專利名稱：具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬精密加工及其裝備制造業(yè)范疇，涉及具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床結(jié)構(gòu)及其控制方法。
背景技術(shù)：
天線罩是一種大深度薄殼結(jié)構(gòu)件，材料大多為石英陶瓷，又硬又脆、抗拉強度低，對其進(jìn)行機械加工時，由于缺乏穩(wěn)定可靠的工藝基準(zhǔn)和選用不合適的磨削用量，其表面極易產(chǎn)生微裂紋。
磨削光學(xué)玻璃、陶瓷天線罩等脆硬薄工件時，砂輪架進(jìn)給量達(dá)到亞微米級可使磨屑成為切削塑性材料時的卷曲狀，從而通過改善磨削條件，提高被磨削表面的精度和表面質(zhì)量，如將光學(xué)玻璃加工成為光玻璃，即磨削成表面粗糙度數(shù)值為納米級的透鏡，使陶瓷天線罩的磨削表面不產(chǎn)生任何微裂紋等。因此，微進(jìn)給裝置是磨削脆硬等特殊材料，實現(xiàn)精密和超精密加工精度的基本工藝裝置。
然而，目前大多數(shù)精密磨床用于上述兩種材料的磨削加工時，均存在以下幾個主要問題1、傳統(tǒng)磨床的機械傳動進(jìn)給精度有限，目前，采用伺服電機、滾珠絲杠副直接驅(qū)動的磨床砂輪架最小進(jìn)給分辨率為1-0.5μm，要進(jìn)一步精確到0.2-0.1μm是很困難的，甚至是不可能的。
2、動態(tài)補償時的響應(yīng)頻率低，這是由于砂輪架及其移動部件質(zhì)量很大、機械傳動機構(gòu)爬行等原因所致，目前，磨床性能指標(biāo)都不涉及進(jìn)給運動的響應(yīng)頻率。
3、直線電機進(jìn)給裝置雖然具有任意工作行程、9.8m/s2以上的進(jìn)給加速度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等很多優(yōu)點，但也存在成本高、發(fā)熱嚴(yán)重、控制系統(tǒng)復(fù)雜、隔磁防磁效果尚不理想等主要缺點，影響了該進(jìn)給系統(tǒng)的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的和要解決的技術(shù)問題在于，提供一種具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床及其控制方法，以0.1μm的最小進(jìn)給量實現(xiàn)光學(xué)玻璃、陶瓷等脆硬材料的高精度磨削，實現(xiàn)對光學(xué)玻璃的鏡面磨削，使陶瓷薄壁工件磨削后其表面不產(chǎn)生微細(xì)裂紋，由此完成高精度零件的粗-半精-精-精細(xì)磨削。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床，其實質(zhì)性特點在于，它包括普通精密數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、檢測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)；所述的微進(jìn)給工作臺包括柔性鉸鏈機構(gòu)、壓電驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)；所述的檢測系統(tǒng)包括位置傳感器、尺寸測量儀；其中，位置傳感器用于監(jiān)測基于微進(jìn)給工作臺的砂輪架部件二次進(jìn)給實際工作位置，以作為微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)的控制依據(jù)；尺寸測量儀用于檢測磨削過程中工件已磨削表面的實際尺寸，以作為控制磨削過程及其相關(guān)工藝參數(shù)的依據(jù)；所述的集成接口系統(tǒng)，用于傳遞數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、尺寸測量儀的相關(guān)脈沖信號，以實現(xiàn)超精密數(shù)控磨床基本工藝操作的協(xié)同與集成控制。
上述的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床，其中，所述的微進(jìn)給工作臺與普通精密數(shù)控磨床的橫拖板剛性連接，微進(jìn)給工作臺中的柔性鉸鏈機構(gòu)在壓電陶瓷驅(qū)動器的作用下，通過形變實現(xiàn)砂輪架部件的超精密進(jìn)給要求；砂輪架部件通過普通磨床上的導(dǎo)軌與橫拖板相互連接，并在普通磨床的拉簧作用下，始終保持與微進(jìn)給工作臺的緊密接觸。
具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床的控制方法，其中，它是在普通磨床數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)獨立于普通磨床數(shù)控系統(tǒng)的微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)，使普通磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)傳遞相關(guān)脈沖信號，從而實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺的通訊、基本工藝操作的協(xié)同與集成控制。
上述的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床的控制方法，其中，所述的微進(jìn)給工作臺包括控制子系統(tǒng)，該控制子系統(tǒng)包括微進(jìn)給驅(qū)動部分、微進(jìn)給檢測部分；所述的微進(jìn)給驅(qū)動部分包括驅(qū)動電源、人機接口、微進(jìn)給位移-電壓數(shù)據(jù)構(gòu)造、驅(qū)動四個模塊，以實現(xiàn)微進(jìn)給工作臺的數(shù)據(jù)輸入和顯示、包括十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十六進(jìn)制和數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動電壓的放大；所述的微進(jìn)給檢測部分包括傳感器、電壓-位移數(shù)據(jù)構(gòu)造、檢測三個模塊，以實現(xiàn)微進(jìn)給工作臺的位移檢測和數(shù)據(jù)處理。
由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果1、利用微進(jìn)給工作臺使精密磨床砂輪架部件0.5-1μm的最小進(jìn)給量精確到0.1μm的最小進(jìn)給量，滿足光學(xué)玻璃、陶瓷天線罩等脆硬薄工件的超精密磨削需求。
2、具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床以普通精密磨床為基礎(chǔ)，微進(jìn)給工作臺作為精密磨床的一個附屬裝置。微進(jìn)給工作臺具有體積小、外型規(guī)范、可以靈活根據(jù)需要進(jìn)行配置等特點，由于充分借鑒和利用了現(xiàn)有成熟精密磨床的技術(shù)優(yōu)勢，使超精密磨床的研發(fā)成功率提高、周期縮短和開銷降低。
3、超精密磨床控制方法是以磨床數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加微進(jìn)給工作臺壓電驅(qū)動器控制系統(tǒng)和集成接口系統(tǒng)，使磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)的相應(yīng)脈沖信號實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺和尺寸測量儀的通訊與集成控制，使微進(jìn)給工作臺的選用和控制均與機床數(shù)控系統(tǒng)的品牌、種類及型號等無關(guān)。


圖1為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床的基本組成及其示意圖；圖2為本發(fā)明超精密磨床的兩級進(jìn)給機構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床控制方法及其工作流程圖；圖4為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床的基本組成及其示意圖；圖5為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的開環(huán)式精密磨床的基本組成及其示意圖；圖6為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床控制方法及其工作流程圖；圖7為本發(fā)明具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的開環(huán)式精密磨床控制方法及其工作流程圖；具體實施方式
以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明涉及的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床及其控制方法作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
參見圖1，本發(fā)明涉及的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床包括普通精密磨床、微進(jìn)給工作臺、檢測系統(tǒng)及集成接口系統(tǒng)四大部分。普通精密磨床的進(jìn)給機構(gòu)實現(xiàn)一般精磨所需要的一級進(jìn)給，并在此基礎(chǔ)上，增加一級由壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動的柔性鉸鏈微進(jìn)給工作臺，依靠微進(jìn)給工作臺實現(xiàn)砂輪架部件的超精密進(jìn)給，構(gòu)成二級進(jìn)給，由此完成高精度零件的粗-精-超精磨削。最終實現(xiàn)超精密數(shù)控磨床砂輪架部件的亞微米級進(jìn)給要求。
其中微進(jìn)給工作臺由柔性鉸鏈機構(gòu)、壓電驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)三大部分組成；檢測系統(tǒng)分位置傳感器部分和尺寸測量儀兩部分，位置傳感器用于監(jiān)測砂輪架部件的實際工作位置，以作為壓電驅(qū)動器的控制依據(jù)，尺寸測量儀用于檢測磨削過程中已磨削工件表面的實際尺寸，以作為控制磨削過程及其工藝參數(shù)等的依據(jù)；集成接口系統(tǒng)的作用是，(1)實現(xiàn)微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)與磨床數(shù)控系統(tǒng)的信息交互；(2)協(xié)調(diào)與控制兩級進(jìn)給機構(gòu)的基本動作；(3)處理檢測(尺寸測量儀)和監(jiān)測(位置傳感器)結(jié)果并控制砂輪架部件的運動及其精度。
圖2給出了具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密磨床基本配置及其示意圖，其中橫拖板7、導(dǎo)軌9、床身10、絲杠11、螺母12屬于普通精密磨床的相關(guān)基礎(chǔ)部件。超精密磨床在此基礎(chǔ)上，增加微進(jìn)給工作臺3，并在砂輪架部件底座6和橫拖板7中增加第二層導(dǎo)軌8，以使砂輪架部件底座6、砂輪2及其相關(guān)支撐件等相對橫拖板7進(jìn)行最小進(jìn)給量為0.1μm的精確進(jìn)給。
橫拖板7通過第一層導(dǎo)軌9安裝在床身10上，砂輪架底座6通過第二層導(dǎo)軌8安裝在橫拖板7上，砂輪2與砂輪架底座6剛性連接，通過相應(yīng)的進(jìn)給運動實現(xiàn)對工件1的磨削要求。微進(jìn)給工作臺3與橫拖板7剛性連接，其中的柔性鉸鏈機構(gòu)在壓電陶瓷驅(qū)動器的作用下，通過變形實現(xiàn)砂輪架部件的精確進(jìn)給要求。砂輪架底座6在彈簧5和鋼球4作用下，始終與微進(jìn)給工作臺3緊密接觸。
磨削工件時，絲杠11帶動螺母12實現(xiàn)第一級進(jìn)給系統(tǒng)的大行程進(jìn)給運動，并根據(jù)尺寸檢測儀對工件磨削表面的測量與數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驅(qū)動微進(jìn)給工作臺實現(xiàn)第二級進(jìn)給系統(tǒng)的超精密進(jìn)給運動，直至進(jìn)入無火花磨削狀態(tài)并達(dá)到磨削要求。
本發(fā)明涉及的超精密磨床控制方法是以普通磨床數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加微進(jìn)給工作臺壓電驅(qū)動器控制系統(tǒng)和集成接口系統(tǒng)。磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)的相應(yīng)脈沖信號實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺和尺寸測量儀的通訊與集成控制。
本發(fā)明涉及的超精密數(shù)控磨床的控制方法及其工作流程如圖3所示，其采取的控制方法是(1)根據(jù)數(shù)控程序進(jìn)行精細(xì)磨預(yù)磨工步的基本操作，預(yù)磨工步包括粗磨、半精磨、精磨等基本操作，工步參數(shù)全部在數(shù)控程序中進(jìn)行設(shè)置；(2)精細(xì)磨工步的進(jìn)給量及其進(jìn)給次數(shù)通過微進(jìn)給工作臺人機交互界面進(jìn)行設(shè)置；(3)相關(guān)工步操作是否結(jié)束的依據(jù)取決兩個方面，一是依據(jù)所設(shè)置的相關(guān)工步及其工藝參數(shù)；二是依據(jù)直接測量工件磨削表面的尺寸測量儀。尺寸測量儀可以根據(jù)需要和精度要求進(jìn)行配置。
實施例1參見圖1，高精度數(shù)控磨床MGK1320的工作臺和砂輪架最小設(shè)定單位是0.5μm，外加如圖1所示的檢測系統(tǒng)II中的尺寸測量儀，可以獲得的主要加工精度，如圓度1μm，圓柱度3μm。在上述高精度數(shù)控磨床的配置基礎(chǔ)上，增加圖1中微進(jìn)給工作臺III和檢測系統(tǒng)II中的位置傳感器，可以使砂輪架的最小設(shè)定單位是0.1μm，并通過增加集成接口系統(tǒng)IV，先后協(xié)調(diào)和驅(qū)動兩級進(jìn)給機構(gòu)的粗精進(jìn)給，完成工件的精密磨削和精細(xì)磨削。在尺寸測量儀的配合下，可使工件加工精度及一批工件的尺寸一致性提高1倍或1倍以上。
實施例2參見圖4、6，高精度磨床MG1320E砂輪架的最小設(shè)定單位是1μm，采用定程磨削，可以獲得使被加工工件的直徑一致性為10μm。增加圖4檢測系統(tǒng)II中的尺寸測量儀，可以使被加工工件的直徑一致性為4μm。在上述高精度磨床的配置基礎(chǔ)上，增加圖4中微進(jìn)給工作臺III和檢測系統(tǒng)II中的位置傳感器，可以使砂輪架的最小設(shè)定單位是0.1μm，并通過圖4中的人機操作面板IV，人工協(xié)調(diào)和驅(qū)動兩級進(jìn)給機構(gòu)的粗精進(jìn)給，完成工件的精密磨削和精細(xì)磨削，其控制方法及其工作流程圖如圖6。在尺寸測量儀的配合下，可使工件加工精度及一批工件的尺寸一致性提高1倍或1倍以上。
實施例3參見圖5、7，普通磨床M14320砂輪架的最小設(shè)定單位是5μm。在上述普通磨床的基礎(chǔ)上，增加圖5中的微進(jìn)給工作臺II，并采用開環(huán)控制，可以使砂輪架的最小設(shè)定單位是0.5μm，并通過人機操作面板III，人工協(xié)調(diào)和驅(qū)動兩級進(jìn)給機構(gòu)的粗精進(jìn)給，完成工件的精密磨削和精細(xì)磨削，其控制方法及其工作流程圖參見圖7。
通過微進(jìn)給工作臺使超精密磨床以0.1μm的最小進(jìn)給量進(jìn)行光學(xué)玻璃、陶瓷等脆硬材料的高精度磨削，使光學(xué)玻璃達(dá)到鏡面磨削精度和表面粗糙度，使陶瓷薄壁工件磨削后表面不產(chǎn)生微細(xì)裂紋等。超精密磨床以普通精密數(shù)控磨床為基礎(chǔ)，增加的微進(jìn)給工作臺具有體積小、可靈活配置等優(yōu)點，增加的微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)和集成接口系統(tǒng)，使磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)的相應(yīng)脈沖信號實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺、尺寸測量儀的通訊、基本工藝操作的協(xié)同與集成控制，使微進(jìn)給工作臺和尺寸測量儀的選用、控制與機床數(shù)控系統(tǒng)的品牌、種類和型號等無關(guān)。充分借鑒和利用了現(xiàn)有成熟精密磨床的技術(shù)優(yōu)勢，使超精密磨床的研發(fā)成功率提高、周期縮短和開銷降低。
權(quán)利要求
1.具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床，其特征在于，它包括普通精密數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、檢測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)；所述的微進(jìn)給工作臺包括柔性鉸鏈機構(gòu)、壓電驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)；所述的檢測系統(tǒng)包括位置傳感器、尺寸測量儀；其中，位置傳感器用于監(jiān)測基于微進(jìn)給工作臺的砂輪架部件二次進(jìn)給實際工作位置，以作為微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)的控制依據(jù)；尺寸測量儀用于檢測磨削過程中工件已磨削表面的實際尺寸，以作為控制磨削過程及其相關(guān)工藝參數(shù)的依據(jù)；所述的集成接口系統(tǒng)，用于傳遞數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、尺寸測量儀的相關(guān)脈沖信號，以實現(xiàn)超精密數(shù)控磨床基本工藝操作的協(xié)同與集成控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床，其特征在于，所述的微進(jìn)給工作臺與普通精密數(shù)控磨床的橫拖板剛性連接，微進(jìn)給工作臺中的柔性鉸鏈機構(gòu)在壓電陶瓷驅(qū)動器的作用下，通過形變實現(xiàn)砂輪架部件的超精密進(jìn)給要求；砂輪架部件通過普通磨床上的導(dǎo)軌與橫拖板相互連接，并在普通磨床的拉簧作用下，始終保持與微進(jìn)給工作臺的緊密接觸。
3.一種具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床的控制方法，其特征在于，它是在普通磨床數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)獨立于普通磨床數(shù)控系統(tǒng)的微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)，使普通磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)傳遞相關(guān)脈沖信號，從而實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺的通訊、基本工藝操作的協(xié)同與集成控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床的控制方法，其特征在于，所述的微進(jìn)給工作臺包括控制子系統(tǒng)，該控制子系統(tǒng)包括微進(jìn)給驅(qū)動部分、微進(jìn)給檢測部分；所述的微進(jìn)給驅(qū)動部分包括驅(qū)動電源、人機接口、微進(jìn)給位移—電壓數(shù)據(jù)構(gòu)造、驅(qū)動四個模塊，以實現(xiàn)微進(jìn)給工作臺的數(shù)據(jù)輸入和顯示、包括十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十六進(jìn)制數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動電壓的放大；所述的微進(jìn)給檢測部分包括傳感器、電壓—位移數(shù)據(jù)構(gòu)造、檢測三個模塊，以實現(xiàn)微進(jìn)給工作臺的位移檢測和數(shù)據(jù)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有兩級進(jìn)給機構(gòu)的超精密數(shù)控磨床，包括精密數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、檢測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)；微進(jìn)給工作臺包括壓電驅(qū)動器、柔性鉸鏈機構(gòu)及其控制系統(tǒng)；檢測系統(tǒng)包括位置傳感器、尺寸測量儀；集成接口系統(tǒng)，用于傳遞數(shù)控磨床、微進(jìn)給工作臺、尺寸測量儀的相關(guān)脈沖信號，以實現(xiàn)超精密數(shù)控磨床基本工藝操作的協(xié)同與集成控制。還涉及該磨床的控制方法，在磨床數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)微進(jìn)給工作臺控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、集成接口系統(tǒng)，使磨床數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序、集成接口系統(tǒng)傳遞相關(guān)脈沖信號，實現(xiàn)與微進(jìn)給工作臺的通訊、基本工藝操作協(xié)同與控制。由此完成高精度零件如光學(xué)玻璃、陶瓷等脆硬材料的粗－半精－精－精細(xì)磨削。
文檔編號B24B47/20GK1986156SQ20061014756
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者李蓓智, 楊建國, 陳偉, 潘阿毛, 閆如忠, 周復(fù) 申請人:東華大學(xué), 上海第三機床廠