本實用新型涉及拋光機械，特別是一種用于復(fù)雜曲面拋光加工的五軸三維超聲拋光機床。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬脆材料在航空航天、汽車、模具、光學(xué)以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)玻璃常被用來制作偵查衛(wèi)星照相機鏡頭、隱形雷達探照鏡、高速飛行器窗口、天文望遠鏡的大型反射鏡以及激光發(fā)射裝置中的光學(xué)透鏡、棱鏡等。硬脆材料光學(xué)元件常規(guī)切削加工非常困難，通常通過超精密研磨、拋光及超精密磨削加工獲得，但該方式加工時間長，加工成本較高。為解決這一加工難題，20世紀初一種超聲拋光加工方法開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。超聲拋光可減小切削力和切削溫度，減小刀具磨損，提高加工質(zhì)量，拓展可加工材料范圍，特別適合加工玻璃、陶瓷、石英、金剛石以及硅等各種硬脆材料。

為解決目前各種超聲拋光機床存在的包括拋光頭軸線方向與復(fù)雜曲面元件拋光點的法線方向不重合導(dǎo)致的因拋光頭與工件表面接觸應(yīng)力不均勻影響工件表面拋光精度；拋光過程中拋光頭在最大彈性壓縮深度時對工件表面易產(chǎn)生損傷；工件浸泡在拋光液中使超聲傳遞的能量被分散，傳遞給拋光液中磨粒的能量較少，加工效率較低；拋光過程中工件離線檢測反復(fù)安裝產(chǎn)生的定位誤差對加工質(zhì)量和效率的不利影響等諸多技術(shù)問題，本申請人曾在申請?zhí)枮?01611119653.7的中國專利申請說明書中披露了一種曲面加工用五軸二維超聲拋光機床。該機床由機架、XYZ三維移動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)式超聲振動拋光裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測裝置組成。用其拋光光學(xué)復(fù)雜曲面元件時，將元件的表面形狀參數(shù)轉(zhuǎn)化為拋光頭的走刀文件，通過運動學(xué)反解獲得機床的數(shù)控程序，通過程序控制系統(tǒng)使機床五軸聯(lián)動(三維移動和二維轉(zhuǎn)動)，使拋光頭軸線方向與工件拋光點的法線始終保持重合；根據(jù)拋光需要的霧化程度確定拋光液超聲霧化施液裝置使用的超聲波頻率；旋轉(zhuǎn)式超聲振動拋光裝置的振幅根據(jù)拋光液霧化施液裝置和被加工工件的技術(shù)參數(shù)以及工件最大彈性壓縮深度時的臨界沖擊速度和臨界切削速度按計算公式求得；由工件在線檢測裝置對工件曲面進行在線檢測。該超聲拋光機床雖然解決了現(xiàn)有超聲拋光機床存在的上述技術(shù)問題，但因施加在主軸上的一維超聲振動只能使拋光頭沿主軸方向做往復(fù)直線運動，拋光功率較低，同時因拋光加工時拋光頭的運動軌跡在復(fù)雜曲面上僅為單一的點，加工效率不夠高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種拋光功率和拋光加工效率比上述五軸二維超聲拋光機床更高的五軸三維超聲拋光機床。

本實用新型五軸三維超聲拋光機床，其超聲振動拋光裝置由原來的一維超聲振動改為二維超聲振動，其余部分，包括機架、X向移動機構(gòu)、Y向移動機構(gòu)、Z向移動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)工作臺、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測裝置均和五軸二維超聲拋光機床相同。

本實用新型五軸三維超聲拋光機床，包括機架、X向移動機構(gòu)、Y向移動機構(gòu)、Z向移動機構(gòu)、超聲振動拋光裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測裝置；其中Z向移動機構(gòu)位于機架的床身上，X向移動機構(gòu)和Y向移動機構(gòu)位于機架的機座上；

所述機架包括機座和垂直固定在機座上的床身；

所述Z向移動機構(gòu)位于機架的床身上，X向移動機構(gòu)和Y向移動機構(gòu)位于機架的機座上；

所述Z向移動機構(gòu)包括固定安裝在所述床身的前壁上、前部帶有Z向?qū)к壍腪向?qū)к壸?，可沿Z向?qū)к壸鯶向移動的Z向移動臺，驅(qū)動Z向移動臺做Z向移動的Z向移動絲杠和驅(qū)動Z向移動絲杠轉(zhuǎn)動的Z向伺服電機；所述Y向移動機構(gòu)包括固定安裝在所述機座上、上部帶有Y向?qū)к壍腨向?qū)к壸裳豗向?qū)к壸鯵向移動的Y向移動臺，驅(qū)動Y向移動臺做Y向移動的Y向移動絲杠和驅(qū)動Y向移動絲杠轉(zhuǎn)動的Y向伺服電機，Y向移動臺上有X向?qū)к?；所述X向移動機構(gòu)包括可沿所述Y向移動臺面上的X向?qū)к壸鯴向移動的X向移動臺，驅(qū)動X向移動臺做X向移動的X向移動絲杠和驅(qū)動X向移動絲杠轉(zhuǎn)動的X向伺服電機；

所述旋轉(zhuǎn)工作臺包括固定安裝在所述X向移動臺上的機殼，在機殼的上部有放置被加工工件的臥式旋轉(zhuǎn)臺，在機殼的內(nèi)部安裝有驅(qū)動臥式旋轉(zhuǎn)臺做臥式旋轉(zhuǎn)的臥式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，在機殼的側(cè)部有驅(qū)動臥式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的伺服電機；

所述拋光液超聲霧化施液裝置包括固定安裝在所述機座一側(cè)的五軸機械手，該五軸機械手的前端安裝有向工件拋光部位噴灑拋光液的超聲噴頭；

所述工件在線檢測裝置包括固定安裝在所述機座另一側(cè)的五軸機械手，該五軸機械手的前端安裝有檢測工件拋光面形精度的激光干涉測頭；

所述超聲振動拋光裝置包括立式轉(zhuǎn)動機構(gòu)和二維超聲拋光機構(gòu)；

所述立式轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括固定安裝在所述Z向移動臺上的箱式殼體，在箱式殼體的前部有立式旋轉(zhuǎn)臺，在箱式殼體的內(nèi)部安裝有驅(qū)動立式旋轉(zhuǎn)臺做立式旋轉(zhuǎn)(繞Y向轉(zhuǎn)動)的立式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，在箱式殼體的上部有驅(qū)動立式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的伺服電機；所述二維超聲拋光機構(gòu)包括固定安裝在所述立式旋轉(zhuǎn)臺上的直角形固定板，在固定板的水平板 下面有對稱分布的工位調(diào)節(jié)孔，通過工位調(diào)節(jié)孔安裝兩個左右對稱、用于調(diào)節(jié)兩個超聲振動裝置軸向夾角的超聲裝置固定板，兩個超聲振動裝置固定板上分別安裝超聲振動裝置I和超聲振動裝置II，超聲振動裝置I和超聲振動裝置II分別由換能器和變幅桿組成，超聲振動裝置I和超聲振動裝置II的變幅桿的前端分別與設(shè)有和所述工位調(diào)節(jié)孔相配合的變幅桿連接孔的弧形拋光頭基座相接，拋光頭安裝在拋光頭基座上。

上述五軸三維超聲拋光機床的使用方法，包括以下步驟：

1)將被加工工件(光學(xué)復(fù)雜曲面元件)表面的形狀參數(shù)轉(zhuǎn)化為拋光頭的走刀文件，通過運動學(xué)反解獲得機床的數(shù)控程序，通過程序控制系統(tǒng)使機床五軸聯(lián)動(三維移動和二維轉(zhuǎn)動)，使拋光頭軸線方向與工件拋光點的法線方向始終保持重合；

2)通過拋光頭的主軸位姿反解得到拋光液超聲霧化施液裝置五軸機械手的數(shù)控程序，使其與拋光頭實現(xiàn)隨動，并使拋光液噴射方向與工件拋光點法線方向的夾角保持45±5度；

3)根據(jù)拋光需要的霧化程度(液滴的直徑)確定拋光液超聲霧化施液裝置使用的超聲波頻率f3(由噴頭產(chǎn)品的標定函數(shù)給出)；

4)根據(jù)工件拋光需要選擇超聲振動裝置I和超聲振動裝置II的超聲振動頻率f₁和f₂、超聲振動振幅A₁和A₂、超聲振動初相位θ₁和θ₂和超聲振動裝置I和超聲振動裝置II的軸向夾角α，夾角α通過固定板下面的工位調(diào)節(jié)孔和與之對應(yīng)的拋光頭基座上的變幅桿連接孔進行調(diào)節(jié)，

α的取值為：30°、45°、60°、90°中的一種

30°、45°、60°、90°

振幅A₁、A₂的取值范圍為：10μm≤A₁≤30μm，

頻率f1、f2的取值范圍為：20kH_z≤f₁≤55kH_z，并使

θ₁和θ₂兩相位的相位差θ＝|θ₁-θ₂|的取值范圍為：[0°，20°]∪[70°，90°]；

5)拋光過程中，當工件曲面加工精度需檢測時，通過Y向移動機構(gòu)將工件退出加工區(qū)，由工件在線檢測裝置對工件曲面進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，如需繼續(xù)進行拋光，通過Y向移動機構(gòu)將工件退回加工區(qū)，繼續(xù)進行拋光加工。

與背景技術(shù)所述五軸二維超聲拋光機床相比較，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型在拋光頭上施加二維超聲振動，不僅可提高拋光功率，而且通過二維超聲振動振動方向、振幅、頻率和相位差的調(diào)節(jié)，經(jīng)耦合后可使拋光頭的運動軌跡以曲線往復(fù)繞行形式均勻覆蓋加工區(qū)域，拋光面積增大，拋光效率明顯提高。

2、同樣，本實用新型通過拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機械手帶動超聲噴頭與拋光頭隨動，并以與拋光點法線保持45度夾角方向噴射拋光液，使汽霧狀態(tài)的拋光液對準拋光點噴入拋光頭與工件之間，可避免拋光頭干磨引起的工件表面損傷，并有利于節(jié)約拋光液；通過工件在線測量裝置實現(xiàn)拋光過程在線測量，可避免工件離線檢測因反復(fù)安裝產(chǎn)生的定位誤差對加工質(zhì)量和拋光效率的不利影響；也可用其加工直徑為300～350mm的大尺寸光學(xué)復(fù)雜曲面元件。

附圖說明

圖1是本實用新型超聲拋光裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2是圖1中超聲振動拋光裝置的轉(zhuǎn)動機構(gòu)示意圖，

圖3是圖1中超聲振動拋光裝置的超聲振動拋光機構(gòu)的正面視圖，

圖4是圖3的斜向仰視圖(用于顯示工位調(diào)節(jié)孔)，

圖5是圖3中工位調(diào)節(jié)孔的示意圖，

圖6是圖3中拋光頭基座的示意圖，

圖7是圖1中旋轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)示意圖，

圖8是圖1中拋光液超聲霧化施液裝置結(jié)構(gòu)示意圖，

圖9是圖8中超聲噴頭噴灑拋光液的方向示意圖，

圖10是超聲拋光裝置拋光頭的運動軌跡示意圖，

圖11是圖1中工件在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。

如圖1所示，本實用新型五軸三維超聲拋光機床，包括機架；安裝在機架上的X向移動機構(gòu)、Y向移動機構(gòu)和Z向移動機構(gòu)；超聲振動拋光裝置5；旋轉(zhuǎn)工作臺；拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測裝置。

所述機架包括機座17和垂直固定在機座上的床身1；所述Z向移動機構(gòu)位于床身上，所述Z向移動機構(gòu)位于床身上，X向移動機構(gòu)和Y向移動機構(gòu)位于機座上。

所述Z向移動機構(gòu)包括固定安裝在所述床身前壁上的Z向?qū)к壸?，Z向?qū)к壸安績蓚?cè)有Z向?qū)к?6，Z向?qū)к壣嫌衂向移動臺25，Z向移動臺由安裝在Z向?qū)к壸蟛康腪向伺服電機2通過與其連接的Z向移動絲杠4驅(qū)動可沿Z向?qū)к壸鯶向移動。

所述Y向移動機構(gòu)包括固定安裝在所述機座上、上部帶有Y向?qū)к?6的Y向?qū)к壸?5，可沿Y向?qū)к壸鯵向移動的Y向移動臺12，驅(qū)動Y向移動臺做Y向移動的Y向移動絲杠14和驅(qū)動Y向移動絲杠轉(zhuǎn)動的Y向伺服電機13，Y向移動臺上有X向?qū)к?1。

所述X向移動機構(gòu)包括可沿所述Y向移動臺面上的X向?qū)к?1做X向移動的X向移動臺22，驅(qū)動X向移動臺做X向移動的X向移動絲杠20和驅(qū)動X向移動絲杠轉(zhuǎn)動的X向伺服電機19。

結(jié)合圖1至圖6，所述超聲振動拋光裝置5，包括立式轉(zhuǎn)動機構(gòu)和二維超聲拋光機構(gòu)。

所述立式轉(zhuǎn)動機構(gòu)如圖2所示，包括固定安裝在所述Z向移動臺22上的箱式殼體501，在箱式殼體的前部有立式旋轉(zhuǎn)臺502，在箱式殼體的內(nèi)部安裝有驅(qū)動立式旋轉(zhuǎn)臺做立式旋轉(zhuǎn)(繞Y向轉(zhuǎn)動)的立式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)503，在箱式殼體的上部有驅(qū)動立式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的伺服電機504。

所述二維超聲拋光機構(gòu)如圖3和圖4所示，包括固定安裝在所述立式旋轉(zhuǎn)臺上的直角形固定板505，在固定板的水平板下面有對稱分布的工位調(diào)節(jié)孔506，通過工位調(diào)節(jié)孔安裝兩個左右對稱、用于調(diào)節(jié)兩個超聲振動裝置軸向夾角的超聲振動裝置固定板507和508，兩個超聲振動裝置固定板上分別安裝超聲振動裝置I509和超聲振動裝置II510，超聲振動裝置I由換能器5091和變幅桿5092組成，超聲振動裝置II由換能器5101和變幅桿5102組成，超聲振動裝置I和超聲振動裝置II的變幅桿的前端分別與弧形拋光頭基座512上表面上的變幅桿連接孔511相接，變幅桿連接孔與所述工位調(diào)節(jié)孔相互對應(yīng)，拋光頭(513)通過螺栓緊固在拋光頭基座上部中心處的夾口中(拋光頭工作時不轉(zhuǎn)動)。

如圖5和圖6所示，所述工位調(diào)節(jié)孔506和與工位調(diào)節(jié)孔相對應(yīng)的變幅桿連接孔511分為四組，其中工位1和1′對應(yīng)超聲振動裝置軸向夾角90°，工位2和2′對應(yīng)超聲振動裝置軸向夾角60°，工位3和3′對應(yīng)超聲振動裝置軸向夾角45°，工位4和4′對應(yīng)超聲振動裝置軸向夾角30°。

如圖7所示，所述旋轉(zhuǎn)工作臺包括固定安裝在所述X向移動臺22上的機殼11，在機殼的上部有放置被加工工件8的臥式旋轉(zhuǎn)臺9，在機殼的內(nèi)部安裝有驅(qū)動臥式旋轉(zhuǎn)臺做臥式旋 轉(zhuǎn)的臥式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)10，在機殼的側(cè)部有驅(qū)動臥式旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的伺服電機23；

如圖1和圖8所示，所述拋光液超聲霧化施液裝置包括固定安裝在所述機座一側(cè)的五軸機械手7，該五軸機械手的前端安裝有向工件拋光部位噴灑拋光液的超聲噴頭6；

如圖1和圖11所示，所述工件在線檢測裝置包括固定安裝在所述機座另一側(cè)的五軸機械手18，該五軸機械手的前端安裝有檢測工件拋光面精度的激光干涉測頭24。

以下為使用上述五軸三維超聲拋光機床加工光學(xué)曲面元件的一個實施例。

該光學(xué)曲面元件為石英玻璃，尺寸為300mm×300mm×200mm，拋光曲面為凹曲面，拋光液超聲霧化施液裝置使用的拋光液為碳化硅磨粒懸濁液，超聲霧化使用的超聲波頻率f₃為100KHz。

為了提高拋光功率和拋光加工效率，使用上述五軸三維超聲拋光機床對該工件進行拋光。

將該工件表面的形狀參數(shù)轉(zhuǎn)化為拋光頭的走刀文件，通過運動學(xué)反解獲得機床的數(shù)控程序；通過拋光頭主軸位姿反解得到拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機械手的數(shù)控程序。

超聲振動裝置I的振幅A₁為20μm，超聲振動裝置II的振幅A₂為30μm，超聲振動裝置I的頻率f₁為20KHz，超聲振動裝置II的頻率f₂為35KHz，超聲振動裝置I的初相位θ₁為0°，超聲振動裝置II的初相位θ₂為90°，通過工位調(diào)節(jié)孔和變幅桿連接孔將超聲振動裝置I和超聲振動裝置II的軸向夾角α為60°。

拋光時，通過程序控制系統(tǒng)使機床五軸聯(lián)動，使拋光頭軸線方向與工件拋光點的法線方向始終保持重合；五軸機械手通過其數(shù)控程序控制使拋光液噴射方向與工件拋光點法線保持45度夾角(如圖9所示)，超聲噴頭與拋光頭隨動。

本實施例拋光頭的運動軌跡呈圖10所示曲線往復(fù)繞行形式均勻覆蓋加工區(qū)域，其拋光拋光效率比用五軸二維超聲拋光機床提高五倍以上。

拋光過程中通過工件在線檢測裝置對工件先后共進行過5次在線檢測，最后得到的加工工件表面光滑無傷痕。