專利名稱：基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于現(xiàn)代光學加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于計算機控制(CNC)的銑磨 拋光裝置，特別是針對大口徑非球面及平面、球面以及復雜結(jié)構(gòu)光學零部件的銑磨拋光裝置。
背景技術(shù)：
計算機控制光學表面成型(CC0S)技術(shù)包括粗加工階段的銑磨，精加工階段的拋 光。該技術(shù)興起于20世紀70年代，得益于計算機技術(shù)以及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已被光 學加工界廣泛采用。計算機控制光學表面成型技術(shù)的特點有加工過程完全由計算機控制，人為影響 因素低或不存在，加工過程易控制，加工效率高，可靠性好、形貌精度容易控制；可加工面型 范圍廣，能加工包括平面、球面、旋轉(zhuǎn)對稱非球面、離軸非球面，自由面等各種復雜面型。計算機控制光學表面成型技術(shù)利用計算機控制一個比被加工工件小得多的研磨 頭或拋光頭在工件表面移動，通過控制磨頭與工件間的相對運動速度、接觸面積、壓力以及 磨頭在表面某一區(qū)域的駐留時間，實現(xiàn)對材料去除量的控制，從而達到修正光學元件表面 面型的目的。利用計算機處理數(shù)據(jù)速度快、控制準確、記憶可靠，特定的算法控制可以極大 提高工作效率及加工質(zhì)量，降低對操作人員技術(shù)和經(jīng)驗的依賴性，所以具有廣闊的發(fā)展前 景，并能提高先進光學制造的競爭力。但是，目前基于計算機控制光學表面成型技術(shù)的光學加工設(shè)備基本上依賴進口， 不管是銑磨機還是拋光機動輒上百萬元，甚至上千萬元，價格及其昂貴。本發(fā)明利用成熟的 商用6軸工業(yè)機器人，融合研磨拋光運動機構(gòu)、研磨冷卻液或拋光液循環(huán)控制系統(tǒng)和先進 算法來構(gòu)造高性價比的CC0S系統(tǒng)，提供一種全新的光學零件磨削拋光設(shè)備，同時在保證同 等性能前提下至少節(jié)省一半費用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服目前CC0S設(shè)備存在的靈活性不夠、空間受限、算法不先進和 價格偏高等缺點，提供一種全新的光學零件銑磨拋光裝置。該裝置與目前商用CC0S機床相比，最大的優(yōu)點就是造價低，且加工口徑大，可加 工面型廣，更換磨頭即可實現(xiàn)磨削和拋光兩種功能。具有通用性廣，加工效率高，易于控制 和操作，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)多種面型的確定性磨削和拋光加工等特點。本發(fā)明提供的銑磨拋光裝置，由成熟的商用工業(yè)機器人1 (如ABB，F(xiàn)ANUC, Motoman, KUKA等公司產(chǎn)品)及其控制模塊、驅(qū)動模塊、人機交互界面、工作組件4、拋光冷卻 液循環(huán)控制系統(tǒng)(包括儲存裝置9、攪拌裝置8、溫度控制裝置7、輸送泵6和回流泵10)，以 及吸盤夾具11構(gòu)成。其組成結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示。其中，控制模塊和驅(qū)動模塊控制并驅(qū)動 商用工業(yè)機器人1的空間移動與空間定位，從而控制工作組件即磨削/拋光模塊4的工作 狀態(tài)；控制模塊和驅(qū)動模塊也控制人機交互界面，同時控制拋光液冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)的儲存裝置9、攪拌裝置8、溫度控制裝置7和輸送泵6和回流泵10 ；吸盤夾具11用于夾持加 工工件。 本發(fā)明提供的銑磨拋光裝置，其機械連接關(guān)系如圖2所示。圖中表示了機器人系 統(tǒng)與工作組件以及冷卻/拋光液循環(huán)控制系統(tǒng)的連接關(guān)系。工作組件4通過法蘭盤3安裝 于機器人1的“手腕”上；工作組件4的下方為工具頭13，工具頭13 (銑磨頭或拋光頭)在 工作組件4的控制下進行磨削或拋光的動作；在法蘭盤3與機器人的“手腕”之間還裝有力 傳感器2，用以監(jiān)測與控制工作組件4的工具頭13作用于加工工件12的磨削或拋光力的大圖3表示的是拋光冷卻液(液體)循環(huán)控制系統(tǒng)的組成示意圖。拋光冷卻液循環(huán) 控制系統(tǒng)包括儲存裝置9、攪拌裝置8、溫度控制裝置7和輸送泵6和回流泵10 ；儲存裝置9 為箱體結(jié)構(gòu)，用于儲存液體(即拋光冷卻液)，其箱蓋上安裝有輸送泵6、溫度控制裝置7、攪 拌裝置8和回流泵10 ；輸送泵6通過管道5將液體從儲存裝置9輸送至工作區(qū)域(即工件 加工處);溫度控制裝置7采用一溫度傳感器，其與控制模塊相連，用于探測并控制液體的溫 度，即溫度傳感器將液體的實時溫度傳遞至控制模塊，當液體溫度高于設(shè)定溫度時進行制 冷，反之則加熱；攪拌裝置8用來攪拌液體，防止加工介質(zhì)的沉積，保持液體濃度的均勻；回 流泵10用來將工作區(qū)域多余的液體回吸至液體儲存裝置9中。本發(fā)明中，工業(yè)機器人1可以實現(xiàn)6軸聯(lián)動(立臂回轉(zhuǎn)、立臂擺動、橫臂轉(zhuǎn)動、橫臂 擺動、腕轉(zhuǎn)動、腕擺動)，通過機器人系統(tǒng)的驅(qū)動模塊，并配合以控制軟件，使其更符合光學 精密加工的需要。即可以通過力傳感器2和控制軟件精確地控制銑磨頭或拋光頭在空間的 位置、與工件的接觸面積、在工作點的駐留時間及進給運動方式(擺動+旋轉(zhuǎn)+螺旋形或柵 格型拋光軌跡設(shè)計)。根據(jù)不同的工件或不同的要求，使用不同的工作組件(銑磨/拋光模 塊)，通過法蘭盤3連接在機器人“手腕”上。工作組件通過行星運動結(jié)構(gòu)進行自轉(zhuǎn)動和平 擺動運動，進行磨削或拋光動作，且轉(zhuǎn)速和平擺動幅度均可調(diào)。工具頭13以特定算法控制 的去除函數(shù)在被加工工件表面運動，被加工工件12表面各點的材料去除量由工具頭13在 該點的駐留時間控制。工具頭13施加給工件12的工作壓力由力傳感器2監(jiān)控和調(diào)整，以 保證工件12的安全和工作壓力的恒定。從而保證在加工過程中去除率的穩(wěn)定，確保加工過 程的穩(wěn)定進行。拋光冷卻液通過液體輸送管5輸送至工作區(qū)域，多余的液體經(jīng)過回流泵10 回收至液體儲存箱9中。以下是本發(fā)明的材料去除理論依據(jù) 1.銑磨。a.對于平面和球面
加工平面或者球面時，依據(jù)范成法原理，即一個半徑為r的圓環(huán)，相對于一個點運動 時，圓環(huán)上所有點的軌跡包絡面是一個球面，其球面曲率半徑是圓環(huán)上任意一點到固定點 的距離。固定點為所加工球面的圓心，對于平面工件認為其圓心在無窮遠處。當圓環(huán)半徑r 不變時，改變圓環(huán)任意一點到固定點的距離，軌跡包絡球面的曲率半徑就會隨之變化，形成 不同曲率半徑的球面。b.對于非球面和自由面
金剛石筒形磨輪在銑磨對稱非球面工件時依據(jù)這樣的原理金剛石磨輪與被加工工件 以點接觸方式接觸，該點在空間的運動軌跡為該對稱非球面的子午面輪廓。同時被加工工
5件繞對稱軸作旋轉(zhuǎn)運動，得到的面即為所要求的對稱非球面。金剛石磨輪在加工自由曲面 工件時依據(jù)這樣的原理金剛石磨輪與被加工工件以點接觸方式接觸，工件保持不動，金剛 石磨輪與被加工工件的接觸點在空間的運動軌跡為光柵式運動，運動路徑所形成的包絡面 為被加工工件的面型。加工其它形狀或復雜表面時可以依照普通銑床的工作方式進行，根據(jù)需要更換不 同的銑磨工具。2.拋光。CC0S技術(shù)的理論基礎(chǔ)是基于普林斯頓(Preston)假設(shè)和線性理論推導，根據(jù) Preston假設(shè)，小的磨頭工具在某點(x，y)的材料去除函數(shù)可用如下公式表示
權(quán)利要求
一種基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置，其特征在于由工業(yè)機器人、控制模塊、驅(qū)動模塊、人機交互界面、工作組件、拋光冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)，以及吸盤夾具構(gòu)成；其中，拋光冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)包括儲存裝置、攪拌裝置、溫度控制裝置、輸送泵和回流泵；控制模塊和驅(qū)動模塊控制并驅(qū)動工業(yè)機器人的空間移動與空間定位，從而控制工作組件即磨削/拋光模塊的工作狀態(tài)；控制模塊和驅(qū)動模塊也控制人機交互界面，同時控制拋光液冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)的儲存裝置、攪拌裝置、溫度控制裝置和輸送泵和回流泵；吸盤夾具用于夾持加工工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置，其特征在于所述的工作 組件通過法蘭盤安裝于機器人的“手腕”上；工作組件的下方設(shè)置工具頭，工具頭在工作組 件的控制下進行磨削或拋光的動作；在法蘭盤與機器人的“手腕”之間還裝有力傳感器，用 以監(jiān)測與控制工作組件的工具頭作用于加工工件的磨削或拋光力的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置，其特征在于所述 的儲存裝置為箱體結(jié)構(gòu)，用于儲存液體即拋光冷卻液，其箱蓋上安裝有輸送泵、溫度控制裝 置、攪拌裝置和回流泵；輸送泵通過管道將液體從儲存裝置輸送至工作區(qū)域即工件加工處； 溫度控制裝置采用一溫度傳感器，其與控制模塊相連，用于探測并控制液體的溫度，即溫度 傳感器將液體的實時溫度傳遞至控制模塊，當液體溫度高于設(shè)定溫度時進行制冷，反之則 加熱；攪拌裝置用來攪拌液體，防止加工介質(zhì)的沉積，保持液體濃度的均勻；回流泵用來將 工作區(qū)域多余的液體回吸至液體儲存裝置中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置，其特征在于所述的 工具頭以特定算法控制的去除函數(shù)在被加工工件表面運動，被加工工件表面各點的材料去 除量由工具頭在該點的駐留時間控制；根據(jù)Preston假設(shè)，小的磨頭工具在某點(x，y)的材料去除函數(shù)用如下公式表示式中，R(x,y)是根據(jù)Preston假設(shè)推導出的運動特征去除函數(shù)；力是駐留時間其中R{x,y)為該點的材料去除率，P(K,y)為該點的壓強，V(x,y)為在該點工件與磨頭 的相對運動速度，k是工藝因子；在時間t內(nèi)，點(X，y)上的材料去除量&(U)的數(shù)學模型為
全文摘要
本發(fā)明屬于現(xiàn)代光學加工技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于智能數(shù)控平臺的銑磨拋光裝置。該裝置由工業(yè)機器人及其控制模塊、驅(qū)動模塊、人機交互界面、工作組件、拋光冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)以及吸盤夾具構(gòu)成。其中，控制模塊和驅(qū)動模塊控制并驅(qū)動工業(yè)機器人的空間移動與空間定位，從而控制工作組件即磨削/拋光模塊的工作狀態(tài)；控制模塊也控制人機交互界面，同時控制拋光液冷卻液循環(huán)控制系統(tǒng)的攪拌裝置、溫度控制裝置和輸送裝置；吸盤夾具用于夾持加工工件。本發(fā)明造價低，且加工口徑大，可加工面型廣，更換磨頭即可實現(xiàn)磨削和拋光兩種功能。
文檔編號B24B13/00GK101983838SQ20101050639
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者徐敏, 王偉 申請人:復旦大學;上?，F(xiàn)代先進超精密制造中心有限公司