CN105290915A - 一种大口径超精密磨床集成*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大口径超精密磨床集成***,包括Z轴主轴箱和可拆卸地连接到所述Z轴主轴箱上的二维振动辅助激光扫描在位检测***;所述二维振动辅助激光扫描在位检测***包括所述随动导轨和X轴导轨,以及与所述随动导轨匹配连接的随动导轨连接件;所述随动导轨平行于所述X轴导轨,可沿所述X轴导轨方向来回滑动,而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。本发明还包括在位砂轮修整装置,能够实现对弧面砂轮的在位自动化修整。本发明是一种面向大口径光学镜面加工、检测、修整一体化的超精密光学磨床,将非接触式传感器应用到大口径光学镜面磨削机床上,能够极大地提高检测效率和加工效率,最大限度减小被测元件搬运过程中引入的误差。
Description
技术领域
本发明涉及的一种三轴磨床,具体涉及一种大口径超精密磨床集成***,可实现大口径光学镜面的加工、检测、再加工并进行砂轮的在位修整,属于机械加工设备技术领域。
背景技术
随着现代军事和航天航空的快速发展以及先进制造技术的不断突破,越来越多的大型光学镜面得到了应用,精度要求也越来越高,也对机床的性能提出了更高的要求。然而在机床加工大口径光学镜面时,为了提高加工精度,需要不断进行加工-检测-加工。目前大口径超精密光学磨床存在以下问题:1、结构对称性较差,通常采用或部分采用铸铁作为材料,没有完全使用天然花岗岩材料,机床刚性、阻尼和稳定性不能同时保证;2、加工功能单一,加工效率比较低;3、砂轮修整和检测较麻烦,砂轮修整不能进行自动化控制来修整弧面砂轮;面型通常通过离线设备进行检测,然而由于镜面体积重量大,不容易搬动,而且价格昂贵,为保证搬运过程的安全性,搬运时需要耗费大量时间和人力物力,测量完成之后还要再次搬运到加工设备上,又会带来二次安装误差,虽然目前在位测量方法也已经应用于大口径光学镜面加工中,例如在位测头、结构光方法以及干涉方法,然而各种方法都有明显的缺陷,或检测效率低下或精度较低或者经济型较差,不适合推广应用。
发明内容
为解决在位检测,同时克服检测效率低下、精度不足、价格昂贵等问题,本发明的目的是提供一种大口径超精密磨床集成***,包括Z轴主轴箱和可拆卸地连接到所述Z轴主轴箱上的二维振动辅助激光扫描在位检测***;所述二维振动辅助激光扫描在位检测***包括所述随动导轨和X轴导轨,以及与所述随动导轨匹配连接的随动导轨连接件;所述随动导轨平行于所述X轴导轨,可沿所述X轴导轨方向来回滑动,而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。二维振动辅助激光扫描在位检测***与Z轴主轴箱可拆卸地连接实现了,该在位检测***随着Z轴主轴箱一起运动,根据检测对象的情况通过路径规划可以得到较优的检测路径。当需要加工时,机床运动到一头,在位检测***通过机床控制***卸下;当需要检测时,在位检测***装夹上后进行检测,避免了被测工件的搬运。
本发明的另一个较优的实施方式是,还包括在位砂轮修整装置和X轴工作台;所述在位砂轮修整装置设置在所述X轴工作台旁边,采用了两个自由度,能够进行姿态调整。
本发明的另一个较优的实施方式是,所述二维振动辅助激光扫描在位检测***还包括Y轴音圈电机、Y轴导轨、Y轴运动平台、激光位移传感器、X轴音圈电机、X轴运动平台连接件和X轴运动平台;所述Y轴音圈电机、所述随动导轨连接件、所述随动导轨和所述激光位移传感器依次连接;从上到下依次设置所述激光位移传感器、所述Y轴运动平台、所述Y轴导轨、所述X轴运动平台、所述X轴导轨;所述X轴音圈电机通过所述X轴运动平台连接件与X轴运动平台连接;
其中,进一步地将所述Y轴音圈电机和X轴音圈电机设置为:当所述Y轴音圈电机产生作用力时,推动所述随动导轨连接件、所述随动导轨、所述激光位移传感器和所述Y轴运动平台沿所述Y轴导轨运动;当所述X轴音圈电机产生作用力时,推动所述X轴运动平台连接件、所述X轴运动平台、所述Y轴导轨、所述Y轴运动平台、所述激光位移传感器、所述随动导轨沿所述X轴导轨运动。
本发明的另一个较优的实施方式是,所述二维振动辅助激光扫描在位检测***还包括Y轴光栅和X轴光栅;所述Y轴光栅设置在所述Y轴导轨旁边,用于监测所述激光位移传感器在Y轴方向上的移动距离;所述X轴光栅设置在所述X轴导轨旁边,用于监测所述激光位移传感器在X轴方向上的移动距离;从而实现全闭环运动控制。
本发明的另一个较优的实施方式是,还包括机床底座、立柱、横梁、机床Y轴导轨和Y轴溜板箱;所述立柱将所述机床底座与所述横梁连接起来;所述机床Y轴导轨设置在所述横梁上;所述Y轴溜板箱设置在所述机床Y轴导轨上;所述Y轴溜板箱与所述Z轴主轴箱连接;所述机床底座、所述立柱、所述横梁、所述Y轴溜板箱和所述Z轴主轴箱均采用花岗岩材料。优选地是,主轴箱整体主要采用天然花岗岩。
本发明的另一个较优的实施方式是,还包括设置在所述横梁上的Y轴直线电机;所述Y轴直线电机可以驱动所述Y轴溜板箱沿所述电机Y轴导轨运动;所述Y轴溜板箱采用封闭式对称结构,其顶部设置有双平衡液压缸;所述Z轴主轴箱内置静压主轴;通过所述双平衡液压缸能对所述Z轴主轴箱和所述静压主轴进行卸荷。
本发明的另一个较优的实施方式是,还包括Z轴直线电机、X轴直线电机、机床X轴导轨;所述Z轴直线电机设置在所述Z轴主轴箱上;所述X轴直线电机和所述机床X轴导轨均设置在所述机床底座上;所述X轴工作台设置在所述机床X导轨上;所述Z轴直线电机和所述Y轴直线电机的数量均是两台,能够分别对所述Z轴主轴箱和所述Y轴溜板箱进行双直线电机同步驱动;所述X轴直线电机、所述Y轴直线电机、所述Z轴直线电机均采用高精度、定位速度快、动态响应好的直线电机。优选地是,静压主轴内嵌于Z轴主轴箱内。
本发明的另一个较优的实施方式是,所述大口径超精密磨床集成***的整体尺寸为3000mmx2300mmx3000mm~4000mmx3000mmx4000mm,能够加工口径φ1000mm以内的光学镜面。优选地是,所述大口径超精密磨床集成***的整体尺寸为3200mmx2540mmx3300mm。
本发明的另一个较优的实施方式是,所述大口径超精密磨床集成***采用对称的双横梁结构;并且在所述大口径超精密磨床集成***的X轴、Y轴、Z轴方向上均配备分辨率为纳米级别的高精度光栅作为反馈,实现全闭环控制。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明采用了对称的双横梁结构,机床底座、立柱、横梁、X轴工作台、Y轴溜板箱和Z轴主轴箱均采用花岗岩材料,具有高刚性、大阻尼和良好的热稳定性。
(2)由于存在随动导轨,使得Y轴音圈电机和随动导轨连接件不会随着随动导轨、激光位移传感器、Y轴运动平台、Y轴导轨和X轴运动平台一同沿X轴导轨运动,即Y轴音圈电机的质量不会施加到该X轴运动平台上。从而不需要增大X轴音圈电机的额定推力,也不需要增大二维振动辅助激光扫描在位检测***的整体体积。同时由于二维振动辅助激光扫描在位检测***是可拆卸地连接在Z轴主轴箱上,因此能在加工完成后进行在位检测,根据结果进行再次加工,免除了工件的搬运和反复安装产生的误差。
(3)机床配备在位砂轮修整装置,并采用了两个自由度,能够进行姿态调整,针对弧面砂轮修出所需要的形状;实现既能够在线对面型进行自动化修整,又能对修整面型用的弧面砂轮进行在线修整,从而使整机具有较高的加工精度和效率。
(4)对于二维振动辅助激光扫描在位检测***,设置有高精密的X轴光栅和Y轴光栅,从而可以实现全闭环运动控制,使得检测精度更可靠;对于机床,其X轴、Y轴、Z轴方向上均配备分辨率为纳米级别的高精度光栅作为反馈,实现全闭环控制。
(5)本发明的整体尺寸适当,能够满足加工口径φ1000mm以内的光学镜面。
(6)机床三轴均采用高精度、定位速度快、动态响应好的直线电机,为了结构的对称性和受力对称性,Y轴和Z轴均采用双直线电机进行同步驱动。
(7)具备平衡液压缸,能够对Z轴主轴箱和静压主轴重量进行卸荷,这样的话Z轴直线电机不需要克服Z轴主轴箱和静压主轴本身的重量,可以选用较小的电机,尺寸也相应减小,Z轴主轴箱的结构更紧凑。
附图说明
图1是本发明的大口径超精密磨床集成***的一个具体实施方式的集成图。
图2是本发明的大口径超精密磨床集成***的一个具体实施方式的Y轴溜板箱的集成图。
图3是本发明的大口径超精密磨床集成***的一个具体实施方式的二维振动辅助激光扫描在位检测***的结构立体图。
图4是本发明的大口径超精密磨床集成***的一个具体实施方式的二维振动辅助激光扫描在位检测***的另一观察位的结构立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明的检测对象可以是大型空间反射镜。如图1和2所示,本发明的大口径超精密磨床集成***为双横梁结构花岗岩机床结构,包括机床底座10、立柱8、横梁4、机床Y轴导轨1、Y轴溜板箱2、Y轴直线电机3、Z轴主轴箱5、二维振动辅助激光扫描在位检测***6、X轴工作台12、机床X轴导轨9、X轴直线电机11、在位砂轮修整装置7、平衡液压缸13、Z轴直线电机14和静压主轴15。
其连接关系是:立柱8将机床底座10和横梁4连接在一起;机床Y轴导轨1和Y轴直线电机3设置在横梁4上;Y轴溜板箱2设置在机床Y轴导轨1上,能够沿机床Y轴导轨1运动;平衡液压缸13设置在Y轴溜板箱2的顶部;Y轴溜板箱2与Z轴主轴箱5连接;Z轴直线电机14和静压主轴15设置在Z轴主轴箱5上;二维振动辅助激光扫描在位检测***6与Z轴主轴箱5可拆卸地连接;机床X轴导轨9和X轴直线电机11设置在机床底座10上;X轴工作台12设置在机床X轴导轨9上;在位砂轮修整装置7设置在X轴工作台12旁边,立柱8上。
本实施方式中,为了结构的对称性和受力对称性,Y轴直线电机3和Z轴直线电机14均有两台,构成本发明的磨床集成***的Y轴和Z轴方向上可进行双直线电机同步驱动。并且机床三轴均采用高精度、定位速度快、动态响应好的直线电机。
本发明的大口径超精密磨床集成***还包括驱动和控制***、高精度光栅,未在图中示出。每轴均配备分辨率为纳米级别的高精度光栅作为反馈,实现全闭环控制。
本实施方式中,大口径超精密磨床集成***的整体尺寸为3200mmx2540mmx3300mm,能够加工口径φ1000mm以内的光学镜面,并能在加工完成后进行在位检测,根据结果进行再次加工,免除了工件的搬运和反复安装产生的误差,同时机床配备在位修整装置,能够对砂轮进行自动化修整,从而使整机具有较高的加工精度和效率。
机床底座10、立柱8、横梁4、X轴工作台12、Y轴溜板箱2和Z轴主轴箱5均采用花岗岩材料,结构对称性好,具有高刚性、大阻尼和良好的热稳定性。
如图2所示,Y轴采用在Y轴方向上封闭式对称结构的溜板箱,Z轴主轴箱5装于Y轴溜板箱内部。通过双平衡液压缸13对Z轴主轴箱5和静压主轴15进行卸荷,因此Z轴直线电机14不需要克服Z轴主轴箱5和静压主轴15的重量,可以选用较小的电机,尺寸也相应减小,Z轴主轴箱5的结构更紧凑。Z轴直线电机14有两台,图中仅显示了一台。从而实现双直线电机对Z轴主轴箱5进行驱动。
二维振动辅助激光检测扫描在位检测***如图3和4所示,包括随动导轨20、X轴导轨21、随动导轨连接件22、Y轴音圈电机23、Y轴导轨24、Y轴运动平台25、激光位移传感器26、X轴音圈电机27、X轴运动平台连接件28、X轴运动平台29、Y轴光栅30和X轴光栅31。其连接关系是:Y轴音圈电机23、随动导轨连接件22、随动导轨20和激光位移传感器26依次连接;从上到下激光位移传感器26、Y轴运动平台25、Y轴导轨24、X轴运动平台29和X轴导轨21依次连接;X轴音圈电机27通过X轴运动平台连接件28与X轴运动平台29连接;Y轴光栅30和X轴光栅31分别设置在Y轴导轨24和X轴导轨21旁边。其二维振动情况为:当Y轴音圈电机23产生作用力时,推动随动导轨连接件22、随动导轨21、激光位移传感器26和Y轴运动平台25沿Y轴导轨24运动;当X轴音圈电机27产生作用力时,推动X轴运动平台连接件28、X轴运动平台29、Y轴导轨24、Y轴运动平台25、激光位移传感器26、随动导轨20沿X轴导轨21运动。此时,随动导轨20与随动导轨连接件22之间产生在X轴导轨21方向上相对位移,使得Y轴音圈电机23和随动导轨连接件22在X轴导轨21方向上保持不动。Y轴音圈电机23的质量不会施加到X轴运动平台29上,从而比现有技术减小了X轴方向上的运动质量。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员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 (10)
1.一种大口径超精密磨床集成***,其特征在于,包括Z轴主轴箱和可拆卸地连接到所述Z轴主轴箱上的二维振动辅助激光扫描在位检测***;所述二维振动辅助激光扫描在位检测***包括所述随动导轨和X轴导轨,以及与所述随动导轨匹配连接的随动导轨连接件;所述随动导轨平行于所述X轴导轨,可沿所述X轴导轨方向来回滑动,而所述随动导轨连接件在X轴方向上保持不动。
2.如权利要求1所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,还包括在位砂轮修整装置和X轴工作台;所述在位砂轮修整装置设置在所述X轴工作台旁边,采用了两个自由度,能够进行姿态调整。
3.如权利要求1所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,所述二维振动辅助激光扫描在位检测***还包括Y轴音圈电机、Y轴导轨、Y轴运动平台、激光位移传感器、X轴音圈电机、X轴运动平台连接件和X轴运动平台;所述Y轴音圈电机、所述随动导轨连接件、所述随动导轨和所述激光位移传感器依次连接;从上到下依次设置所述激光位移传感器、所述Y轴运动平台、所述Y轴导轨、所述X轴运动平台、所述X轴导轨;所述X轴音圈电机通过所述X轴运动平台连接件与X轴运动平台连接;
其中,进一步地将所述Y轴音圈电机和X轴音圈电机设置为:当所述Y轴音圈电机产生作用力时,推动所述随动导轨连接件、所述随动导轨、所述激光位移传感器和所述Y轴运动平台沿所述Y轴导轨运动;当所述X轴音圈电机产生作用力时,推动所述X轴运动平台连接件、所述X轴运动平台、所述Y轴导轨、所述Y轴运动平台、所述激光位移传感器、所述随动导轨沿所述X轴导轨运动。
4.如权利要求3所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,所述二维振动辅助激光扫描在位检测***还包括Y轴光栅和X轴光栅;所述Y轴光栅设置在所述Y轴导轨旁边,用于监测所述激光位移传感器在Y轴方向上的移动距离;所述X轴光栅设置在所述X轴导轨旁边,用于监测所述激光位移传感器在X轴方向上的移动距离;从而实现全闭环运动控制。
5.如权利要求2所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,还包括机床底座、立柱、横梁、机床Y轴导轨和Y轴溜板箱;所述立柱将所述机床底座与所述横梁连接起来;所述机床Y轴导轨设置在所述横梁上;所述Y轴溜板箱设置在所述机床Y轴导轨上;所述Y轴溜板箱与所述Z轴主轴箱连接;所述机床底座、所述立柱、所述横梁、所述Y轴溜板箱和所述Z轴主轴箱均采用花岗岩材料。
6.如权利要求5所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,还包括设置在所述横梁上的Y轴直线电机;所述Y轴直线电机可以驱动所述Y轴溜板箱沿所述电机Y轴导轨运动;所述Y轴溜板箱采用封闭式对称结构,其顶部设置有双平衡液压缸;所述Z轴主轴箱内置静压主轴;通过所述双平衡液压缸能对所述Z轴主轴箱和所述静压主轴进行卸荷。
7.如权利要求5所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,还包括Z轴直线电机、X轴直线电机、机床X轴导轨;所述Z轴直线电机设置在所述Z轴主轴箱上;所述X轴直线电机和所述机床X轴导轨均设置在所述机床底座上;所述X轴工作台设置在所述机床X导轨上;所述Z轴直线电机和所述Y轴直线电机的数量均是两台,能够分别对所述Z轴主轴箱和所述Y轴溜板箱进行双直线电机同步驱动;所述X轴直线电机、所述Y轴直线电机、所述Z轴直线电机均采用高精度、定位速度快、动态响应好的直线电机。
8.如权利要求5所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,所述大口径超精密磨床集成***的整体尺寸为3000mmx2300mmx3000mm~4000mmx3000mmx4000mm,能够加工口径φ1000mm以内的光学镜面。
9.如权利要求8所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,所述大口径超精密磨床集成***的整体尺寸为3200mmx2540mmx3300mm,能够加工口径φ1000mm以内的光学镜面。
10.如权利要求1~9任一项所述的大口径超精密磨床集成***,其特征在于,所述大口径超精密磨床集成***采用对称的双横梁结构;并且在所述大口径超精密磨床集成***的X轴、Y轴、Z轴方向上均配备分辨率为纳米级别的高精度光栅作为反馈,实现全闭环控制。
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