一种高精度五轴多维超声抛光装置的制作方法

本发明涉及一种高精度五轴多维超声抛光装置，属于高精度、难加工材料复杂曲面元件抛光领域。

背景技术：

高精度、难加工材料复杂曲面元件的生产效率和成本已经成为衡量一个国家光学工业乃至整个制造业现代化水平的标志之一。抛光工艺是光学曲面制造过程中的最后一道工序，对保证曲面的质量和使用寿命起到至关重要的作用。然而光学曲面的抛光时间长、生产率低，整个抛光时间约占总制造时间的60％以上，如何提高抛光效率，增强抛光过程的确定性是现在光学制造领域的研究热点。

传统的抛光加工方法对硬、脆材料的去除效率低，也难保证材料加工表面的质量和精度。传统的抛光工艺一般采用抛光盘、抛光垫之类的装置，只能实现对平面的加工，对于难加工材料的复杂曲面没有稳定、高效、精确的加工装置和加工方法。

另外，抛光液内含高硬度的磨料微粒，微粒分布的均匀性直接影响抛光效率和加工表面的质量，微粒自身容易产生分层、沉淀等现象，当微粒分布不均匀，过于集中的部位，抛光效率会提高，但工件表面的粗糙度也会增加，也增加了工件表面产生损伤和划痕的几率，微粒分布过少的部位，材料去除难以保证，不利于加工表面的均匀性。抛光液均匀供给是超精表面抛光中的关键技术。

技术实现要素：

本发明通过对现有抛光装置的改进，实现了对复杂曲面、非球面、自由曲面进行快速定位、精准抛光，能够充分提高硬、脆材料元器件的加工效率及表面质量，有效解决了上述问题。

本发明提供了一种高精度五轴多维超声抛光装置，所述高精度五轴多维超声抛光装置包括l形基座；

所述l形基座的上部设有立式导轨，所述立式导轨上设有立式旋转台，立式旋转台可以在立式导轨上上、下活动，所述立式旋转台上设有抛光工具头振子组件；

所述抛光工具头振子组件包括抛光工具头、超声波变幅杆ⅲ、超声波换能器ⅲ，所述超声波变幅杆ⅲ的一端与抛光工具头连接，所述超声波变幅杆ⅲ的另一端与超声波换能器ⅲ连接；

所述l形基座的下部设有卧式导轨ⅰ，所述卧式导轨ⅰ上设有卧式导轨ⅱ，卧式导轨ⅱ可以在卧式导轨ⅰ上前、后活动，所述卧式导轨ⅱ上设有卧式旋转工具台，卧式旋转工具台可以在卧式导轨ⅱ上左、右活动；

所述卧式旋转工具台上设有工件夹具、超声激振组件ⅰ、与超声激振组件ⅰ相同的超声激振组件ⅱ，所述超声激振组件ⅰ、超声激振组件ⅱ的振动辐射面分别与工件夹具相互垂直的两个侧面接触；

所述超声激振组件ⅰ包括超声波变幅杆ⅰ、超声波换能器ⅰ，所述超声波变幅杆ⅰ的一端与工件夹具接触，所述超声波变幅杆ⅰ的另一端与超声波换能器ⅰ连接；

三自由度机械臂的一端转动连接在所述l形基座的下部，所述三自由度机械臂的另一端设有超声雾化喷头。

本发明所述工件夹具优选为三爪工件夹具。

本发明所述工件夹具与超声激振组件ⅰ接触面的对面、工件夹具与超声激振组件ⅱ接触面的对面优选为分别通过若干个z形紧固板将工件夹具固定在卧式旋转工具台上。

本发明所述工件夹具与卧式旋转工具台之间优选为涂有润滑脂。

本发明所述z形紧固板与工件夹具之间优选为设有橡胶垫。

本发明所述超声波变幅杆ⅲ优选为固定在四耳复合法兰上，所述四耳复合法兰通过下悬臂梁固定在立式旋转台上，所述超声波换能器ⅲ固定在双半月环上，所述双半月环通过上悬臂梁固定在立式旋转台上。

本发明所述超声波变幅杆ⅰ优选为固定在上、下拱形固定件ⅰ之间与上、下拱形固定件ⅱ之间，所述超声波换能器ⅰ固定在上、下拱形固定件ⅲ之间，所述下拱形固定件ⅰ、下拱形固定件ⅱ、下拱形固定件ⅲ固定在卧式旋转工具台上。

本发明所述超声激振组件ⅱ中超声波变幅杆ⅱ优选为固定在上、下拱形固定件ⅳ之间与上、下拱形固定件ⅴ之间，所述超声激振组件ⅱ中超声波换能器ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅵ之间，所述下拱形固定件ⅳ、下拱形固定件ⅴ、下拱形固定件ⅵ固定在卧式旋转工具台上。

本发明所述三自由度机械臂优选为包括底座、机械臂ⅰ、机械臂ⅱ、机械臂ⅲ，所述机械臂ⅰ转动连接在底座上，机械臂ⅰ可以在底座上自转，所述机械臂ⅱ的一端转动连接在机械臂ⅰ上，所述机械臂ⅲ的一端转动连接在机械臂ⅱ的另一端上，机械臂ⅲ可以在机械臂ⅱ上自转，所述超声雾化喷头连接在机械臂ⅲ的另一端上。

本发明有益效果为：

①本发明所述高精度五轴多维超声抛光装置为超声辅助抛光提供了硬件保障，使抛光工具头产生稳定的纵向正弦波形的振动，改变了现有抛光中连续抛磨的加工特性，是提高抛光效能的一种方法，在轴向超声振动抛光过程中，抛光工具头与工件发生周期性的接触与分离，抛光速度与方向都发生周期性变化，使复杂曲面，特别是难加工材料的抛光具有现有抛光难以比拟的效果。

②本发明所述抛光工具头振子组件使抛光工具头产生周期性的轴向超声振动，超声激振组件ⅰ、超声激振组件ⅱ使工件加工界面产生水平方向的正交正弦脉动，多维度的超声振动使抛光液中的粒子产生规律性剧烈运动，分布也更加均匀，抛光粒子与工件表面的有效接触大大提升，抛光颗粒高频率、小振幅的耕犁与划擦作用增加了难加工材料的去除效率，而且能够提高加工表面完整性。

③本发明所述高精度五轴多维超声抛光装置可以减少抛光液的流失，增加抛光液在工件加工表面的驻留时间，提高抛光液的利用效率，节约抛光液的使用量。

④本发明所述高精度五轴多维超声抛光装置包括多个导轨和旋转台，提供5个自由度，可以实现复杂曲面的抛光，完成现有机床难以加工的复杂零件，如方程以及函数表达的曲面、三维空间曲面等。

⑤本发明所述超声雾化喷头可以利用超声将蠕动泵传输的抛光液低速雾化，使磨粒均匀分布在雾滴里，通过随动三自由度机械臂精准定位喷洒在抛光工具头与工件表面之间，可以提高磨粒分布的均匀性和分散度，进而提高加工效率和工件表面质量。

⑥本发明所述高精度五轴多维超声抛光装置自动化程度高，加工精准度高、性能稳定，适用于航天、汽车、精密仪器等领域的元器件抛光。

⑦本发明所述抛光工具头接触点位多、适应性强、加工范围广，可以适用于多种形状和复杂曲面的抛光，减少更换工具头的次数。

附图说明

本发明附图5幅，

图1为实施例1所述高精度五轴多维超声抛光装置的结构示意图；

图2为实施例1所述抛光工具头振子组件的结构示意图；

图3为实施例1所述卧式旋转工具台的结构示意图；

图4为实施例1所述超声激振组件ⅰ的结构示意图；

图5为实施例1所述三自由度机械臂的结构示意图；

其中，1、l形基座，2、立式导轨，3、立式旋转台，4、抛光工具头振子组件，401、抛光工具头，402、超声波变幅杆ⅲ，403、超声波换能器ⅲ，404、四耳复合法兰，405、下悬臂梁，406、双半月环，407、上悬臂梁，5、卧式导轨ⅰ，6、卧式导轨ⅱ，7、卧式旋转工具台，8、工件夹具，801、z形紧固板ⅱ，802、橡胶垫ⅱ，9、超声激振组件ⅰ，901、超声波变幅杆ⅰ，902、超声波换能器ⅰ，9031、上拱形固定件ⅰ，9032、下拱形固定件ⅰ，9041、上拱形固定件ⅱ，9042、下拱形固定件ⅱ，9051、上拱形固定件ⅲ，9052、下拱形固定件ⅲ，10、超声激振组件ⅱ，11、三自由度机械臂，1101、底座，1102、机械臂ⅰ，1103、机械臂ⅱ，1104、机械臂ⅲ，12、超声雾化喷头。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种高精度五轴多维超声抛光装置，所述高精度五轴多维超声抛光装置包括l形基座1；

所述l形基座1的上部设有立式导轨2，所述立式导轨2上设有立式旋转台3，立式旋转台3可以在立式导轨2上上、下活动，所述立式旋转台3上设有抛光工具头振子组件4；

所述抛光工具头振子组件4包括抛光工具头401、超声波变幅杆ⅲ402、超声波换能器ⅲ403，所述超声波变幅杆ⅲ402的一端通过双头螺柱、锁紧螺母与抛光工具头401连接，所述超声波变幅杆ⅲ402的另一端与超声波换能器ⅲ403连接，

所述超声波变幅杆ⅲ402的振动节点固定在四耳复合法兰404上，所述四耳复合法兰404通过下悬臂梁405固定在立式旋转台3上，所述超声波换能器ⅲ403固定在双半月环406上，所述双半月环406通过上悬臂梁407固定在立式旋转台3上，超声波换能器ⅲ403通过超声波变幅杆ⅲ402将超声波发生器产生的超声波转换为机械振动传递给抛光工具头401，抛光工具头401在随加工路线的主运动同时附有轴向高频超声振动，在抛光加工过程中，抛光工具头401在加工过程中可以与工件发生弹性接触，超声振动时通过观察抛光工具头401接触面部位形变量来调整抛光力的大小，超声振动可以使抛光工具头401的抛光力、抛光速度和方向产生周期性变化，抛光工具头401的轴向周期性超声振动以及工件的水平正交超声脉动都传递给抛光液中进行耦合，多维度的超声振动带动抛光液中的磨粒跃动，对工件进行材料去除；

所述l形基座1的下部设有卧式导轨ⅰ5，所述卧式导轨ⅰ5上设有卧式导轨ⅱ6，卧式导轨ⅱ6可以在卧式导轨ⅰ5上前、后活动，所述卧式导轨ⅱ6上设有卧式旋转工具台7，卧式旋转工具台7可以在卧式导轨ⅱ6上左、右活动；

所述卧式旋转工具台7上设有工件夹具8、超声激振组件ⅰ9、与超声激振组件ⅰ9相同的超声激振组件ⅱ10，所述工件夹具8为三爪工件夹具，能够自定心定位并夹紧工件，所述超声激振组件ⅰ9、超声激振组件ⅱ10的振动辐射面分别与工件夹具8相互垂直的两个侧面接触，使工件夹具8具有水平正交的两个超声振动激励，超声激振组件ⅰ9、超声激振组件ⅱ10的振动辐射面将正交耦合的超声振动传递给工件夹具8，工件夹具8带动工件进行高频脉动，所述工件夹具8与超声激振组件ⅰ9接触面的对面设有z形紧固板ⅰ，所述工件夹具8与超声激振组件ⅱ10接触面的对面设有与z形紧固板ⅰ相同的z形紧固板ⅱ801、z形紧固板ⅲ，所述z形紧固板ⅰ、z形紧固板ⅱ801、z形紧固板ⅲ将工件夹具8固定在卧式旋转工具台7上，所述z形紧固板ⅰ、z形紧固板ⅱ801、z形紧固板ⅲ与工件夹具8之间分别设有橡胶垫ⅰ、橡胶垫ⅱ802、橡胶垫ⅲ，所述橡胶垫ⅱ802、橡胶垫ⅲ与橡胶垫ⅰ相同，橡胶垫ⅰ、橡胶垫ⅱ802、橡胶垫ⅲ的作用为保证超声激振组件ⅰ9、超声激振组件ⅱ10轴向激振时，工件夹具8可以在激振力下做往复的激振运动，所述工件夹具8与卧式旋转工具台7之间涂有润滑脂，润滑脂的作用为降低工件夹具8与卧式旋转工具台7的摩擦力；

所述超声激振组件ⅰ9包括超声波变幅杆ⅰ901、超声波换能器ⅰ902，所述超声波变幅杆ⅰ901的一端与工件夹具8接触，所述超声波变幅杆ⅰ901的另一端与超声波换能器ⅰ902连接，所述超声波变幅杆ⅰ901固定在上、下拱形固定件ⅰ9031、9032之间与上、下拱形固定件ⅱ9041、9042之间，所述上、下拱形固定件ⅰ9031、9032与上、下拱形固定件ⅱ9041、9042分别位于超声波变幅杆ⅰ901振动节点的两侧，所述超声波换能器ⅰ902固定在上、下拱形固定件ⅲ9051、9052之间，所述下拱形固定件ⅰ9032、下拱形固定件ⅱ9042、下拱形固定件ⅲ9052固定在卧式旋转工具台7上；

所述超声激振组件ⅱ10中超声波变幅杆ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅳ之间与上、下拱形固定件ⅴ之间，所述上、下拱形固定件ⅳ与上、下拱形固定件ⅴ分别位于超声波变幅杆ⅱ振动节点的两侧，所述超声激振组件ⅱ10中超声波换能器ⅱ固定在上、下拱形固定件ⅵ之间，所述下拱形固定件ⅳ、下拱形固定件ⅴ、下拱形固定件ⅵ固定在卧式旋转工具台7上，所述上、下拱形固定件ⅳ、上、下拱形固定件ⅴ、上、下拱形固定件ⅵ分别与上、下拱形固定件ⅰ9031、9032、上、下拱形固定件ⅱ9041、9042、上、下拱形固定件ⅲ9051、9052相同；

三自由度机械臂11包括底座1101、机械臂ⅰ1102、机械臂ⅱ1103、机械臂ⅲ1104，所述底座1101固定在l形基座1的下部，所述机械臂ⅰ1102转动连接在底座1101上，机械臂ⅰ1102可以在底座1101上自转，所述机械臂ⅱ1103的一端转动连接在机械臂ⅰ1102上，所述机械臂ⅲ1104的一端转动连接在机械臂ⅱ1103的另一端上，机械臂ⅲ1104可以在机械臂ⅱ1103上自转，所述超声雾化喷头12连接在机械臂ⅲ1104的另一端上，通过数控系统控制三自由度机械臂11运动可以实现超声雾化喷头12对抛光工具头401的跟踪运动并实时调整喷射角度。

实施例2

实施例1所述高精度五轴多维超声抛光装置的使用方法，所述使用方法如下：

对于某一具体加工对象，先利用工件夹具8卡爪定位并夹紧工件，再调整抛光工具头401至指定压力，同时将超声雾化喷头12调整到指定位置，然后将设定路径转化为数控代码输入到数控系统中，开启机床，机床以五轴联动的方式运动，超声雾化喷头12跟踪抛光工具头401的位置均匀喷洒抛光液，进行高效的抛光作业。