專利名稱：大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密加工領(lǐng)域的裝置，具體涉及一種適用于大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面等硬脆難加工材料的精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面在高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的光學(xué)相機(jī)、對(duì)天觀測(cè)衛(wèi)星、深空科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但由于鏡面材料的硬脆特性，其加工精度高、難度大、周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。在光學(xué)鏡面加工工序中，研拋(研磨、拋光)是銜接磨削以及后續(xù)磁流變等的重要工序，其加工效率和質(zhì)量極大地影響鏡面加工的質(zhì)量和效率。不同于傳統(tǒng)工業(yè)中的研拋加工，光學(xué)鏡面精密研拋是定量研拋，對(duì)表面質(zhì)量中的表面面形和粗糙度以及亞表面損傷深度要求極高。在大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面加工設(shè)備的設(shè)計(jì)中，一方面應(yīng)考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)隨著鏡面口徑增大的復(fù)雜性，機(jī)床跨度的增大降低了結(jié)構(gòu)的剛性，增加了占地和成本。另一方面應(yīng)充分考慮鏡面的收斂效率，提高后續(xù)工序的加工效率?，F(xiàn)有的針對(duì)復(fù)雜光學(xué)鏡面的精密研拋機(jī)床采用五軸加工方式，機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，并且結(jié)構(gòu)剛度隨著鏡面口徑的增大而減?。粰C(jī)床結(jié)構(gòu)的固定性，雙轉(zhuǎn)子或平轉(zhuǎn)動(dòng)的研拋運(yùn)動(dòng)形式在加工過程中并不能調(diào)節(jié)，形成了固定的去除函數(shù)，這種雙轉(zhuǎn)子或平轉(zhuǎn)動(dòng)的研拋運(yùn)動(dòng)形式所對(duì)應(yīng)的去除函數(shù)的收斂效率不高，導(dǎo)致最終鏡面的粗糙度較大，需要后續(xù)加工工序的長(zhǎng)時(shí)間去除，極大影響了加工效率；此外，現(xiàn)有的研拋機(jī)床對(duì)研拋加工狀況不具有實(shí)時(shí)檢測(cè)的能力，無法對(duì)研拋加工進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮?00610151060. 9的中國(guó)專利公開了一種五軸聯(lián)動(dòng)并串聯(lián)數(shù)控拋光機(jī)床，由四個(gè)并聯(lián)的伸縮連桿帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的砂輪對(duì)工件進(jìn)行加工，但砂輪加工方式并不適合光學(xué)鏡面等硬脆材料的研拋加工。申請(qǐng)?zhí)枮?1216385. 2的中國(guó)專利公開了一種鏡面拋光機(jī)床，對(duì)聚晶金剛石等陶瓷進(jìn)行表面光整加工，但只能對(duì)平面結(jié)構(gòu)的光學(xué)鏡面進(jìn)行加工，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜面形鏡面的加工。申請(qǐng)?zhí)枮?00810051133. 6的中國(guó)專利公開了一種用于光學(xué)元件數(shù)控拋光機(jī)床，由底座系統(tǒng)、立柱系統(tǒng)和橫梁系統(tǒng)組成，底座系統(tǒng)包括底座、X軸進(jìn)給系統(tǒng)、A軸翻轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)、C軸回轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)；橫梁系統(tǒng)包括橫梁、Y軸進(jìn)給系統(tǒng)、Z軸進(jìn)給系統(tǒng)、動(dòng)力行星拋光頭、拋光模，實(shí)現(xiàn)中大口徑非球面光學(xué)元件的數(shù)控拋光。機(jī)床通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整拋光模的位置獲得不同公轉(zhuǎn)半徑，以適應(yīng)不同工件的拋光要求，但這種固定的結(jié)構(gòu)形式，使得在加工過程中去除函數(shù)始終是固定的，這種雙轉(zhuǎn)子形式對(duì)應(yīng)的去除函數(shù)的收斂效率不高。申請(qǐng)?zhí)枮?01010506393. 5的中國(guó)專利公開了一種基于智能數(shù)控平臺(tái)的銑磨拋光裝置，包括工業(yè)機(jī)器人及其控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互界面、工作組件等。該發(fā)明克服了傳統(tǒng)復(fù)雜光學(xué)鏡面的研拋精密機(jī)床占地面積大、不靈活的缺點(diǎn)，但是其末端的旋轉(zhuǎn)速度不滿足研拋加工中研拋盤每秒兩轉(zhuǎn)以上轉(zhuǎn)速的要求，需要額外的工作組件，集成度低，效率差，驅(qū)動(dòng)模塊無法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人軌跡和工作組件的集成控制，需要通過工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人軌跡的控制，且需要根據(jù)不同品牌型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人和工作組件調(diào)整控制模塊。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高集成度、高效率及高收斂速度的復(fù)雜光學(xué)鏡面研拋系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，包括研拋機(jī)器人，該研拋機(jī)器人包括底座、回轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、上關(guān)節(jié)、小臂、手腕、第一至第三RV(Rotate Vector)減速器、第一至第三諧波減速器、第一至第四軸承、第一錐齒輪、第二錐齒輪、第一至第三同步帶輪組、手腕軸、小臂輸入軸、彈簧、銷、研拋旋轉(zhuǎn)軸、研拋外筒、研拋盤、第一至第六伺服電機(jī)，其中，所述回轉(zhuǎn)臺(tái)與所述底座通過所述第一 RV減速器連接，所述第一伺服電機(jī)與所述第一 RV減速器連接，所述回轉(zhuǎn)臺(tái)與所述大臂通過所述第二 RV減速器連接，所述第二伺服電機(jī)與所述第二 RV減速器連接，所述大臂與所述上關(guān)節(jié)通過所述第三RV減速器連接，所述第三伺服電機(jī)與所述第三RV減速器連接，所述上關(guān)節(jié)與所述第四伺服電機(jī)相連，通過所述第一同步帶輪組與所述第一諧波減速器連接，所述第一諧波減速器與所述小臂輸入軸連接，所述小臂與所述第五伺服電機(jī)相連，通過所述第二同步帶輪組與所述第二諧波減速器連接，所述第二諧波減速器與所述手腕軸連接，所述手腕軸通過所述第一、第二軸承安裝在所述手腕上，所述小臂與所述第六伺服電機(jī)相連，通過所述第三同步帶輪組與所述第一錐齒輪連接，所述第一錐齒輪通過所述第三軸承安裝在所述手腕上并與所述第二錐齒輪連接，所述第二錐齒輪與所述研拋輸入軸連接，所述研拋輸入軸通過所述第四軸承安裝在所述手腕上，所述研拋輸入軸與所述第三諧波減速器連接，所述第三諧波減速器與所述研拋旋轉(zhuǎn)軸連接，所述研拋旋轉(zhuǎn)軸與所述研拋外筒配合，通過所述彈簧和銷限制所述研拋外筒的運(yùn)動(dòng)，所述研拋外筒與所述研拋盤鉸連接。較佳地，六維力傳感器及壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡連接至所述信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊。信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊中的誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)被加工光學(xué)工件的面形檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)面形模型比較得到的誤差曲面的幾何特性，進(jìn)行誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃。通過比較不同去除函數(shù)，從而選擇優(yōu)化的形狀和直徑的研拋盤及去除函數(shù)，并得到相應(yīng)的加工軌跡，駐留時(shí)間與誤差預(yù)測(cè)。多個(gè)本發(fā)明的研拋機(jī)器人在加工區(qū)域內(nèi)放置，可以實(shí)現(xiàn)大口徑鏡面的加工，并且可以通過改變機(jī)器人數(shù)量快速適應(yīng)不同口徑鏡面的加工，成本低，占地面積小。本發(fā)明的研拋機(jī)器人的研拋軌跡規(guī)劃集成在控制機(jī)構(gòu)中，可以直接根據(jù)規(guī)劃研拋機(jī)器人軌跡和研拋末端轉(zhuǎn)速，無需根據(jù)機(jī)器人以及加工組件的變化而改動(dòng)控制系統(tǒng)，因此本發(fā)明的研拋機(jī)器人集成度高。傳統(tǒng)研拋機(jī)床由于機(jī)床機(jī)構(gòu)約束采用雙轉(zhuǎn)子或平轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，其所對(duì)應(yīng)的去除函數(shù)存在突變的尖峰，因此收斂效率不高，而本發(fā)明的研拋機(jī)器人軌跡自由度高，可以實(shí)現(xiàn)偏心率變化的軌跡，傳統(tǒng)研拋采用掃描線或緯線的軌跡，對(duì)于復(fù)雜誤差曲面去除的效率不高，本發(fā)明的誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)誤差曲面的幾何特性規(guī)劃研拋機(jī)器人的研拋軌跡，分別得到加工軌跡，駐留時(shí)間，去除函數(shù)和誤差預(yù)測(cè)，使得加工曲面接近目標(biāo)曲面，提高了加工效率。以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖I是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例示意圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人示意圖3是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人側(cè)視圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人手腕示意圖5是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人手腕側(cè)視圖6是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人末端示意圖；
圖7是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的研拋機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖8是本發(fā)明的研拋機(jī)器人系統(tǒng)誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前
提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖I所示，本實(shí)施例包括研拋機(jī)器人I。如圖2至圖6所示，研拋機(jī)器人包括底座2、回轉(zhuǎn)臺(tái)3、大臂4、上關(guān)節(jié)5、小臂6、手腕7、第一至第三RV減速器8 10、第一至第三諧波減速器11 13、第一至第四軸承14 17、第一錐齒輪18、第二錐齒輪19、第一至第三同步帶輪組20 22、手腕軸23、小臂輸入軸24、研拋輸入軸25、第一至第六伺服電機(jī)26 31、研拋旋轉(zhuǎn)軸32、研拋外筒33、研拋盤34、彈簧35、銷36，其中，回轉(zhuǎn)臺(tái)2與底座3通過第一 RV減速器8連接，第一伺服電機(jī)26與第
一RV減速器8連接，回轉(zhuǎn)臺(tái)3與大臂4通過第二 RV減速器9連接，第二伺服電機(jī)27與第
二RV減速器9連接，大臂4與上關(guān)節(jié)5通過第三RV減速器10連接，第三伺服電機(jī)28與第三RV減速器10連接，上關(guān)節(jié)5與第四伺服電機(jī)29相連，通過第一同步帶輪組20與第一諧波減速器11連接，第一諧波減速器11與小臂輸入軸24連接，小臂6與第五伺服電機(jī)30相連，通過第二同步帶輪組21與第二諧波減速器12連接，第二諧波減速器12與手腕軸23連接，手腕軸23通過第一軸承14與第二軸承15安裝在手腕7上，小臂6與第六伺服電機(jī)31相連，通過第三同步帶輪組22與第一錐齒輪18連接，第一錐齒輪18通過第三軸承16安裝在手腕7上并與第二錐齒輪19連接，第二錐齒輪19與研拋輸入軸25連接，研拋輸入軸25通過第四軸承17安裝在手腕7上，研拋輸入軸25與第三諧波減速器13連接，第三諧波減速器13與研拋旋轉(zhuǎn)軸32連接，研拋旋轉(zhuǎn)軸32與研拋外筒33配合，通過彈簧35和銷36限制研拋外筒33的運(yùn)動(dòng)，研拋外筒33與研拋盤34鉸連接。研拋機(jī)器人I工作時(shí)，第一伺服電機(jī)26通過第一 RV減速器8驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)3轉(zhuǎn)動(dòng)，第二伺服電機(jī)27通過第二 RV減速器9驅(qū)動(dòng)大臂4前后擺動(dòng)，第三伺服電機(jī)28通過第三RV減速器10驅(qū)動(dòng)上關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動(dòng)，第四伺服電機(jī)29通過第一同步帶輪組20連接第一諧波減速器11帶動(dòng)小臂輸入軸24進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小臂6旋轉(zhuǎn)，第五伺服電機(jī)30通過第二同步帶輪組21連接第二諧波減速器12帶動(dòng)手腕7轉(zhuǎn)動(dòng)，第六伺服電機(jī)31通過第三同步帶輪組22連接第一錐齒輪18，帶動(dòng)第二錐齒輪組19與研拋輸入軸25旋轉(zhuǎn)，通過第三諧波減速器13驅(qū)動(dòng)研拋旋轉(zhuǎn)軸22旋轉(zhuǎn)，研拋旋轉(zhuǎn)軸22通過銷36帶動(dòng)研拋盤34旋轉(zhuǎn)，并由彈簧35提供研拋壓力。如圖7和圖8，六維力傳感器及壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡連接至所述信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊。信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊中的誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)被加工光學(xué)工件的面形檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)面形模型比較得到的誤差曲面的幾何特性，進(jìn)行誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃。通過比較不同去除函數(shù)，從而選擇優(yōu)化的形狀和直徑的研拋盤及去除函數(shù)，并得到相應(yīng)的加工軌跡，駐留時(shí)間與誤差預(yù)測(cè)。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面主動(dòng)柔順精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，包括光學(xué)鏡面研拋機(jī)器人模塊、傳感器模塊、信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊和主動(dòng)柔順控制模塊，其特征在于所述光學(xué)鏡面研拋機(jī)器人模塊包括底座、回轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、上關(guān)節(jié)、小臂、手腕、第一至第三RV減速器、第一至第三諧波減速器、第一至第四軸承、第一錐齒輪、第二錐齒輪、第一至第三同步帶輪組、手腕軸、小臂輸入軸、彈簧、銷、研拋旋轉(zhuǎn)軸、研拋外筒、研拋盤、第一至第六伺服電機(jī)；所述傳感器模塊包括六維力傳感器和壓力傳感器；所述信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊用于信號(hào)處理、研拋加工狀況分析、和主動(dòng)柔順控制反解；所述主動(dòng)柔順控制模塊用于控制機(jī)器人軌跡、研拋盤轉(zhuǎn)速和研拋氣壓。
2.如權(quán)利要求I所述的大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面主動(dòng)柔順精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述回轉(zhuǎn)臺(tái)與所述底座通過所述第一 RV減速器連接，所述第一伺服電機(jī)與所述第一 RV 減速器連接，所述回轉(zhuǎn)臺(tái)與所述大臂通過所述第二 RV減速器連接，所述第二伺服電機(jī)與所述第二 RV減速器連接，所述大臂與所述上關(guān)節(jié)通過所述第三RV減速器連接，所述第三伺服電機(jī)與所述第三RV減速器連接，所述上關(guān)節(jié)與所述第四伺服電機(jī)相連，通過所述第一同步帶輪組與所述第一諧波減速器連接，所述第一諧波減速器與所述小臂輸入軸連接，所述小臂與所述第五伺服電機(jī)相連，通過所述第二同步帶輪組與所述第二諧波減速器連接，所述第二諧波減速器與所述手腕軸連接，所述手腕軸通過所述第一、第二軸承安裝在所述手腕上，所述小臂與所述第六伺服電機(jī)相連，通過所述第三同步帶輪組與所述第一錐齒輪連接， 所述第一錐齒輪通過所述第三軸承安裝在所述手腕上并與所述第二錐齒輪連接，所述第二錐齒輪與所述研拋輸入軸連接，所述研拋輸入軸通過所述第四軸承安裝在所述手腕上，所述研拋輸入軸與所述第三諧波減速器連接，所述第三諧波減速器與所述研拋旋轉(zhuǎn)軸連接， 所述研拋旋轉(zhuǎn)軸與所述研拋外筒配合，通過所述彈簧和銷限制所述研拋外筒的運(yùn)動(dòng)，所述研拋外筒與所述研拋盤鉸連接。
3.如權(quán)利要求I所述的大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面主動(dòng)柔順精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊還包括誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊，所述誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊用于根據(jù)被加工光學(xué)工件的面形檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)面形模型比較得到的誤差曲面的幾何特性，進(jìn)行誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃。
4.如權(quán)利要求I所述的大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面主動(dòng)柔順精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述六維力傳感器及壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡連接至所述信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊。
5.如權(quán)利要求I所述的大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的研拋機(jī)器人末端軸與研拋旋轉(zhuǎn)軸連接，研拋外筒與研拋旋轉(zhuǎn)軸配合帶動(dòng)研拋盤旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求I所述的大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述研拋機(jī)器人可被設(shè)置在加工區(qū)域內(nèi)，通過改變機(jī)器人數(shù)量對(duì)應(yīng)不同口徑鏡面的加工。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大口徑復(fù)雜光學(xué)鏡面主動(dòng)柔順精密研拋機(jī)器人系統(tǒng)，包括光學(xué)鏡面研拋機(jī)器人模塊、傳感器模塊、信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊和主動(dòng)柔順控制模塊，所述研拋機(jī)器人集成研拋加工部件，主動(dòng)柔順控制模塊控制研拋盤轉(zhuǎn)速和研拋機(jī)器人軌跡。信號(hào)處理計(jì)算機(jī)模塊的誤差曲面自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊使去除曲面與誤差曲面盡可能逼近，有效提高收斂速度。本發(fā)明具有高集成度以及高收斂速度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B24B13/00GK102922388SQ20121043170
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者殷躍紅, 徐勇, 彭程, 洪海波, 姜振華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)