一种大空间五轴非球面精密抛光机床 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明涉及光学零件加工设备技术领域,尤其涉及用于非球面抛光。背景技术：2.现今，光学系统在各个领域都起着重要作用,随着光学元件的日益突出的重要地位，对非球面光学元件的精度要求也越来越高，同时制造光学非球面难度较大，虽有众多光电子元器件加工设备，但大多存在工件加工表面平整度差，加工效率低，制造成本高，机床结构复杂等诸多问题，无法满足非球面光学零件对光学材料超精密表面的加工要求。3.在现有的机床中，多数机床结构较为复杂，运动系统需要进行数控联动，容易造成抛光压力误差，并且主轴不够灵活，达不到部分非球面光学零件的需求。因此，设计一种大空间五轴非球面抛光设备来解决上述问题。技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种大空间非球面精密抛光机床，可实现较高非球面度的高效率、高质量的精密加工。5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:一种大空间五轴非球面抛光机床，其特征在于，由机架、主轴水平控制单元、主轴水平移动平台、抛光头升降单元、主轴竖直移动平台、抛光头旋转控制单元、主轴控制单元、工件轴控制单元组成，其中：机架前半部分开设有法兰底座，并与工件轴电机垂直相连，法兰底座右侧安装有工件轴转台,机架后半部分开设有横槽,横槽上安装有导轨垫铁；主轴水平控制单元安装在导轨垫铁之间，且与主轴水平移动平台相连，抛光头升降单元安装在主轴水平移动平台上，主轴水平控制单元驱动主轴水平移动平台和抛光头升降单元沿水平方向左右移动；主轴竖直移动平台安装在抛光头升降单元上，抛光头旋转控制单元安装在主轴竖直移动平台上，抛光头升降单元可驱动主轴竖直移动平台和抛光头旋转控制单元在竖直方向上下移动；主轴控制单元安装在抛光头旋转控制单元上，抛光头旋转控制单元驱动主轴控制单元围绕x轴旋转、摆动,工件轴控制单元安装在横槽上；6.主轴水平控制单元包括水平驱动电机、水平双模片联轴器、水平丝杠导轨、水平滚珠丝杠,其中：水平驱动电机安装在两横槽中间处，与导轨垫铁平行；水平驱动电机的输出通过水平双模片联轴器连接有水平滚珠丝杠；水平丝杠导轨对称的安装在横槽两侧的导轨垫铁上。7.主轴水平移动平台是由四个矩形布置的滑块组成，滑块可移动的套在水平丝杠导轨上。8.抛光头升降单元包括抛光头升降单元驱动电机、竖直方向联轴器、升降单元支架、竖直方向丝杠导轨、托盘，其中：抛光头升降单元驱动电机安装在升降单元支架的最顶端；抛光头升降单元驱动电机的输出通过竖直方向联轴器连接有水平滚珠丝杠；升降单元支架安装在主轴水平移动平台上，与滑块相接；竖直方向丝杠导轨对称的布置在升降单元支架的两侧；托盘通过滑块布置在竖直方向丝杠导轨上。9.主轴竖直移动平台为正方形薄板结构，主轴竖直移动平台通过竖向滑块安装在竖直方向丝杠导轨上，主轴竖直移动平台的中部设有螺母，其中竖向滑块可移动的套在竖直方向丝杠导轨上。10.抛光头旋转控制单元包括抛光头旋转单元驱动电机、控制单元转台，控制单元螺纹孔，其中：抛光头旋转单元驱动电机安装在主轴竖直移动平台的中心位置；控制单元转台安装在抛光头旋转单元驱动电机的转轴上，控制单元转台能随转轴旋转；控制单元转台的顶部设有控制单元螺纹孔，控制单元螺纹孔套装在竖向螺杆上，控制单元螺纹孔和竖向螺杆配合工作组成丝杠结构。11.主轴控制单元包括主轴安装台、主轴电机、主轴刀柄，其中：主轴安装台垂直的安装在抛光头旋转控制单元转台中心，主轴电机可拆卸的、垂直的安装在主轴安装台上，主轴刀柄垂直的安装在主轴电机上，用于连接抛光刀具。12.工件轴控制单元包括工件轴电机、液压刀柄、工件轴锁紧螺母、微调丝杆、同步轮，其中：工件轴电机安装在机架竖槽下方，液压刀柄固定在工件轴电机的转轴上、且用于工装夹具或固定光学工件，工件轴锁紧螺母设置在工件轴前部，固定工件轴，微调丝杆通过工件轴锁紧螺母连接在工件轴上，轻微调整工件轴位置，同步轮安装在工件轴电机上部，电机通过同步轮带动轴承旋转。13.本公开实施例的操控步骤为，打开装置电源，启动控制系统；通过液压刀柄将工件装夹在工件轴上，通过控制水平、升降、旋转轴调节抛光头位姿，调整好工件与抛光头之间的距离；在控制系统中，通过控制按键调整抛光主轴电机驱动抛光头的转速以及工件轴电机驱动工件的转速；在工件上输送抛光液，抛光头与工件轴的差速运动可以实时更新抛光区域内的抛光液成分。14.有益效果：15.1、本发明采用五个伺服电机分别驱动公转、自转、升降和摇摆，其运动系统无需数控联动，只需要抛光头在工件表面的运动路径进行控制，这种结构有利于达到抛光压力的恒定，消除竖直方向误差。此外，本方案中抛光头旋转轴带动主轴绕x轴转动，可以实现大角度旋转，主轴水平控制单元带动主轴在水平方向平动,使抛光主轴有更大的工作空间，可加工非球面的非球面度尽可能的大。16.2、工件轴旋转转台采用一种立式气体静压轴承，由外配的气源及空气处理系统供给洁净干燥、压力稳定的空气使轴承浮起，电机通过同步轮带带动轴承旋转。工件轴通过液压卡盘固定工装夹具或工件，固定效果好，减小误差。此外，工件轴装有微移调整平台，可以在一定限度内矫正工件轴位置，在一定意义上实现工件轴在位修整，提高工作效率。17.3、床身采用矩形框架结构，可以获得较大的加工空间，抵抗弹性变形的能力强，可以防止由机床不对称所带来的整体刚性、稳定性的影响。机床上部采用立式倒t型框架结构，可以获得较大的加工空间。18.4、工件轴与抛光主轴不同电机，可以设置速度差值，实现差速运动实时更新抛光液磨料，有效提升工作效率。19.5、工件轴锁紧螺母可以提升工件轴的空间稳定性，其组件提供给机架和工件轴连接面稳定的阻尼和刚度，减小对刀产生的轻微误差，提升机床的静动态特性。附图说明20.图1为非球面精密抛光装置正面结构示意图；21.图2为非球面精密抛光装置侧面结构示意图；22.图3为非球面精密抛光装置的抛光头旋转控制单元和主轴控制单元轴测图；23.图4为非球面精密抛光装置的抛光头旋转控制单元和主轴控制单元侧视图；24.图5为非球面精密抛光装置的抛光头升降控制单元和主轴竖直移动平台轴测图；25.图6为非球面精密抛光装置的抛光头升降控制单元和主轴竖直移动平台侧视图；26.图7为非球面精密抛光装置的工件轴控制单元和主轴水平控制单元结构示意图；27.1－机架、101－法兰底座、102－工件轴转台、103－横槽、104－导轨垫铁、2－主轴水平控制单元、201－水平驱动电机、202－水平双模片联轴器、203－水平丝杠导轨、204－水平滚珠丝杠、3－主轴水平移动平台、4－抛光头升降单元、401－抛光头升降单元驱动电机、402－竖直方向双模片联轴器、403－升降单元支架、404－竖直方向丝杠导轨、405－托盘、5－主轴竖直移动平台、6－抛光头旋转控制单元、601－抛光头旋转控制单元驱动电机、602－控制单元转台、603－控制单元螺纹孔、7－主轴控制单元、701－主轴安装台、702－主轴电机、703－主轴刀柄、8－c轴控制单元、801－c轴电机、802－液压刀柄、803－工件轴锁紧螺母、804－微调丝杆、805－同步轮。具体实施方式28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“后半”、“水平”、“顶端”、ꢀ“两侧”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。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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。29.本公开实例提供了一种大空间五轴非球面精密抛光机床，包括机架、主轴水平控制单元、主轴水平移动平台、抛光头升降单元、主轴竖直移动平台、抛光头旋转控制单元、主轴控制单元、工件轴控制单元。具体的，本公开实施例通过启动控制系统；控制液压刀柄将工件装夹在工件轴上，通过控制水平、升降、旋转轴调节抛光头位姿，调整好工件与抛光头之间的距离；在控制系统中，通过控制按键调整抛光主轴电机驱动抛光头的转速以及工件轴电机驱动工件的转速；在工件上输送抛光液，抛光头与工件轴的差速运动可以实时更新抛光区域内的抛光液成分，提高加工的稳定性。30.以下将结合附图对本发明进行详细说明。31.如图1至图7所示，该五轴非球面抛光机床包括机架1、主轴水平控制单元2、主轴水平移动平台3、抛光头升降单元4、主轴竖直移动平台5、抛光头旋转控制单元6、主轴控制单元7、工件轴控制单元8组成，其中：机架1前半部分开设有法兰底座101，并与工件轴电机801垂直相连，法兰底座101右侧安装有工件轴转台103,机架1后半部分开设有横槽104,横槽104上安装有导轨垫铁105；主轴水平控制单元2安装在导轨垫铁105之间，且与主轴水平移动平台3相连，抛光头升降单元4安装在主轴水平移动平台3上，主轴水平控制单元2驱动主轴水平移动平台3和抛光头升降单元4沿水平方向左右移动；主轴竖直移动平台5安装在抛光头升降单元4上，抛光头旋转控制单元6安装在主轴竖直移动平台5上，抛光头升降单元4可驱动主轴竖直移动平台5和抛光头旋转控制单元6在竖直方向上下移动；主轴控制单元7安装在抛光头旋转控制单元6上，抛光头旋转控制单元6驱动主轴控制单元7围绕x轴旋转、摆动,工件轴控制单元安装在横槽104上；32.需要说明的是本实例采用五个伺服电机分别驱动公转、自转、升降和摇摆，其运动系统无需数控联动，只需要抛光头在工件表面的运动路径进行控制，这种结构有利于达到抛光压力的恒定，消除竖直方向误差。此外，本方案中抛光头旋转轴带动主轴绕x轴转动，可以实现大角度旋转，主轴水平控制单元带动主轴在水平方向平动,使抛光主轴有更大的工作空间，可加工非球面的非球面度尽可能的大。33.本实例中主轴水平控制单元2包括水平驱动电机201、水平双模片联轴器202、水平丝杠导轨203、水平滚珠丝杠204,其中：水平驱动电机201安装在两横槽104中间处，与导轨垫铁105平行；水平驱动电机201的输出通过水平双模片联轴器202连接有水平滚珠丝杠204；水平丝杠导轨203对称的安装在横槽104两侧的导轨垫铁105上。主轴水平移动平台3是由四个矩形布置的滑块组成，滑块可移动的套在水平丝杠导轨203上。抛光头升降单元4包括抛光头升降单元驱动电机401、竖直方向联轴器402、升降单元支架403、竖直方向丝杠导轨404、托盘405，其中：抛光头升降单元驱动电机401安装在升降单元支架403的最顶端；抛光头升降单元驱动电机401的输出通过竖直方向联轴器402连接有水平滚珠丝杠204；升降单元支架403安装在主轴水平移动平台3上，与滑块相接；竖直方向丝杠导轨404对称的布置在升降单元支架403的两侧；托盘405通过滑块布置在竖直方向丝杠导轨404上。主轴竖直移动平台5为正方形薄板结构，主轴竖直移动平台5通过竖向滑块安装在竖直方向丝杠导轨404上，主轴竖直移动平台5的中部设有螺母，其中竖向滑块可移动的套在竖直方向丝杠导轨404上。34.本实例中，抛光头旋转控制单元6包括抛光头旋转单元驱动电机601、控制单元转台602，控制单元螺纹孔603，其中：抛光头旋转单元驱动电机601安装在主轴竖直移动平台5的中心位置；控制单元转台602安装在抛光头旋转单元驱动电机601的转轴上，控制单元转台602能随转轴旋转；控制单元转台602的顶部设有控制单元螺纹孔603，控制单元螺纹孔603套装在竖向螺杆上，控制单元螺纹孔603和竖向螺杆配合工作组成丝杠结构。主轴控制单元7包括主轴安装台701、主轴电机702、主轴刀柄703，其中：主轴安装台701垂直的安装在控制单元转台602中心；主轴电机702可拆卸的、垂直的安装在主轴安装台701上；主轴刀柄703垂直的安装在主轴电机702上，用于连接抛光刀具。工件轴控制单元8包括工件轴电机801、液压刀柄802、工件轴锁紧螺母803、微调丝杆804、同步轮805，其中：工件轴电机801安装在机架竖槽101下方；液压刀柄802固定在工件轴电机801的转轴上、且用于工装夹具或固定光学工件；工件轴锁紧螺母803设置在工件轴前部，固定工件轴；微调丝杆804通过工件轴锁紧螺母803连接在工件轴上，轻微调整工件轴位置。同步轮805安装在工件轴电机上部，电机通过同步轮805带动轴承旋转。35.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。









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