一种五轴混联光学加工设备及其工作方法与流程

本发明涉及一种五轴混联光学加工设备及其工作方法，具体地说是将镜片通过定位夹紧单元固定，利用丝杠滑台和并联运动单元控制加工刀具动作，进而实现五轴混联加工的设备，属于光学加工领域。

背景技术：

随着我国科技的蓬勃发展，光学系统、精密仪器、航天等诸多领域对光学元件的表面质量的要求日益提高。合适的抛光去除函数，有利于控制加工过程中产生的各种误差，适用于多工位加工的多轴联动设备是加工精度和抛光效率的重要保证。因而，发展先进光学制造技术以提高大尺寸高精度光学元件的加工质量和生产效率，成为亟需解决的问题。

传统的光学加工设备，采用串联结构，工作范围大，控制简单，但累计误差较大，刚度低。并联光学加工设备，具有刚度高、精度高、动态特性好、末端惯性小的优点，但工作空间小、耦合性强、控制复杂。鉴于此，本发明提出一种五轴混联光学加工设备及其工作方法，利用丝杠滑台和并联运动单元控制刀具安装台五轴联动，进行加工刀具的位姿调整，从而能够实现光学镜片的高精度加工。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对现有光学加工设备存在的上述诸多问题，本发明提供一种五轴混联光学加工设备及其工作方法，将镜片通过定位夹紧单元固定，利用丝杠滑台和并联运动单元控制加工刀具动作，达到五轴混联对加工刀具进行位姿调整，进而实现光学镜片的高精度加工，具有加工精度高、刚度大、动态特性好等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种五轴混联光学加工设备，包括设置在机体内部的混联单元、定位夹紧单元和加工刀具，其中，所述混联单元设置在机体顶部位置，混联单元的下端通过刀具安装台与所述加工刀具固连，所述刀具安装台带动加工刀具进行位姿调整；所述定位夹紧单元设置于机体底部，镜片通过定位夹紧单元固定；

所述混联单元由丝杠滑台与并联运动单元上下连接组成，所述丝杠滑台水平设置，即丝杠轴线方向与x轴方向一致，并通过螺母与所述丝杠滑台垂直连接，在螺母的带动下沿丝杠滑台沿x轴方向水平直线运动；

所述并联运动单元由位于滑台下方与其连接的第一支链和第二支链组成，所述第一支链包括连接在滑台下方并沿y轴方向水平滑动的滑块，所述滑块通过支链杆连接所述刀具安装台；所述第二支链包括连接在滑台上的转动盘，所述转动盘通过电动推杆连接所述刀具安装台，所述电动推杆与转动盘转动连接，电动推杆绕x、y轴线方向转动，构成十字节。

进一步的，并联运动单元由两条第一支链和两条第二支链组成，两条第一支链布置在y轴方向上，沿滑台(17)的几何中心对称布置在滑台(17)上；两条第二支链布置在x轴方向上，沿滑台(17)的几何中心对称布置在滑台(17)上。

进一步的，所述第一支链的滑块连接在一滚珠丝杠a上，且滑块中有内螺纹，与滚珠丝杠a相配传动，所述滚珠丝杠a由减速电机a驱动运动，带动滑块沿y轴方向水平滑动；减速电机a的转子与滚珠丝杠a通过联轴器a固连传递扭矩；滑块由两根导向杆导向，构成滚珠丝杠副，所述滚珠丝杠a和导向杆的两端由轴承座a支承。

进一步的，所述支链杆为定长杆，一端通过销轴与滑块转动连接，即转动副；另一端通过球铰链b与球铰座b连接，即球副；球铰座b通过螺纹元件固定于刀具安装台上。

进一步的，所述第二支链的转动盘与滑台转动连接，电动推杆与转动盘转动连接，电动推杆绕x、y轴线方向转动，构成十字节；电动推杆通过球铰链a与球铰座a连接，即球副；球铰座a通过螺纹元件固定于刀具安装台上。

进一步的，所述丝杠滑台由减速电机b带动沿x轴方向水平设置的滚珠丝杠b作旋转运动，滑台通过设置在滚珠丝杠b的螺母与所述丝杠滑台连接，并在所述螺母的带动下随滚珠丝杠b沿x轴方向的水平滑动。

进一步的，所述丝杠滑台由减速电机b驱动沿x轴方向水平设置的滚珠丝杠b作旋转运动，减速电机b的转子与滚珠丝杠b通过联轴器b固连传递扭矩；螺母有内螺纹结构，与滚珠丝杠b相配传动，通过螺母带动滑台平动；

滚珠丝杠b设置在丝杠滑台的中心位置，两端由两个轴承座b支承，四个辅助滑块滑动连接在两侧的滑轨上以x轴对称设置，构成滚珠丝杠副；其中所述滑轨通过螺纹元件a固定于机体上；滑台通过螺纹元件b实现一个螺母、四个辅助滑块的连接。

进一步的，所述定位夹紧单元包括一水平设置的静平台及其下部的盘形锥齿轮、手轮和一对锥齿轮，其中，所述盘形锥齿轮的上平面为盘螺纹结构，下平面通过推力球轴承与机体的底部相连；所述静平台固定于机体上，上平面加工空间为下凹圆形槽，用于放置镜片，绕中心周向均布至少三个矩形孔，用于与夹持块相配滑动连接；夹持块呈t型，与静平台的矩形孔相配，下端面为盘螺纹结构，与盘形锥齿轮上平面盘螺纹结构相配传动；所述手轮位于机体外侧，通过一对锥齿轮与盘形锥齿轮连接并驱动其转动。

进一步的，所述刀具安装台上安装有单轴陀螺稳定器。

上述的一种五轴混联光学加工设备的工作方法，包括以下步骤：

1)镜片定位夹紧：由手轮带动一对锥齿轮传动，带动盘形锥齿轮转动，使得夹持块向静平台中心运动，实现镜片的定位夹紧；

2)刀具位姿调整：丝杠滑台移动带动并联运动单元实现一维平动，并联运动单元实现二维平动和二维转动，利用丝杠滑台和并联运动单元控制加工刀具进行位姿调整，进行五轴混联光学加工；具体步骤如下：

2-1)一维平动：减速电机b驱动滚珠丝杠b转动，通过滚珠丝杠b将旋转运动转化成直线运动，滚珠丝杠b作为主动体，滑台由滑动连接于滑轨的四个辅助滑块限制其转动自由度，滑台在螺母的带动下随滚珠丝杠b的转动角度按对应规格的导程转化成直线运动；并联运动单元置于滑台上，由丝杠滑台实现其沿x轴方向的一维平动；

2-2)第一支链：减速电机a驱动滚珠丝杠a转动，通过滚珠丝杠a将旋转运动转化成直线运动，滚珠丝杠a作为主动体，滑块由两根导向杆限制其转动自由度，滑块随滚珠丝杠a的转动角度按对应规格的导程转化成直线运动；支链杆带动刀具安装台运动；

2-3)第二支链：电动推杆与转动盘转动连接，转动盘转动，并以电动推杆作为直线执行机构，在设定范围内实现往返运动；

步骤2-2)、2-3)同时进行，实时调整加工刀具的位姿，两根第一支链和两根第二支链构成的并联运动单元控制加工刀具沿y轴、z轴方向的平动和绕x轴、y轴方向的转动，即四个自由度的运动；

丝杠滑台与并联运动单元构成五轴联动的混联单元，实现加工刀具的位姿调整。

有益效果：本发明提供的五轴混联光学加工设备及其工作方法，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用混联单元控制加工刀具五轴联动，实现光学元件的加工，刚度大，结构稳定，累计误差小，同时工作空间大，刀具安装台惯性小；

(2)驱动方式采用减速电机驱动滚珠丝杠运动，运动精度高，能够实现高速进给和微进给。

附图说明

图1为本发明的混联单元轴测图；

图2为本发明的第二支链仰视图；

图3为本发明的丝杠滑台轴测图；

图4为本发明定位夹紧单元轴测图；

图5为本发明的设备轴测图；

图6为本发明的设备右视图。

图中：1、减速电机a；2、联轴器a；3、轴承座a；4、滚珠丝杠a；5、滑块；6、转动盘；7、电动推杆；8、球铰链a；9、球铰座a；10、刀具安装台；11、加工刀具；12、球铰座b；13、球铰链b；14、支链杆；15、销轴；16、导向杆；17、滑台；18、减速电机b；19、联轴器b；20、螺母；21、螺纹元件a；22、辅助滑块；23、螺纹元件b；24、滚珠丝杠b；25、轴承座b；26、滑轨；27、手轮；28、轴承座c；29、锥齿轮；30、盘形锥齿轮；31、夹持块；32、静平台；33、机体；34、推力球轴承。

具体实施方式

本发明为一种五轴混联光学加工设备及其工作方法，如图5、6所示，包括混联单元、定位夹紧单元、机体和加工刀具。混联单元包括丝杠滑台、并联运动单元等，其中并联运动单元由两条第一支链和两条第二支链组成，镜片定位夹紧单元包括手轮、一对锥齿轮、夹持块等。第一支链由滑块、销轴、支链杆、球铰链等组成，第二支链由转动盘、电动推杆、球铰链等组成。丝杠滑台移动并联单元实现一维平动，并联运动单元实现二维平动和二维转动，即利用丝杠滑台和并联运动单元控制加工刀具进行位姿调整，进而实现五轴混联光学加工。本发明刚度大，精度高，结构简单，能够实现光学镜片的高精度加工，有效提高了加工质量和生产效率。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1所示为本发明的混联单元轴测图，包括丝杠滑台和并联运动单元，联运动单元由两条第一支链和两条第二支链组成。其中，所述的第一支链包括减速电机a1、联轴器a2、轴承座a3、滚珠丝杠a4、滑块5、刀具安装台10、球铰座b12、球铰链b13、支链杆14、销轴15、导向杆16、滑台17。第二支链包括转动盘6、电动推杆7、球铰链a8、球铰座a9、刀具安装台10、滑台17。

所述第一支链，由减速电机a1驱动滚珠丝杠a4运动，带动滑块5移动。减速电机a1转子与滚珠丝杠a4通过联轴器a2固连传递扭矩。滑块5攻有内螺纹，与滚珠丝杠a4相配传动，其中滑块5由两根导向杆16导向，构成滚珠丝杠副。滚珠丝杠a4和导向杆16由轴承座a3支承。

进一步的，支链杆14为定长杆，一端通过销轴15与滑块5转动连接，即转动副；另一端通过球铰链b13与球铰座b12连接，即球副。球铰座b12通过螺纹元件固定于刀具安装台10。

进一步的，通过滚珠丝杠a4将旋转运动转化成直线运动，滚珠丝杠a4作为主动体，滑块5由两根导向杆16限制其转动自由度，因而滑块5随滚珠丝杠a4的转动角度按对应规格的导程转化成直线运动。

进一步的，两根第一支链沿y轴方向对称布置于滑台17上。

所述第二支链如图2所示，转动盘6与滑台17转动连接，电动推杆7与转动盘6转动连接，即电动推杆7可以绕x、y轴线方向转动，构成十字节。

进一步的，电动推杆7通过球铰链a8与球铰座a9连接，即球副。球铰座a9通过螺纹元件固定于刀具安装台10。

进一步的，以电动推杆7作为直线执行机构，在一定范围内实现往返运动。

进一步的，两根第二支链沿x轴方向对称布置于滑台17上。

在上述技术方案中，两根第一支链和两根第二支链构成的并联运动单元控制加工刀具11沿y轴、z轴方向的平动和绕x轴、y轴方向的转动，即四个自由度的运动。上述技术方案采用并联机构，刚度大，结构稳定，累计误差小。

图3所示为本发明的丝杠滑台轴测图，包括滑台17、减速电机b18、联轴器b19、螺母20、螺纹元件a21、辅助滑块22、螺纹元件b23、滚珠丝杠b24、轴承座b25、滑轨26。

所述丝杠滑台由减速电机b18带动滚珠丝杠b24作旋转运动，通过螺母20实现滑台17平动。

进一步的，滑台17通过螺纹元件b23实现一个螺母20、四个辅助滑块22的连接。螺母20攻有内螺纹，与滚珠丝杠b24相配传动，四个辅助滑块22滑动连接在滑轨26上，以构成滚珠丝杠副。

进一步的，减速电机b18转子与滚珠丝杠b24通过联轴器b19固连传递扭矩。滚珠丝杠b24由两个轴承座b25支承。滑轨26通过螺纹元件a21固定于机体33上。

进一步的，通过滚珠丝杠b24将旋转运动转化成直线运动，滚珠丝杠b24作为主动体，滑台17由滑动连接于滑轨26的四个辅助滑块22限制其转动自由度，因而滑台17会在螺母20的带动下随滚珠丝杠b24的转动角度按对应规格的导程转化成直线运动。

所述并联运动单元置于滑台17上，由丝杠滑台实现其沿x轴方向的一维平动。即丝杠滑台与并联运动单元构成五轴联动的混联单元，从而实现加工刀具11的位姿调整，提高了加工精度，加大了工作空间。

为进一步优化上述技术方案，在设备静平台32部分增加了定位夹紧单元。

图4所示为本发明定位夹紧单元轴测图，包括手轮27、轴承座c28、锥齿轮29、盘形锥齿轮30、夹持块31、静平台32、机体33、推力球轴承34。

所述定位夹紧单元由手轮27带动一对锥齿轮传动，夹持块31向静平台32中心运动，进而实现镜片的定位夹紧。

进一步的，盘形锥齿轮30上平面为盘螺纹结构，下平面通过推力球轴承34与机体33相连。夹持块31下平面为盘螺纹结构，与盘形锥齿轮30上平面盘螺纹结构相配传动。

进一步的，静平台32固定于机体33上，上平面加工空间为下凹圆形槽，用于放置镜片；绕中心均布三个矩形孔，用于与夹持块31相配。

所述机体33采用框架式结构，作为支承基础，结构简单，且便于制造与安装。由四根立柱构成一个四棱柱状加工空间，混联单元通过螺纹元件a21固定在机体33上；同时，定位夹紧单元安装在机体33上。

所述刀具安装台10上安装有单轴陀螺稳定器，单轴陀螺稳定器用于检测刀具安装台10的位姿，当刀具安装台10在加工过程中受到震动和冲击时，使得刀具安装台10在原有方向上保持相对稳定，以保证加工精度。

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。