双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器及其修整方法与流程

本发明涉及光学元件超精密加工技术领域，更具体的说是涉及一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器及其修整方法。

背景技术：

大口径精密光学元件是现代大型光学系统中基础性的重要功能器件，元件的加工质量直接影响了光学系统的综合性能。目前，采用超精密成型磨削的方法，是实现大口径光学元件批量化制造的关键技术。超精密磨削加工利用微粉金刚石砂轮，在数控系统的精确控制下，按照元件表面的设计轨迹运动，并实现元件的确定性微量去除，最终形成所需要的光学表面。基于平行磨削原理，平面金刚石砂轮实现大口径平面、斜面光学元件的超精密磨削加工，圆弧金刚石砂轮实现大口径球面、非球面光学元件的超精密磨削加工。由于光学材料的硬度高，且极易脆裂，在磨削加工过程中，一方面金刚石砂轮极易产生磨损，另一方面磨损后的金刚石砂轮在加工元件过程中也会导致元件的亚表面裂纹深度增加，最终影响元件的质量。因此，在大口径光学元件的磨削过程中，需要根据金刚石砂轮的实际使用情况，定期对金刚石砂轮进行在位修整，去除表面的磨损钝化层，凸露金刚石磨粒，并获得较高的形状精度。

目前一般采用离线修整的方法，其虽然能够实现砂轮的修形与修锐，但将砂轮安装在超精密磨削机床主轴上后，金刚石砂轮的装夹误差不可避免，在加工元件时该误差会复印到元件表面，影响元件加工质量。现有技术中还公开了一种带倾角杯状在线砂轮修整器,设有工控机、运动控制器、3个电机驱动器和传感器接口电路,运动控制器接工控机和3个电机驱动器。砂轮修整器设有修整砂轮、砂轮接盘、主轴带轮箱、主轴、3个饲服电机、3个传动机构、底座、摆臂支座、摆臂转轴、传感器、传感器支架和摆臂,修整砂轮设于砂轮接盘上,砂轮接盘安装在主轴上，3个电机与3个驱动器连接,第1电机经第1传动机构接主轴。第2电机驱动滑块,第3电机经第3传动机构接摆臂转轴。摆臂支座安装于底座上,摆臂支座接摆臂转轴,主轴带轮箱接摆臂,传感器支架安装在摆臂上,传感器与工控机连接。该发明可以实现平面和圆弧金刚石砂轮的在位精密修整，但修整器结构复杂，需要多套运动执行传动机构，并且在修整过程中需要数控系统的支持以实现多轴联动控制。

而大口径光学元件批量制造过程中，需要对平面和圆弧金刚石砂轮高精度、高效在位修整，而上述修整方式均存在不足；因此，如何解决大口径光学元件批量制造过程中，平面和圆弧金刚石砂轮的高精度、高效在位修整是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

为此，本发明的一个目的在于提出一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器，在一套修整器上实现平面光学元件磨削用金刚石砂轮和非球面光学元件磨削用金刚石砂轮的在位修整，降低修整器结构的复杂性。

本发明提供了一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器，包括：

底板，底板固定于工作台g一侧，且与工作台g形成一体；其上具有集液槽，与集液槽连通的有用于排出砂轮修整过程中产生的废液的排液管；

支架，支架为两组，且沿工作台g的x轴方向对称固定于底板上；

摇篮式基座，摇篮式基座顶部两侧分别对应、且可摆动于两组支架顶部，形成立式工位或卧式工位；

电机，摇篮式基座顶部两侧向下延伸连接形成底部安装区，电机的输出端朝下固定、且穿出底部安装区；

砂轮修整机构，底部安装区上与电机平行布置有砂轮修整机构，且电机的输出轴通过同步带将动力传递至砂轮修整机构；以及

锁紧机构，锁紧机构用于工位调整后限制摇篮式基座相对支架摆动。

其中，集液槽将修整过程中的冷却废液收集，并经排液管回收至废液桶或下水管道进行排出，避免废液中的金刚石颗粒、修整砂轮磨粒等硬质颗粒混入机床磨削液中而影响加工元件的缺陷质量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器，固定于工作台一侧，不影响元件磨削工位的作业，能够通过摇篮式基座调整砂轮修整机构的立式工位或卧式工位，分别实现磨削平面光学元件的平面金刚石砂轮和磨削非球面光学元件的圆弧金刚石砂轮的快速精密在位修整，同时降低了离线修整后的安装误差，提高了砂轮修整精度，进一步提高了光学元件的磨削精度；结构简单，体积小，降低了设备结构的复杂度，整体降低了光学元件的磨削成本，满足了大口径光学元件批量制造过程中，平面和圆弧金刚石砂轮的高精度、高效在位修整的要求。

进一步地，支架包括固定板、支撑板及筋板；固定板固定于底板上，支撑板与固定板垂直布置，其顶部沿水平方向上开设有轴承孔，轴承孔内安装有轴承；筋板形成l形，依次连接轴承孔底部、支撑板内侧及固定板上部。固定板上布置有四个安装孔，通过螺钉固定于底板上；为保证支撑强度，设置有筋板，在筋板上设置有销孔，用于连接锁紧机构。

进一步地，至少一组支架底部连接有微升降机构；微升降机构包括上楔板及下楔板；上楔板顶部与固定板固定，其底部具有第一楔角，且与下楔板顶面上的第二楔角配合滑动；下楔板与底板固定；其中第一楔角和第二楔角设置楔形方向相反，角度相同。可以一个或两个支架底部连接有微升降机构，方便调节两组轴承孔轴线处于同一水平直线上，即调节修整器处于立轴工位时修整砂轮旋转轴线与机床的z轴平行，最终以实现修整的平面金刚石砂轮轴截面轮廓与机床主轴支架的平行度。

进一步地，微升降机构还包括调节螺杆和弹簧；下楔板一端具有调节板，调节板上具有螺孔，上楔板对应调节板侧具有固定孔，调节螺杆第一端固定于固定孔中，第二端与螺孔配合，且调节板与上楔板之间安装有弹簧。装配时两楔板的斜面贴合在一起。通过旋转调节螺杆，使上楔板相对于下楔板在水平方向滑动，由于两楔板均具有微小的楔角，因此在相对平动时上楔板会缓慢的升降，最终以驱动安装在上楔板上面的支架做微量的升降运动。上楔板、下楔板均设置有贮油槽，在装配时预先贮存一定量的润滑油脂，便于在调节过程中顺滑易于操作。

进一步地，摇篮式基座包括：基座本体和摆轴；基座本体下部为底部安装区，其两侧为侧板，每一个侧板外侧均对应有一组摆轴，一组和/或两组摆轴内具有与锁紧机构配合固定的方形孔，方形孔内具有一定的内斜度。摆轴配合轴承安装于轴承孔中。

进一步地，电机底部通过电机位置调节板固定于底部安装区。通过位置调节板可以调整电机与砂轮修整机构之间的距离，也方便同步带的张紧。电机为伺服电机，通过同步带轮、同步带，将旋转运动传递至气浮主轴。

进一步地，砂轮修整机构包括气浮主轴、轴承套及修整砂轮；轴承套底部固定于底部安装区上，其内部贯穿有气浮主轴，轴承套上具有进气口；气浮主轴顶部安装修整砂轮。

进一步地，锁紧机构包括位置锁止杆和拉簧；位置锁止杆一端可固定在方形孔中，另一端铰接于筋板下部；拉簧一端与固定板固定，另一端固定于位置锁止杆上。

进一步地，位置锁止杆包括锁止杆体、四方锥头及铰接叉；四方锥头可固定于方形孔中，铰接叉通过销轴铰接于筋板下部；锁止杆体两端分别连接四方锥头和铰接叉。

铰接叉卡在支架的筋板上，并通过销孔与支架进行销连接，锁止杆体可以绕销旋转。拉簧分别布置在销孔的两侧；在要摆动摇篮式底座前，手动将位置锁死杆拉出并旋转至最低位置，此时拉簧将位置锁死杆拉住而不能回弹；待将摇篮式底座摆动至需要的位置时，将位置锁死杆体推上，四方锥插入摆轴的四方孔中，在拉簧的拉力作用下锁止杆体紧紧压入四方孔中，保证摇篮式底座的位置被锁死。四方锥为四方内斜锥面。

本发明的另一个目的在于，提供了一种基于上述双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器的修整方法，包括立式工位修整和卧式工位修整；

立式工位修整：调节摇篮式基座使砂轮修整机构处于立轴工位，采用杯形修整砂轮，电机驱动修整砂轮旋转运动，修整砂轮的端面对金刚石砂轮的外圆周面进行研磨，去除金刚石砂轮表面的磨损层，实现修形和修锐；在修整过程中，工作台带动底板沿x轴做来回进给运动，进给距离大于杯型修整砂轮的圆环宽度；每一次进给结束，机床主轴会沿z轴向下做进刀运动；

卧式工位修整：调节摇篮式基座使砂轮修整机构处于卧轴工位，采用平行修整砂轮，电机驱动平行修整砂轮旋转运动，同时通过数控程序控制机床主轴带动金刚石砂轮在yz平面内沿修整砂轮的外圆周面做圆弧插补运动，修整砂轮的外圆周面对金刚石砂轮的表面进行研磨修整；每一次进给运动结束后，金刚石砂轮沿z轴向下做进刀运动，金刚石砂轮在yz平面内的运动轨迹为以修整砂轮回转轴心为圆心的圆。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器的修整方法，修正过程中，修整器固定于工作台一侧，不影响元件磨削工位的作业，能够通过摇篮式基座调整砂轮修整机构的立式工位或卧式工位，分别实现磨削平面光学元件的平面金刚石砂轮和磨削非球面光学元件的圆弧金刚石砂轮的快速精密在位修整，同时降低了离线修整后的安装误差，提高了砂轮修整精度，进一步提高了光学元件的磨削精度；结构简单，体积小，降低了设备结构的复杂度，整体降低了光学元件的磨削成本，满足了大口径光学元件批量制造过程中，平面和圆弧金刚石砂轮的高精度、高效在位修整的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器立式工位的结构示意图；

图2附图为本发明提供的双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器卧式工位的结构示意图；

图3附图为本发明提供的双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器的支架的结构示意图；

图4附图为支架底部连接微升降机构的结构示意图；

图5附图为微升降机构的结构示意图；

图6附图示出了摇篮式基座、电机及砂轮修整机构(修整砂轮未示出)的安装示意图；

图7附图示出了支架、锁紧机构、摇篮式基座、电机及砂轮修整机构(修整砂轮未示出)的安装示意图；

图8附图示出了位置锁止杆的结构示意图；

图中：100-底板，101-集液槽，102-排液管，200-支架，201-轴承孔，202-固定板，203-支撑板，204-筋板，300-摇篮式基座，301-基座本体，302-摆轴，3021-方形孔，400-电机，401-电机位置调节板，500-砂轮修整机构，501-气浮主轴，502-轴承套，503-修整砂轮，504-进气口，600-锁紧机构，601-位置锁止杆，6011-锁止杆体，6012-四方锥头，6013-铰接叉，602-拉簧，700-微升降机构，701-上楔板，702-下楔板，703-调节螺杆，704-弹簧，705-调节板，g-工作台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见附图1-2，本发明提供了双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器，包括：

底板100，底板100固定于工作台g一侧，且与工作台g形成一体；其上具有集液槽101，与集液槽101连通的有用于排出砂轮修整过程中产生的废液的排液管102；

支架200，支架200为两组，且沿工作台g的x轴方向对称固定于底板100上；

摇篮式基座300，摇篮式基座300顶部两侧分别对应、且可摆动于两组支架200顶部，形成立式工位或卧式工位；

电机400，摇篮式基座300顶部两侧向下延伸连接形成底部安装区，电机400的输出端朝下固定、且穿出底部安装区；

砂轮修整机构500，底部安装区上与电机400平行布置有砂轮修整机构500，且电机400的输出轴通过同步带将动力传递至砂轮修整机构500；以及

锁紧机构600，锁紧机构600用于工位调整后限制摇篮式基座300相对支架200摆动。

其中，集液槽将修整过程中的冷却废液收集，并经排液管回收至废液桶或下水管道进行排出，避免废液中的金刚石颗粒、修整砂轮磨粒等硬质颗粒混入机床磨削液中而影响加工元件的缺陷质量。

本发明公开提供了一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器，固定于工作台一侧，不影响元件磨削工位的作业，能够通过摇篮式基座调整砂轮修整机构的立式工位或卧式工位，分别实现磨削平面光学元件的平面金刚石砂轮和磨削非球面光学元件的圆弧金刚石砂轮的快速精密在位修整，同时降低了离线修整后的安装误差，提高了砂轮修整精度，进一步提高了光学元件的磨削精度；结构简单，体积小，降低了设备结构的复杂度，整体降低了光学元件的磨削成本，满足了大口径光学元件批量制造过程中，平面和圆弧金刚石砂轮的高精度、高效在位修整的要求。

在本发明的一个实施例中，参见附图3，支架200包括固定板202、支撑板203及筋板204；固定板202固定于底板100上，支撑板203与固定板202垂直布置，其顶部沿水平方向上开设有轴承孔201，轴承孔201内安装有轴承；筋板204形成l形，依次连接轴承孔201底部、支撑板203内侧及固定板202上部。固定板上布置有四个安装孔，通过螺钉固定于底板上；为保证支撑强度，设置有筋板，在筋板上设置有销孔，用于连接锁紧机构。

在本发明另一个实施例中，参见附图4-5，至少一组支架200底部连接有微升降机构700，保证两组轴承孔201轴线处于同一直线上；微升降机构700包括上楔板701及下楔板702；上楔板701顶部与固定板202固定，其底部具有第一楔角，且与下楔板702顶面上的第二楔角配合滑动；下楔板702与底板100固定；其中第一楔角和第二楔角设置楔形方向相反，角度相同。可以一个或两个支架底部连接有微升降机构，方便调节两组轴承孔轴线处于同一水平直线上，即调节修整器处于立轴工位时修整砂轮旋转轴线与机床的z轴平行，最终以实现修整的平面金刚石砂轮轴截面轮廓与机床主轴支架的平行度。

具体而言，微升降机构700还包括调节螺杆703和弹簧704；下楔板702一端具有调节板705，调节板705上具有螺孔，上楔板701对应调节板705侧具有固定孔，调节螺杆703第一端固定于固定孔中，第二端与螺孔配合，且调节板705与上楔板701之间安装有弹簧704。装配时两楔板的斜面贴合在一起。通过旋转调节螺杆，使上楔板相对于下楔板在水平方向滑动，由于两楔板均具有微小的楔角，因此在相对平动时上楔板会缓慢的升降，最终以驱动安装在上楔板上面的支架做微量的升降运动。上楔板、下楔板均设置有贮油槽，在装配时预先贮存一定量的润滑油脂，便于在调节过程中顺滑易于操作。

在本发明的一个实施例中，参见附图6和7，摇篮式基座300包括：基座本体301和摆轴302；基座本体301下部为底部安装区，其两侧为侧板，每一个侧板外侧均对应有一组摆轴302，一组和/或两组摆轴302内具有与锁紧机构600配合固定的方形孔3021，方形孔3021内具有一定的内斜度。摆轴配合轴承安装于轴承孔中。

上述各实施例中，电机400底部通过电机位置调节板401固定于底部安装区。通过位置调节板可以调整电机与砂轮修整机构之间的距离，也方便同步带的张紧。电机为伺服电机，通过同步带轮、同步带，将旋转运动传递至气浮主轴。其中伺服电机含有匹配的控制系统，用于控制伺服电机按照预设的转速匀速旋转。

参见附图6-7，砂轮修整机构500包括气浮主轴501、轴承套502及修整砂轮503；轴承套502底部固定于底部安装区上，其内部贯穿有气浮主轴501，轴承套502上具有进气口504；气浮主轴501顶部安装修整砂轮503。

参见附图7-8，锁紧机构600包括位置锁止杆601和拉簧602；位置锁止杆601一端可固定在方形孔3021中，另一端铰接于筋板204下部；拉簧602一端与固定板202固定，另一端固定于位置锁止杆601上。

具体而言，位置锁止杆601包括锁止杆体6011、四方锥头6012及铰接叉6013；四方锥头6012可固定于方形孔3021中，铰接叉6013通过销轴铰接于筋板204下部；锁止杆体6011两端分别连接四方锥头6012和铰接叉6013。铰接叉卡在支架的筋板上，并通过销孔与支架进行销连接，锁止杆体可以绕销旋转。拉簧为量技能组，分别布置在销孔的两侧；在要摆动摇篮式底座前，手动将位置锁死杆拉出并旋转至最低位置，此时拉簧将位置锁死杆拉住而不能回弹；待将摇篮式底座摆动至需要的位置时，将位置锁死杆体推上，四方锥插入摆轴的四方孔中，在拉簧的拉力作用下锁止杆体紧紧压入四方孔中，保证摇篮式底座的位置被锁死。四方锥为四方内斜锥面。

本发明还提供了一种基于上述的双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器的修整方法，包括立式工位修整和卧式工位修整；

立式工位修整：调节摇篮式基座使砂轮修整机构处于立轴工位，砂轮修整机构修整砂轮采用杯形修整砂轮，电机驱动修整砂轮旋转运动，修整砂轮的端面对金刚石砂轮的外圆周面进行研磨，去除金刚石砂轮表面的磨损层，实现修形和修锐；在修整过程中，工作台带动底板沿x轴做来回进给运动，进给距离大于杯型修整砂轮的圆环宽度；每一次进给结束，机床主轴会沿z轴向下做进刀运动；

卧式工位修整：调节摇篮式基座使砂轮修整机构处于卧轴工位，砂轮修整机构修整砂轮采用平行修整砂轮，电机驱动平行修整砂轮旋转运动，同时通过数控程序控制机床主轴带动金刚石砂轮在yz平面内沿修整砂轮的外圆周面做圆弧插补运动，修整砂轮的外圆周面对金刚石砂轮的表面进行研磨修整；每一次进给运动结束后，金刚石砂轮沿z轴向下做进刀运动，金刚石砂轮在yz平面内的运动轨迹为以修整砂轮回转轴心为圆心的圆。

本发明公开提供了一种双工位立卧轴金刚石砂轮在位修整器的修整方法，修正过程中，修整器固定于工作台一侧，不影响元件磨削工位的作业，能够通过摇篮式基座调整砂轮修整机构的立式工位或卧式工位，分别实现磨削平面光学元件的平面金刚石砂轮和磨削非球面光学元件的圆弧金刚石砂轮的快速精密在位修整，同时降低了离线修整后的安装误差，提高了砂轮修整精度，进一步提高了光学元件的磨削精度；结构简单，体积小，降低了设备结构的复杂度，整体降低了光学元件的磨削成本，满足了大口径光学元件批量制造过程中，平面和圆弧金刚石砂轮的高精度、高效在位修整的要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。