本發(fā)明涉及拋光機(jī)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(jī)床及其使用方法。

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(lái)制作偵查衛(wèi)星照相機(jī)鏡頭、隱形雷達(dá)探照鏡、高速飛行器窗口、天文望遠(yuǎn)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(shí)間長(zhǎng)，加工成本較高。為解決這一加工難題，20世紀(jì)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(jī)床存在的包括拋光頭軸線方向與復(fù)雜曲面元件拋光點(diǎn)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(shí)對(duì)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(cè)反復(fù)安裝產(chǎn)生的定位誤差對(duì)加工質(zhì)量和效率的不利影響等諸多技術(shù)問題，本申請(qǐng)人曾在申請(qǐng)?zhí)枮?01611119653.7的中國(guó)專利申請(qǐng)說明書中披露了一種曲面加工用五軸二維超聲拋光機(jī)床。該機(jī)床由機(jī)架、XYZ三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)式超聲振動(dòng)拋光裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測(cè)裝置組成。用其拋光光學(xué)復(fù)雜曲面元件時(shí)，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(yùn)動(dòng)學(xué)反解獲得機(jī)床的數(shù)控程序，通過程序控制系統(tǒng)使機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)(三維移動(dòng)和二維轉(zhuǎn)動(dòng))，使拋光頭軸線方向與工件拋光點(diǎn)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(dòng)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(shí)的臨界沖擊速度和臨界切削速度按計(jì)算公式求得；由工件在線檢測(cè)裝置對(duì)工件曲面進(jìn)行在線檢測(cè)。該超聲拋光機(jī)床雖然解決了現(xiàn)有超聲拋光機(jī)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(dòng)只能使拋光頭沿主軸方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，拋光功率較低，同時(shí)因拋光加工時(shí)拋光頭的運(yùn)動(dòng)軌跡在復(fù)雜曲面上僅為單一的點(diǎn)，加工效率不夠高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明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(jī)床更高的五軸三維超聲拋光機(jī)床及該機(jī)床的使用方法。

本發(fā)明五軸三維超聲拋光機(jī)床，其超聲振動(dòng)拋光裝置由原來(lái)的一維超聲振動(dòng)改為二維超聲振動(dòng)，其余部分，包括機(jī)架、X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測(cè)裝置均和五軸二維超聲拋光機(jī)床相同。

本發(fā)明五軸三維超聲拋光機(jī)床，包括機(jī)架、X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、超聲振動(dòng)拋光裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測(cè)裝置；其中Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的床身上，X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的機(jī)座上；

所述機(jī)架包括機(jī)座和垂直固定在機(jī)座上的床身；

所述Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的床身上，X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的機(jī)座上；

所述Z向移動(dòng)機(jī)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(dòng)的Z向移動(dòng)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)Z向移動(dòng)臺(tái)做Z向移動(dòng)的Z向移動(dòng)絲杠和驅(qū)動(dòng)Z向移動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的Z向伺服電機(jī)；所述Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定安裝在所述機(jī)座上、上部帶有Y向?qū)к壍腨向?qū)к壸?，可沿Y向?qū)к壸鯵向移動(dòng)的Y向移動(dòng)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)Y向移動(dòng)臺(tái)做Y向移動(dòng)的Y向移動(dòng)絲杠和驅(qū)動(dòng)Y向移動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的Y向伺服電機(jī)，Y向移動(dòng)臺(tái)上有X向?qū)к?；所述X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括可沿所述Y向移動(dòng)臺(tái)面上的X向?qū)к壸鯴向移動(dòng)的X向移動(dòng)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)X向移動(dòng)臺(tái)做X向移動(dòng)的X向移動(dòng)絲杠和驅(qū)動(dòng)X向移動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的X向伺服電機(jī)；

所述旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)包括固定安裝在所述X向移動(dòng)臺(tái)上的機(jī)殼，在機(jī)殼的上部有放置被加工工件的臥式旋轉(zhuǎn)臺(tái)，在機(jī)殼的內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)臥式旋轉(zhuǎn)臺(tái)做臥式旋轉(zhuǎn)的臥式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)殼的側(cè)部有驅(qū)動(dòng)臥式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)；

所述拋光液超聲霧化施液裝置包括固定安裝在所述機(jī)座一側(cè)的五軸機(jī)械手，該五軸機(jī)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(cè)裝置包括固定安裝在所述機(jī)座另一側(cè)的五軸機(jī)械手，該五軸機(jī)械手的前端安裝有檢測(cè)工件拋光面形精度的激光干涉測(cè)頭；

所述超聲振動(dòng)拋光裝置包括立式轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和二維超聲拋光機(jī)構(gòu)；

所述立式轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定安裝在所述Z向移動(dòng)臺(tái)上的箱式殼體，在箱式殼體的前部有立式旋轉(zhuǎn)臺(tái)，在箱式殼體的內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)立式旋轉(zhuǎn)臺(tái)做立式旋轉(zhuǎn)(繞Y向轉(zhuǎn)動(dòng))的立式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在箱式殼體的上部有驅(qū)動(dòng)立式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)；所 述二維超聲拋光機(jī)構(gòu)包括固定安裝在所述立式旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的直角形固定板，在固定板的水平板下面有對(duì)稱分布的工位調(diào)節(jié)孔，通過工位調(diào)節(jié)孔安裝兩個(gè)左右對(duì)稱、用于調(diào)節(jié)兩個(gè)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角的超聲裝置固定板，兩個(gè)超聲振動(dòng)裝置固定板上分別安裝超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)裝置Ⅱ,超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)裝置Ⅱ分別由換能器和變幅桿組成，超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)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。

本發(fā)明五軸三維超聲拋光機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)反解獲得機(jī)床的數(shù)控程序，通過程序控制系統(tǒng)使機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)(三維移動(dòng)和二維轉(zhuǎn)動(dòng))，使拋光頭軸線方向與工件拋光點(diǎn)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(jī)械手的數(shù)控程序，使其與拋光頭實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)，并使拋光液噴射方向與工件拋光點(diǎn)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(biāo)定函數(shù)給出)；

4)根據(jù)工件拋光需要選擇超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)裝置Ⅱ的超聲振動(dòng)頻率f1和f2、超聲振動(dòng)振幅A₁和A₂、超聲振動(dòng)初相位θ₁和θ₂和超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)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(duì)應(yīng)的拋光頭基座上的變幅桿連接孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，

α的取值為：30°、60°、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(dāng)工件曲面加工精度需檢測(cè)時(shí)，通過Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件退出加工區(qū)，由工件在線檢測(cè)裝置對(duì)工件曲面進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，如需繼續(xù)進(jìn)行拋光，通過Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件退回加工區(qū)，繼續(xù)進(jìn)行拋光加工。

與背景技術(shù)所述五軸二維超聲拋光機(jī)床相比較，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明在拋光頭上施加二維超聲振動(dòng)，不僅可提高拋光功率，而且通過二維超聲振動(dòng)振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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，本發(fā)明通過拋光液超聲霧化施液裝置的五軸機(jī)械手帶動(dòng)超聲噴頭與拋光頭隨動(dòng)，并以與拋光點(diǎn)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(duì)準(zhǔn)拋光點(diǎn)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(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)拋光過程在線測(cè)量，可避免工件離線檢測(cè)因反復(fù)安裝產(chǎn)生的定位誤差對(duì)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是本發(fā)明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(dòng)拋光裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，

圖3是圖1中超聲振動(dòng)拋光裝置的超聲振動(dòng)拋光機(jī)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(tái)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(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，

圖11是圖1中工件在線檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明五軸三維超聲拋光機(jī)床，包括機(jī)架；安裝在機(jī)架上的X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；超聲振動(dòng)拋光裝置5；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；拋光液超聲霧化施液裝置和工件在線檢測(cè)裝置。

所述機(jī)架包括機(jī)座17和垂直固定在機(jī)座上的床身1；所述Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于床身上，所述Z向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于床身上，X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)位于機(jī)座上。

所述Z向移動(dòng)機(jī)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(jī)蓚?cè)有Z向?qū)к?6，Z向?qū)к壣嫌衂向移動(dòng)臺(tái)25，Z向移動(dòng)臺(tái)由安裝在Z向?qū)к壸蟛康腪向伺服電機(jī)2通過與其連接的Z向移動(dòng)絲杠4驅(qū)動(dòng)可沿Z向?qū)к壸鯶向移動(dòng)。

所述Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定安裝在所述機(jī)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(dòng)的Y向移動(dòng)臺(tái)12，驅(qū)動(dòng)Y向移動(dòng)臺(tái)做Y向移動(dòng)的Y向移動(dòng)絲杠14和驅(qū)動(dòng)Y向移動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的Y向伺服電機(jī)13，Y向移動(dòng)臺(tái)上有X向?qū)к?1。

所述X向移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括可沿所述Y向移動(dòng)臺(tái)面上的X向?qū)к?1做X向移動(dòng)的X向移動(dòng)臺(tái)22，驅(qū)動(dòng)X向移動(dòng)臺(tái)做X向移動(dòng)的X向移動(dòng)絲杠20和驅(qū)動(dòng)X向移動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的X向伺服電機(jī)19。

結(jié)合圖1至圖6，所述超聲振動(dòng)拋光裝置5，包括立式轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和二維超聲拋光機(jī)構(gòu)。

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

所述二維超聲拋光機(jī)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(tái)上的直角形固定板505，在固定板的水平板下面有對(duì)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(gè)左右對(duì)稱、用于調(diào)節(jié)兩個(gè)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角的超聲振動(dòng)裝置固定板507和508，兩個(gè)超聲振動(dòng)裝置固定板上分別安裝超聲振動(dòng)裝置Ⅰ509和超聲振動(dòng)裝置Ⅱ510,超聲振動(dòng)裝置Ⅰ由換能器5091和變幅桿5092組成，超聲振動(dòng)裝置Ⅱ由換能器5101和變幅桿5102組成，超聲振動(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)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(duì)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(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng))。

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(duì)應(yīng)的變幅桿連接孔511分為四組，其中工位1和1ˊ對(duì)應(yīng)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角90°，工位2和2ˊ對(duì)應(yīng)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角60°，工位3和3ˊ對(duì)應(yīng)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角45°，工位4和4ˊ對(duì)應(yīng)超聲振動(dòng)裝置軸向夾角30°。

如圖7所示，所述旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)包括固定安裝在所述X向移動(dòng)臺(tái)22上的機(jī)殼11，在機(jī)殼的上部有放置被加工工件8的臥式旋轉(zhuǎn)臺(tái)9，在機(jī)殼的內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)臥式旋轉(zhuǎn)臺(tái)做臥式旋轉(zhuǎn)的臥式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10，在機(jī)殼的側(cè)部有驅(qū)動(dòng)臥式旋轉(zhuǎn)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)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(jī)座一側(cè)的五軸機(jī)械手7，該五軸機(jī)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(cè)裝置包括固定安裝在所述機(jī)座另一側(cè)的五軸機(jī)械手18，該五軸機(jī)械手的前端安裝有檢測(cè)工件拋光面精度的激光干涉測(cè)頭24。

以下為使用上述五軸三維超聲拋光機(jī)床加工光學(xué)曲面元件的一個(gè)實(shí)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(jī)床對(duì)該工件進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)反解獲得機(jī)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(jī)械手的數(shù)控程序。

超聲振動(dòng)裝置Ⅰ的振幅A₁為20μm，超聲振動(dòng)裝置Ⅱ的振幅A₂為30μm，超聲振動(dòng)裝置Ⅰ的頻率f1為20KHZ，超聲振動(dòng)裝置Ⅱ的頻率f2為35KHZ，超聲振動(dòng)裝置Ⅰ的初相位θ₁為0°，超聲振動(dòng)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(dòng)裝置Ⅰ和超聲振動(dòng)裝置Ⅱ的軸向夾角α為60°。

拋光時(shí)，通過程序控制系統(tǒng)使機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)，使拋光頭軸線方向與工件拋光點(diǎn)的法線方向始終保持重合；五軸機(jī)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(diǎn)法線保持45度夾角(如圖9所示)，超聲噴頭與拋光頭隨動(dòng)。

本實(shí)施例拋光頭的運(yùn)動(dòng)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(jī)床提高五倍以上。

拋光過程中通過工件在線檢測(cè)裝置對(duì)工件先后共進(jìn)行過5次在線檢測(cè)，最后得到的加工工件表面光滑無(wú)傷痕。