式激光测量头，4工件，401加工轨迹。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明光学曲面加工用五轴三维超声抛光机床，包括五轴机床1、抛光液超声雾化施液装置2和工件在线检测装置3。

如图2所示，所述五轴机床1包括由机座101和与机座垂直固接成一体的机架102构成的机身；在机身上有X向移动机构103、Z向移动机构104和Y向移动机构108；在Z向移动机构上有主轴超声振动抛光装置105，在Y向移动机构上有Y向超声振动装置107，在Y向超声振动装置上有C向转动工作台106。

如图2和图3所示，所述X向移动机构103包括固定在机架102上部的X向移动机构底座1031，在X向移动机构底座上安装有X向伺服电机1032及由X向伺服电机驱动的X向滚珠丝杠1033,X向滚珠丝杠通过与其配合的X向螺母1036与X向溜板1034固接，X向溜板下部有可沿X向移动机构底座上部的X向导轨1037滑动的X向滑块1035。

如图2和图4所示，所述Z向移动机构105包括固定在所述X向溜板1034上的Z向移动机构底座1041，在Z向移动机构底座上安装有Z向伺服电机1042及由Z向伺服电机驱动的Z向滚珠丝杠1043，Z向滚珠丝杠通过与其配合的Z向螺母1045与Z向溜板1044固接，Z向溜板下部有可沿Z向移动机构底座上的Z向导轨1047滑动的Z向滑块1046。

如图5所示，所述Z向移动机构上的主轴超声振动抛光装置包括固定安装在Z向溜板1044上的箱体1051，在箱体上安装有B向伺服电机1052和由B向伺服电机驱动的B向蜗杆涡轮传动机构1053，箱体的前面有B向蜗杆涡轮传动机构带动的B向转动台1054，B向转动台上安装有由主轴电机1058、换能器1057、变幅杆1056组成的超声装置，变幅杆的下端安装有抛光头1055。

如图2和图6所示，所述Y向移动机构108包括固定在机座101上的Y向移动机构底座1081，在Y向移动机构底座上安装有Y向伺服电机1082及由Y向伺服电机驱动的Y向滚珠丝杠1083，Y向滚珠丝杠通过Y向螺母1084驱动Y向溜板1085，通过与Y向底板下部固接的Y向滑块1086沿Y向移动机构底座两侧上部的Y向导轨1087做Y向移动。

如图2和图7所示，所述Y向移动机构108上的Y向超声振动装置包括固定安装在Y向溜板1085上的Y向超声装置底座1071，在Y向超声装置底座的左端固定安装Y向超声换能器1072，Y向超声换能器前端有Y向超声变幅杆1073，在Y向超声装置底座的两侧设有超精密导轨1075，在超精密导轨上有通过下部带有滑槽的精密滑块1076可在超精密导轨上滑动的平台1074，平台的右端通过弹簧1077与Y向超声装置的右端相接，Y向超声变幅杆的前端与平台的左端连接。

如图2和图8所示，所述Y向超声装置107上的C向转动工作台106包括安装在所述平台1074上的C向伺服电机1061、C向蜗杆蜗轮传动机构1062和工件固定盘1063，C向伺服电机通过C向蜗杆蜗轮传动机构驱动工件固定盘转动，工件4通过夹具(未图示)固定在工件固定盘上。

如图1和图9所示，所述抛光液超声雾化施液装置2包括一个五自由度机械臂201和安装在五自由度机械臂前端的超声雾化喷头202；

如图1和图12所示，所述工件在线检测装置3由三坐标测量机301(系现有技术装置)和安装在三坐标测量机上的非接触式激光测量头302组成。

以下为使用上述五轴三维超声抛光机床加工光学曲面元件的一个实施例。

该光学曲面元件为石英玻璃，尺寸为300mm×300mm×200mm，抛光曲面为凹形面,抛光液超声雾化施液装置使用的抛光液为碳化硅磨粒悬浊液，超声雾化使用的超声波频率f3为100KHz。

为了提高抛光功率和抛光加工效率，使用上述五轴三维超声抛光机床按以下方法对该工件进行抛光。

将该工件表面的形状参数转化为抛光头的走刀文件，通过运动学反解获得机床的数控程序；通过抛光头主轴位姿反解得到抛光液超声雾化施液装置的五自由度机械臂的数控程序。

机床的Y向超声振动装置的振幅A₁＝30μm，主轴超声振动装置的振幅A₂＝20μm，Y向超声振动装置频率f1和主轴超声振动装置的频率f2均为20KHz，Y向超声振动装置的初相位为90°，主轴超声振动装置的初相位为0°。

抛光时，通过程序控制系统使机床五轴联动，使抛光头轴线方向与工件抛光点的法线方向始终保持平行；五自由度机械臂通过其数控程序控制使抛光液喷射方向与工件抛光点法线保持45度夹角(如图10所示)，超声雾化喷头与抛光头随动。

抛光过程中，Y轴向的超声振动经C向旋转台传递给安装在其上的工件，工件的轨迹为沿Y轴方向直线超声振动；主轴上的超声波振动作用于抛光头上，抛光头的轨迹为沿主轴方向直线超声振动；两个超声的方向夹角为90°，耦合成的加工轨迹401为椭圆形曲线(如图11所示)，该椭圆形曲线的短轴处于工件抛光点的法线位置上。

与背景技术所述五轴二维超声抛光机床相比，抛磨面积大大增加，抛光加工效率可提高三倍以上。

该实施例抛光过程中，通过工件在线检测装置对工件先后共进行过5次在线检测，最后得到的加工工件表面光滑无伤痕。