CN101655356B - 用于非球面光学元件面形检测的分度装置 - Google Patents

用于非球面光学元件面形检测的分度装置 Download PDF

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用于非球面光学元件面形检测的分度装置，涉及一种精确控制旋转角位移的分度装置。提供一种可以实时反馈、补偿运动量，实现精确控制角位移的用于非球面光学元件面形检测的分度装置。包括控制***和分度装置两部分，控制***设有工控机、接口电路板、伺服放大器、伺服电机、角度编码器和编码器数显表。分度装置设有底座、上轴承座、主轴、电机座、深沟球轴承、主轴同步带轮、电机同步带轮、同步带、旋转盘和夹具。

Description

用于非球面光学元件面形检测的分度装置
技术领域
本发明涉及一种精确控制旋转角位移的分度装置，尤其是涉及一种用于非球面光学元件面形检测的分度装置。
背景技术
精密和超精密加工的发展，直接影响了尖端技术和国防工业的发展。世界各国投入了大量人力和物力，对精密和超精密技术进行开发研究(参见文献：袁国俊.国内外精密加工技术最新进展；工具技术，2008，42(10)：5-13)。近几年中，国内外发展了很多精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工技术和精密测量技术。多轴多自由度的精密加工和检测设备也应运而生，而在精密和超精密加工与检测设备中，回转轴的精度也随着制造精度的要求在不断地提高。传统的数控回转机构一般采用蜗轮蜗杆机构或线啮合的弧面凸轮机构作为驱动装置，缺少反馈补偿，定位精度越来越不能满足精密和超精密加工的要求。
随着精密和超精密加工与检测技术的发展，光栅尺作为精密测量的一种工具，已在精密仪器、坐标测量、精密定位和高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅尺是指将光源、两块光栅(指示光栅和标尺光栅)和光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器。光栅尺可分为直光栅和圆光栅。光栅尺具有高灵敏度、高分辨率、抗腐蚀、抗电磁干扰、稳定性好和可靠性高等优点，它的广泛应用大大提高了控制、定位精度。
陕西科技大学在公开号为CN 1907645A的发明专利申请中提供了一种卧式薄型点啮合弧面凸轮机构数控回转台，包括底座以及带有轴承的转位轴，转位轴通过轴承设置在底座上，在底座上还设置有与转位轴相连接的转位盘，转位盘的外侧设置有球锥滚子，该球锥滚子与设置在底座内的弧面凸轮相啮合。该发明采用可控点啮合接触，球锥滚子廓面与弧面凸轮廓面在无侧隙传动时，可以提高机构对位置误差和形状误差的适应能力。点啮合球锥滚子弧面凸轮机构容易实现高速和高精度要求，使用寿命长、定位精度高，制造工艺简单，并且对加工和装配精度要求相对较低，转位精确、不受滚子数量的限制，可预紧，消除间隙方便，承载能力高，温升低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的数控回转台控制精度、定位精度不高，缺少信息反馈，无误差补偿等问题，提供一种可以实时反馈、补偿运动量，实现精确控制角位移的用于非球面光学元件面形检测的分度装置。
本发明的技术方案是将伺服电机和角度编码器联合运用于分度装置，通过伺服电机驱动角度编码器，由角度编码器实时采集、反馈、补偿角位移。
本发明包括控制***和分度装置两部分。
控制***设有工控机、接口电路板、伺服放大器、伺服电机、角度编码器和编码器数显表，工控机的运动控制器安装于IPC的PCI插槽中并经接口电路板与伺服放大器的输入端相连，伺服放大器的输出端接伺服电机，由伺服电机驱动用于产生角度移信号的角度编码器，角度编码器的数据输出端与编码器数显表输入端相连，编码器数显表输出端接入工控机的RS-232-C接口，整个控制***形成了一个闭环反馈***。
分度装置设有底座、上轴承座、主轴、电机座、深沟球轴承、主轴同步带轮、电机同步带轮、同步带、旋转盘和夹具，控制***的角度编码器装在底座上，主轴固定在角度编码器的空心轴上后，主轴***深沟球轴承内孔；深沟球轴承配接在上轴承座，再将上轴承座与底座装成一体，伺服电机装在电机座上，电机同步带轮装在伺服电机的转轴上，电机同步带轮通过同步带与主轴上的主轴同步带轮相连，并带动主轴运动，实现角度编码器中圆光栅的相对转动。旋转盘安装在主轴上，由主轴带动旋转，旋转盘上装有用于固定待加工和检测的工件的夹具。
所述角度编码器的测量基准是圆光栅尺，采用光电扫描原理。对光栅尺的光电扫描是非接触的，无摩擦。设定角度编码器的角度输出范围为0°～360°，定位精度可以达到秒弧级。角度编码器带有内置轴承，***的精度为±1”。测量时，主轴可直接与角度编码器的轴相连。角位移值直接输入编码器数显表，在编码器数显表上直接显示，并输入工控机。编码器数显表的分辨率可以达到0.0001°。
所述主轴固定在角度编码器的空心轴上，最好是主轴通过螺钉固定在角度编码器的空心轴上。
控制时，用户通过界面向工控机输入控制参数和目标位置等信息，编写指令程序，向伺服电机发出控制脉冲驱动伺服电机运动，带动主轴和角度编码器的空心轴一起运动，角度编码器产生角位移信号，输出到编码器数显表，角位移信号在编码器数显表显示的同时，被输送给工控机。实际角位移与目标角位移进行不断比较和补偿，直到达到设定精度。
角度编码器的驱动方式为伺服电机驱动带轮结构方式，带轮为同步带轮结构。
旋转盘采用花岗石材料，具有变形小、稳定性好、强度大、硬度高等优点，能在重负荷及一般温度下保持高精度。
所述夹具设两块，用于固定待加工和检测的工件，单块夹具的夹持部分具有120°夹角，两块夹具的间距可调。夹具能够夹持各种形状、大小不同的工件。
本发明通过圆光栅进行角位移的测量，精度高，结构较小，适用于小型工件的加工与检测；整个结构和控制***简单便捷，相对独立，可与其他的设备配套使用，应用广泛，具有很高的可行性。
附图说明
图1为本发明实施例的控制***的结构组成框图。
图2为本发明实施例的分度装置的结构组成示意图。
图3为本发明实施例的结构俯视图。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的实施例基本包括控制***和分度装置两部分。
参见图1，控制***设有工控机A1、接口电路板A2、伺服放大器A3、伺服电机A4、角度编码器A5和编码器数显表A6。工控机A1的运动控制器安装于IPC的PCI插槽中，经接口电路板A2与伺服放大器A3的输入端相连，伺服放大器A3的输出端接伺服电机A4，由伺服电机A4驱动角度编码器A5，角度编码器A5的数据输出端与编码器数显表A6输入端相连，编码器数显表A6输出端接入工控机A1的RS-232-C接口。整个控制***形成了一个闭环反馈***。
参见图2和3，分度装置设有底座1、上轴承座2、主轴3、深沟球轴承4、主轴同步带轮5、电机座6、电机同步带轮7、同步带8、旋转盘9和夹具10。角度编码器A5装在底座1上，主轴3通过螺钉固定在角度编码器A5的空心轴上后，主轴***深沟球轴承4的内孔，另外，深沟球轴承4配合在上轴承座2，再将上轴承座2与底座1装成一体，把角度编码器A5包容于内部形成保护，以免其受到破坏。伺服电机A4与主轴3的传动关系如下：伺服电机A4装在电机座6上，伺服电机A4的转轴上装有电机同步带轮7，电机同步带轮7通过同步带8与主轴3上的主轴同步带轮5相连，并带动主轴3运动，实现角度编码器A5中圆光栅的相对转动。旋转盘9安装在主轴3上，由主轴3带动旋转，旋转盘9上装有两块夹具0用于固定工件。
控制时，用户通过界面向工控机A1输入控制参数和目标角位移等信息，编写指令程序，向伺服电机A4发出控制脉冲驱动伺服电机A4运动，带动主轴3和角度编码器A5的空心轴一起运动，角度编码器A5产生角位移信号，输出到编码器数显表A6，角位移在编码器数显表A6显示的同时，被输送给工控机A1。实际角位移与目标角位移进行不断比较，直到达到设定精度。
在本实施例中，角度编码器中采用圆光栅尺，刻线数为36000，***的精度为±1”。角度编码器带有内置轴承、内置定子联轴器和空心轴。设定角度编码器的角度输出范围为0°～360°，定位精度可以达到秒弧级。测量时，主轴可直接与角度编码器的轴相连。角位移值直接输入编码器数显表，在编码器数显表上直接显示，并输入工控机。编码器数显表的分辨率可以达到0.0001°。角度编码器可采用海德汉编码器。
角度编码器的驱动方式为伺服电机驱动带轮结构方式，带轮为T型齿同步带轮结构。
本发明实施例中，伺服电机采用富士电机有限公司出产的伺服电机。

Claims (5)

1.用于非球面光学元件面形检测的分度装置，其特征在于包括控制***和分度装置两部分；
控制***设有工控机、接口电路板、伺服放大器、伺服电机、角度编码器和编码器数显表，工控机的运动控制器安装于IPC的PCI插槽中并经接口电路板与伺服放大器的输入端相连，伺服放大器的输出端接伺服电机，由伺服电机驱动用于产生角度移信号的角度编码器，角度编码器的数据输出端与编码器数显表输入端相连，编码器数显表输出端接入工控机的RS-232-C接口；
分度装置设有底座、上轴承座、主轴、电机座、深沟球轴承、主轴同步带轮、电机同步带轮、同步带、旋转盘和两块夹具，控制***的角度编码器装在底座上，主轴固定在角度编码器的空心轴上后，主轴***深沟球轴承内孔；深沟球轴承配接在上轴承座，再将上轴承座与底座装成一体，伺服电机装在电机座上，电机同步带轮装在伺服电机的转轴上，电机同步带轮通过同步带与主轴上的主轴同步带轮相连，并带动主轴运动，旋转盘安装在主轴上，由主轴带动旋转，两块夹具装在旋转盘上；
所述角度编码器为圆光栅尺角度编码器。
2.如权利要求1所述的用于非球面光学元件面形检测的分度装置，其特征在于所述角度编码器的角度输出范围为0°～360°。
3.如权利要求1或2所述的用于非球面光学元件面形检测的分度装置，其特征在于所述角度编码器带有内置轴承。
4.如权利要求1所述的用于非球面光学元件面形检测的分度装置，其特征在于所述主轴通过螺钉固定在角度编码器的空心轴上。
5.如权利要求1所述的用于非球面光学元件面形检测的分度装置，其特征在于所述两块夹具中的单块夹具的夹持部分具有120°夹角。
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