CN102922388B - 大口径复杂光学镜面精密研抛机器人*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径复杂光学镜面主动柔顺精密研抛机器人***，包括：光学镜面研抛机器人模块、传感器模块、信号处理计算机模块和主动柔顺控制模块，所述研抛机器人集成研抛加工部件，主动柔顺控制模块控制研抛盘转速和研抛机器人轨迹。信号处理计算机模块的误差曲面自适应轨迹规划模块使去除曲面与误差曲面尽可能逼近，有效提高收敛速度。本发明具有高集成度以及高收敛速度的优点。

Description

大口径复杂光学镜面精密研抛机器人***

技术领域

本发明涉及一种超精密加工领域的装置，具体涉及一种适用于大口径复杂光学镜面等硬脆难加工材料的精密研抛机器人***。

背景技术

近年来，大口径复杂光学镜面在高分辨率对地观测卫星的光学相机、对天观测卫星、深空科学探测等领域的应用越来越广泛，但由于镜面材料的硬脆特性，其加工精度高、难度大、周期长，严重影响其应用。在光学镜面加工工序中，研抛(研磨、抛光)是衔接磨削以及后续磁流变等的重要工序，其加工效率和质量极大地影响镜面加工的质量和效率。

不同于传统工业中的研抛加工，光学镜面精密研抛是定量研抛，对表面质量中的表面面形和粗糙度以及亚表面损伤深度要求极高。

在大口径复杂光学镜面加工设备的设计中，一方面应考虑机床结构随着镜面口径增大的复杂性，机床跨度的增大降低了结构的刚性，增加了占地和成本。另一方面应充分考虑镜面的收敛效率，提高后续工序的加工效率。现有的针对复杂光学镜面的精密研抛机床采用五轴加工方式，机床结构复杂，价格昂贵，并且结构刚度随着镜面口径的增大而减小；机床结构的固定性，双转子或平转动的研抛运动形式在加工过程中并不能调节，形成了固定的去除函数，这种双转子或平转动的研抛运动形式所对应的去除函数的收敛效率不高，导致最终镜面的粗糙度较大，需要后续加工工序的长时间去除，极大影响了加工效率；此外，现有的研抛机床对研抛加工状况不具有实时检测的能力，无法对研抛加工进行实时控制。

经对现有技术文献的检索发现，申请号为200610151060.9的中国专利公开了一种五轴联动并串联数控抛光机床，由四个并联的伸缩连杆带动运动平台的运动，通过运动平台上的砂轮对工件进行加工，但砂轮加工方式并不适合光学镜面等硬脆材料的研抛加工。

申请号为91216385.2的中国专利公开了一种镜面抛光机床，对聚晶金刚石等陶瓷进行表面光整加工，但只能对平面结构的光学镜面进行加工，无法实现对复杂面形镜面的加工。

申请号为200810051133.6的中国专利公开了一种用于光学元件数控抛光机床，由底座***、立柱***和横梁***组成，底座***包括底座、X轴进给***、A轴翻转进给***、C轴回转进给***；横梁***包括横梁、Y轴进给***、Z轴进给***、动力行星抛光头、抛光模，实现中大口径非球面光学元件的数控抛光。机床通过调节螺杆调整抛光模的位置获得不同公转半径，以适应不同工件的抛光要求，但这种固定的结构形式，使得在加工过程中去除函数始终是固定的，这种双转子形式对应的去除函数的收敛效率不高。

申请号为201010506393.5的中国专利公开了一种基于智能数控平台的铣磨抛光装置，包括工业机器人及其控制模块、驱动模块、人机交互界面、工作组件等。该发明克服了传统复杂光学镜面的研抛精密机床占地面积大、不灵活的缺点，但是其末端的旋转速度不满足研抛加工中研抛盘每秒两转以上转速的要求，需要额外的工作组件，集成度低，效率差，驱动模块无法实现对机器人轨迹和工作组件的集成控制，需要通过工业机器人的驱动***实现对机器人轨迹的控制，且需要根据不同品牌型号的工业机器人和工作组件调整控制模块。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高集成度、高效率及高收敛速度的复杂光学镜面研抛***。

为实现上述目的，本发明提供了一种大口径复杂光学镜面精密研抛机器人***，包括：

研抛机器人，该研抛机器人包括：底座、回转台、大臂、上关节、小臂、手腕、第一至第三RV(RotateVector)减速器、第一至第三谐波减速器、第一至第四轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一至第三同步带轮组、手腕轴、小臂输入轴、弹簧、销、研抛旋转轴、研抛外筒、研抛盘、第一至第六伺服电机，其中，所述回转台与所述底座通过所述第一RV减速器连接，所述第一伺服电机与所述第一RV减速器连接，所述回转台与所述大臂通过所述第二RV减速器连接，所述第二伺服电机与所述第二RV减速器连接，所述大臂与所述上关节通过所述第三RV减速器连接，所述第三伺服电机与所述第三RV减速器连接，所述上关节与所述第四伺服电机相连，通过所述第一同步带轮组与所述第一谐波减速器连接，所述第一谐波减速器与所述小臂输入轴连接，所述小臂与所述第五伺服电机相连，通过所述第二同步带轮组与所述第二谐波减速器连接，所述第二谐波减速器与所述手腕轴连接，所述手腕轴通过所述第一、第二轴承安装在所述手腕上，所述小臂与所述第六伺服电机相连，通过所述第三同步带轮组与所述第一锥齿轮连接，所述第一锥齿轮通过所述第三轴承安装在所述手腕上并与所述第二锥齿轮连接，所述第二锥齿轮与所述研抛输入轴连接，所述研抛输入轴通过所述第四轴承安装在所述手腕上，所述研抛输入轴与所述第三谐波减速器连接，所述第三谐波减速器与所述研抛旋转轴连接，所述研抛旋转轴与所述研抛外筒配合，通过所述弹簧和销限制所述研抛外筒的运动，所述研抛外筒与所述研抛盘铰连接。

较佳地，六维力传感器及压力传感器通过数据采集卡连接至所述信号处理计算机模块。信号处理计算机模块中的误差曲面自适应轨迹规划模块根据被加工光学工件的面形检测结果与目标面形模型比较得到的误差曲面的几何特性，进行误差曲面自适应轨迹规划。通过比较不同去除函数，从而选择优化的形状和直径的研抛盘及去除函数，并得到相应的加工轨迹，驻留时间与误差预测。

多个本发明的研抛机器人在加工区域内放置，可以实现大口径镜面的加工，并且可以通过改变机器人数量快速适应不同口径镜面的加工，成本低，占地面积小。

本发明的研抛机器人的研抛轨迹规划集成在控制机构中，可以直接根据规划研抛机器人轨迹和研抛末端转速，无需根据机器人以及加工组件的变化而改动控制***，因此本发明的研抛机器人集成度高。传统研抛机床由于机床机构约束采用双转子或平转动的运动方式，其所对应的去除函数存在突变的尖峰，因此收敛效率不高，而本发明的研抛机器人轨迹自由度高，可以实现偏心率变化的轨迹，传统研抛采用扫描线或纬线的轨迹，对于复杂误差曲面去除的效率不高，本发明的误差曲面自适应轨迹规划模块根据误差曲面的几何特性规划研抛机器人的研抛轨迹，分别得到加工轨迹，驻留时间，去除函数和误差预测，使得加工曲面接近目标曲面，提高了加工效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以使本领域的技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人侧视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人手腕示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人手腕侧视图；

图6是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人末端示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的研抛机器人***结构框图；

图8是本发明的研抛机器人***误差曲面自适应轨迹规划结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括研抛机器人1。

如图2至图6所示，研抛机器人包括：底座2、回转台3、大臂4、上关节5、小臂6、手腕7、第一至第三RV减速器8～10、第一至第三谐波减速器11～13、第一至第四轴承14～17、第一锥齿轮18、第二锥齿轮19、第一至第三同步带轮组20～22、手腕轴23、小臂输入轴24、研抛输入轴25、第一至第六伺服电机26～31、研抛旋转轴32、研抛外筒33、研抛盘34、弹簧35、销36，其中，回转台2与底座3通过第一RV减速器8连接，第一伺服电机26与第一RV减速器8连接，回转台3与大臂4通过第二RV减速器9连接，第二伺服电机27与第二RV减速器9连接，大臂4与上关节5通过第三RV减速器10连接，第三伺服电机28与第三RV减速器10连接，上关节5与第四伺服电机29相连，通过第一同步带轮组20与第一谐波减速器11连接，第一谐波减速器11与小臂输入轴24连接，小臂6与第五伺服电机30相连，通过第二同步带轮组21与第二谐波减速器12连接，第二谐波减速器12与手腕轴23连接，手腕轴23通过第一轴承14与第二轴承15安装在手腕7上，小臂6与第六伺服电机31相连，通过第三同步带轮组22与第一锥齿轮18连接，第一锥齿轮18通过第三轴承16安装在手腕7上并与第二锥齿轮19连接，第二锥齿轮19与研抛输入轴25连接，研抛输入轴25通过第四轴承17安装在手腕7上，研抛输入轴25与第三谐波减速器13连接，第三谐波减速器13与研抛旋转轴32连接，研抛旋转轴32与研抛外筒33配合，通过弹簧35和销36限制研抛外筒33的运动，研抛外筒33与研抛盘34铰连接。

研抛机器人1工作时，第一伺服电机26通过第一RV减速器8驱动回转台3转动，第二伺服电机27通过第二RV减速器9驱动大臂4前后摆动，第三伺服电机28通过第三RV减速器10驱动上关节5转动，第四伺服电机29通过第一同步带轮组20连接第一谐波减速器11带动小臂输入轴24进而驱动小臂6旋转，第五伺服电机30通过第二同步带轮组21连接第二谐波减速器12带动手腕7转动，第六伺服电机31通过第三同步带轮组22连接第一锥齿轮18，带动第二锥齿轮组19与研抛输入轴25旋转，通过第三谐波减速器13驱动研抛旋转轴22旋转，研抛旋转轴22通过销36带动研抛盘34旋转，并由弹簧35提供研抛压力。

如图7和图8，六维力传感器及压力传感器通过数据采集卡连接至所述信号处理计算机模块。信号处理计算机模块中的误差曲面自适应轨迹规划模块根据被加工光学工件的面形检测结果与目标面形模型比较得到的误差曲面的几何特性，进行误差曲面自适应轨迹规划。通过比较不同去除函数，从而选择优化的形状和直径的研抛盘及去除函数，并得到相应的加工轨迹，驻留时间与误差预测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大口径复杂光学镜面主动柔顺精密研抛机器人***，包括：光学镜面研抛机器人模块、传感器模块、信号处理计算机模块和主动柔顺控制模块，其特征在于：

所述光学镜面研抛机器人模块包括：底座、回转台、大臂、上关节、小臂、手腕、第一至第三RV减速器、第一至第三谐波减速器、第一至第四轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一至第三同步带轮组、手腕轴、小臂输入轴、弹簧、销、研抛旋转轴、研抛外筒、研抛盘、第一至第六伺服电机；

所述传感器模块包括：六维力传感器和压力传感器；

所述信号处理计算机模块用于信号处理、研抛加工状况分析、和主动柔顺控制反解；所述信号处理计算机模块还包括误差曲面自适应轨迹规划模块，所述误差曲面自适应轨迹规划模块用于根据被加工光学工件的面形检测结果与目标面形模型比较得到的误差曲面的几何特性，进行误差曲面自适应轨迹规划；通过比较不同去除函数，从而选择优化的形状和直径的研抛盘及去除函数，并得到相应的加工轨迹，驻留时间与误差预测；

多个所述研抛机器人被设置在加工区域内，通过改变机器人数量对应不同口径镜面的加工；

所述主动柔顺控制模块用于控制机器人轨迹、研抛盘转速和研抛气压。

2.如权利要求1所述的大口径复杂光学镜面主动柔顺精密研抛机器人***，其特征在于，所述回转台与所述底座通过所述第一RV减速器连接，所述第一伺服电机与所述第一RV减速器连接，所述回转台与所述大臂通过所述第二RV减速器连接，所述第二伺服电机与所述第二RV减速器连接，所述大臂与所述上关节通过所述第三RV减速器连接，所述第三伺服电机与所述第三RV减速器连接，所述上关节与所述第四伺服电机相连，通过所述第一同步带轮组与所述第一谐波减速器连接，所述第一谐波减速器与所述小臂输入轴连接，所述小臂与所述第五伺服电机相连，通过所述第二同步带轮组与所述第二谐波减速器连接，所述第二谐波减速器与所述手腕轴连接，所述手腕轴通过所述第一、第二轴承安装在所述手腕上，所述小臂与所述第六伺服电机相连，通过所述第三同步带轮组与所述第一锥齿轮连接，所述第一锥齿轮通过所述第三轴承安装在所述手腕上并与所述第二锥齿轮连接，所述第二锥齿轮与所述研抛输入轴连接，所述研抛输入轴通过所述第四轴承安装在所述手腕上，所述研抛输入轴与所述第三谐波减速器连接，所述第三谐波减速器与所述研抛旋转轴连接，所述研抛旋转轴与所述研抛外筒配合，通过所述弹簧和销限制所述研抛外筒的运动，所述研抛外筒与所述研抛盘铰连接。

3.如权利要求1所述的大口径复杂光学镜面主动柔顺精密研抛机器人***，其特征在于，所述六维力传感器及压力传感器通过数据采集卡连接至所述信号处理计算机模块。

4.如权利要求1所述的大口径复杂光学镜面主动柔顺精密研抛机器人***，其特征在于，所述的研抛机器人末端轴与研抛旋转轴连接，研抛外筒与研抛旋转轴配合带动研抛盘旋转。