CN110561202A - 多维超声辅助磁流变精密研抛机床及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床及加工方法，属于研抛机床技术领域。两组Y向移动轨道分别固定于机床底座1左右两侧，两个Z向固定底板分别固定于左右两侧的Y向移动轨道上，两个Z向移动轨道分别固定于Z向固定底板上，X向固定底板分别固定于两个Z向移动轨道上，在X向固定底板上下侧各固定X向移动轨道；磁流变液循环装置固定于机床底座中间后面，旋转工作台固定于机床底座中间前面；工具头安装板固定于X向移动轨道上，工具头固定于工具头安装底板上。优点在于：在三个不同方向上同时进行抛光加工，使得同一时间加工面积更大，磨头的自转运动使得抛光加工更加全面彻底，提高了抛光加工的效率和加工的精度。

Description

多维超声辅助磁流变精密研抛机床及加工方法

技术领域

本发明属于研抛机床技术领域，具体涉及一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床及加工方法。

背景技术

随着光学技术的发展进步和应用的日益广泛，其对光学元件表面的精度要求越来越高，但由于光学元件所用材料大多有脆硬特性，传统的加工方法已经无法满足对这类材料零件的高精度和高效率加工要求。

目前对于光学元件的加工，如气囊抛光、超声波抛光大多受自身条件的限制，无法加工小曲率光学表面，且抛光效率不高；而近些年发展起来超声波磁流变复合抛光的可以实现对小曲率光学表面进行抛光，但是由于发展时间短，致使现有的超声波磁流变复合抛光的抛光方式单一，在抛光过程中受自身限制不够灵活，抛光效率不高。

发明内容

本发明提供一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床及加工方法，以解决目前存在的无法对小曲率光学元件表面加工，加工效率不高以及加工方式单一等问题。

本发明采取的技术方案是，包括机床底座、两组Y向移动轨道、Z向固定底板、Z向移动轨道、X向固定底板、X向移动轨道、直线驱动模组、磁流变液循环装置、旋转工作台、工具头安装底板和工具头；其中两组Y向移动轨道分别固定于机床底座1左右两侧，两个Z向固定底板分别固定于左右两侧的Y向移动轨道上，两个Z向移动轨道分别固定于Z向固定底板上，X向固定底板分别固定于两个Z向移动轨道上，在X向固定底板上下侧各固定X向移动轨道；直线驱动模组分别在机床底座左右两侧各固定一组、且位于各Y向移动轨道中间，在左右两侧Z向固定底板上各固定一组、且位于各Z向移动轨道中间，在X向固定底板固定一组、且位于X向移动轨道中间；磁流变液循环装置固定于机床底座中间后面，旋转工作台固定于机床底座中间前面；工具头安装板固定于X向移动轨道上，工具头固定于工具头安装底板上。

本发明所述Y向移动轨道和Z向移动轨道结构相同，其中Y向移动轨道包括导轨一、滑块端盖和滑块体Ⅰ，其中导轨一固定于机床底座左右两侧上，滑块端盖与滑块体Ⅰ连接，滑块体Ⅰ与导轨一滑动连接；

本发明所述X向移动轨道包括导轨二、滑块端盖和滑块体Ⅱ，其中导轨二固定于X向固定底板左右两侧上，滑块端盖与滑块体Ⅱ连接，滑块体Ⅱ与导轨二滑动连接；

本发明所述直线驱动模组包括紧定块、法兰盘、底部支撑座、滚珠丝杆、移动连接座、丝母座、底部支撑座、法兰盘、紧定块、十字滑块联轴器和驱动电机，其中紧定块固定于滚珠丝杆左端，并紧贴法兰盘，法兰盘固定于底部支撑座，滚珠丝杆左端与底部支撑座转动连接，且滚珠丝杆右端和底部支撑座转动连接，移动连接座固定于丝母座上，丝母座与滚珠丝杆转动连接，法兰盘固定于底部支撑座上，紧定块固定于滚珠丝杆右端，并紧贴法兰盘，十字滑块联轴器左端与滚珠丝杆固定连接，右端与驱动电机固定连接，驱动电机与十字滑块联轴器固定连接；

本发明所述磁流变液循环装置包括喷嘴、软管、蠕动液压泵、搅拌电机、控制显示屏和储液箱，其中喷嘴与软管固定连接、软管与蠕动液压泵固定连接，蠕动液压泵固定于储液箱上，搅拌电机固定于储液箱上面中央位置，控制显示屏固定于储液箱右上角,储液箱固定于机床底座1中部后侧上；

本发明所述旋转工作台包括外支撑板Ⅰ、小支撑架、旋转平台、摆动电机、摆动电机座、小支撑架、外支撑板Ⅱ、平台安装板、平台支撑座、工作台固定底板、深沟球轴承、联轴器、摆动传动轴Ⅰ、摆动传动轴Ⅱ和深沟球轴承，其中外支撑板Ⅰ固定于平台支撑座，小支撑架与摆动传动轴Ⅰ键连接，旋转平台固定于平台安装板上，摆动电机固定于摆动电机座，摆动电机座固定于外支撑板Ⅱ上，小支撑架与摆动传动轴Ⅱ键连接，外支撑板Ⅱ固定于平台支撑座上，平台安装板左端固定于小支撑架上，右端固定于小支撑架上，平台支撑座固定于工作台固定底板上，工作台固定底板固定于机床底座上，深沟球轴承安装于外支撑板Ⅱ上，联轴器左端与摆动电机固定连接，右端与摆动传动轴Ⅰ固定连接，且安装于摆动电机座槽内；摆动传动轴Ⅰ左端与深沟球轴承转动连接，右端与小支撑板键连接；摆动传动轴Ⅱ左端与小支撑板键连接，右端与深沟球轴承转动连接；深沟球轴承安装于外支撑板Ⅱ上；

本发明所述旋转平台包括平台连接座、平台支承环、固定连接环、液体密封圈、液体收集盘、圆形平台、静压轴承、内固定连接环、内连接盖板、直驱电机、内隔离圈、外端盖和外连接盖板，其中平台连接座固定于平台安装板上，平台支承环与静压轴承转动连接，且环面与平台连接座紧贴；固定连接环固定于平台支承环上，且与静压轴承转动连接；液体密封圈与圆形平台环形密封连接，液体收集盘与液体密封圈环形密封连接，圆形平台固定于静压轴承上，静压轴承与平台支承环转动连接，并由平台支承环支承；内固定连接环固定于静压轴承上，且与平台连接座转动连接；内连接盖板固定于内固定连接环上，且与外连接盖板转动连接；直驱电机安装于内隔离圈和外连接盖板形成的环形空间内，并由外端盖顶紧；内隔离圈固定于内连接盖板上，外端盖固定于外连接盖板上，外连接盖板固定于平台连接座上，并与内连接盖板转动连接；

本发明所述工具头包括超声振子固定架、连接块、旋转电机、超声振子、工具头连接板、磨头组件、连接头、方形连接块、上十字传动轴、十字轴联轴器，其中超声振子固定架固定于连接块上，连接块固定于工具头连接板，旋转电机固定于工具头连接板上，超声振子固定于超声振子固定架上，工具头连接板固定于工具头安装底板上，磨头组件右侧与连接头固定连接，左侧和前部与方形连接块固定连接，连接头固定于方形连接块上，方形连接块固定于超声振子上，上十字传动轴固定于十字轴联轴器上，十字轴联轴器上端固定于旋转电机上，下端与十字传动轴固定连接；

本发明所述磨头组件包括柔性铰链Ⅰ、方形端盖、下十字传动轴、柔性铰链Ⅱ、磨头连接块、塑料外壳、磨头、磨头套筒、塑料内壳、线圈、压紧导电弹簧、柔性铰链Ⅰ、十字轴套筒、圆锥滚子轴承、绝缘套筒、滑环、绝缘垫片、电刷和压力传感器，其中柔性铰链Ⅰ左端固定于方形连接块上，右端与磨头连接块固定连接；方形端盖固定于磨头连接块上，下十字传动轴上端与上十字传动轴十字连接，且与圆锥滚子轴承转动连接，并受圆锥滚子轴承支承；柔性铰链Ⅱ前端固定于连接头上，且后端与磨头连接块固定连接；磨头连接块两端与两个柔性铰链Ⅰ固定连接，第三端与柔性铰链Ⅱ固定连接；塑料外壳固定于塑料内壳上，磨头与下十字传动轴螺纹连接并紧固，磨头套筒与磨头固定连接，塑料内壳与磨头套筒固定连接，线圈与塑料内壳固定连接，压紧导电弹簧安装于磨头连接块的小孔内，且带小球的一端适当压紧电刷；柔性铰链Ⅰ左端固定于方形连接块上，右端与磨头连接块固定连接；十字轴套筒与下十字传动轴转动连接，并且上端与圆锥滚子轴承顶紧，圆锥滚子轴承与磨头连接块转动连接，绝缘套筒固定于下十字传动轴上，滑环固定于绝缘套筒上，绝缘垫片固定于绝缘套筒上，且位于两个滑环之间，电刷与滑环转动连接，压力传感器固定于磨头上；

一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床的加工方法，包括下列步骤：

(1)、使用专用夹具装夹好毛坯，开启机床，对机床进行复位，设置磁流变液流量和超声振动的初始频率，并将磁流变液循环装置中的喷嘴相对于磨头的位置调整到位，对各部分测头进行校对检查，并设置机床其他装置的初始值及初始位置；

(2)、对需要加工的毛坯进行精确的在位测量，采集所需要数据，并进行大数据分析处理，检查数据是否合格，若不合格，则不满足所需数据的要求，返回重新进行在位测量和数据收集，直到数据合格，即满足所需数据的要求，再使用所收集的数据进行曲面重构获得毛坯的测量模型；

(3)、将设计模型输入机床的数控***，进行特征识别后与上一步得到的毛坯的测量模型进行模型匹配、比较，得出毛坯的测量模型与设计模型间的超差值，即加工余量；

(4)、得到加工余量之后，根据磨抛加工的特点和毛坯的材料特性进行余量分配，之后进行工艺决策，选定磨抛加工的加工轨迹，根据加工余量和加工轨迹设置磨抛加工过程中所需设置的其他参数，输入加工轨迹，生成数控加工程序，等待加工；

(5)、运行加工程序，开始进行磨抛加工，按照程序，机床在X、Y、Z轴三个方向上进行移动，将工具头移动到初始设定的毛坯表面正上方合适位置，为避免磨头与毛坯表面直接接触，造成两者损伤，先启动磁流变液循环装置，调整到位的喷嘴喷出磁流变液，润湿磨头和毛坯表面，待磨头和毛坯表面完全润湿后，再启动旋转电机和超声振动发生器，带动磨头旋转和超声振动，而磨头组件上的压力传感器会对磨头表面所受压力进行实时检测，进一步调节磨头相对于毛坯表面的高度和旋转工作台的摆动角度以及旋转角度，使得磨头与旋转工作台可以相互配合良好，完成对毛坯表面各部分的磨抛加工。

(6)、磨抛加工后，再次对半成品进行在位测量，采集数据建立测量模型，并与设计模型匹配、比较，检测测量模型是否超差，若未超差，则在精度要求范围内，加工完成；若测量模型有超差，则返回(4)继续对超差值进行余量分配，进行下一个加工循环。

本发明三维超声振动设计覆盖了机床的三个运动方向，使得机床可以在三个方向上同时对待加工工件进行抛光，在增大同一时间的抛光面积，提高抛光效率的同时，还减少了抛光过程中可能遗漏下未抛光的区域，并且提高了抛光的精度；此外，在加工待加工工件的边角时更加灵活方便，可以加工小曲率光学元件表面及各类自由曲面和平面，提高被加工工件的面形复杂度和结构多样性。

本发明的优点在于：

1.本发明机床通过应用磁流变液在磁场中形成的Bingham体来实现对光学元件表面的抛光，可以对小曲率半径的光学元件表面进行加工。

2.本发明机床通过三维超声振动，使得粘附于磨头的磁流变液可以在三个不同方向上同时进行抛光加工，使得同一时间加工面积更大，磨头的自转运动进一步使得抛光加工更加全面彻底，既提高了抛光加工的效率，又提高了抛光加工的精度。

3.本发明机床通过三维超声振动使得能够参与抛光加工的磁流变液面积超过了磨头端部面积本身，从而使得在加工曲率过大的曲面边角时更加灵活方便。

4.本发明机床使用较小磨头加工，再结合上旋转工作台可以根据需要通过控制***实现X轴方向特定角度的摆动和绕Z轴特定角度的转动，实现对各类复杂曲面和平面的抛光加工，提高被加工工件的面形复杂度和结构多样性，提高了机床的实用性和通用性。

5.本发明机床三维超声振动的设计及机床自身其他部分的设计，扩展了超声振动与磁流变液复合抛光技术的应用，为超声抛光与磁流变抛光的复合提供了新的方法和思路。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的Y向和Z向移动轨道的结构示意图；

图3是本发明的X向移动轨道的结构示意图；

图4是本发明的直线驱动模组的结构示意图；

图5是本发明的磁流变液循环装置的示意图；

图6是本发明的旋转工作台结构示意图；

图7是本发明的旋转工作台的剖视图；

图8是本发明的旋转平台的剖视图；

图9是本发明的工具头结构示意图；

图10是本发明的工具头底部结构示意图；

图11是本发明的磨头组件结构示意图；

图12是本发明的磨头组件的剖视图；

图13是发明的下十字传动轴结构示意图；

图14是本发明的磨头连接块结构示意图；

图15是发明的磁流变液抛光加工局部示意图；

图16是本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，包括机床底座1、两组Y向移动轨道2、Z向固定底板3、Z向移动轨道4、X向固定底板6、X向移动轨道8、直线驱动模组5、磁流变液循环装置11、旋转工作台10、工具头安装底板7和工具头9；其中两组Y向移动轨道2分别固定于机床底座1左右两侧，两个Z向固定底板3分别固定于左右两侧的Y向移动轨道2上，两个Z向移动轨道4分别固定于Z向固定底板3上，X向固定底板6分别固定于两个Z向移动轨道4上，在X向固定底板6上下侧各固定X向移动轨道8；直线驱动模组5分别在机床底座1左右两侧各固定一组、且位于各Y向移动轨道2中间，在左右两侧Z向固定底板3上各固定一组、且位于各Z向移动轨道4中间，在X向固定底板6固定一组、且位于X向移动轨道8中间；磁流变液循环装置11固定于机床底座1中间后面，旋转工作台10固定于机床底座1中间前面；工具头安装板7固定于X向移动轨道8上，工具头9固定于工具头安装底板7上；

整个机床结构紧凑，各个位置安排装配合理，对称式的设计使得机床X、Y、Z三个方向上的移动可以都采用直线驱动模组5，简化了设计并降低了成本，还增强了机床自身的稳定性；

如图2所示，本发明所述Y向移动轨道2和Z向移动轨道4结构相同，其中，Y向移动轨道2包括导轨一201、滑块端盖202和滑块体Ⅰ203，其中导轨一201固定于机床底座1左右两侧上，滑块端盖202与滑块体Ⅰ203连接，滑块体Ⅰ203与导轨一201滑动连接；使得机床的工具头9可以实现Y向的自由移动和Z向的自由移动。

如图3所示，本发明所述X向移动轨道8包括导轨二801、滑块端盖802和滑块体Ⅱ803，其中导轨二801固定于X向固定底板6左右两侧上，滑块端盖802与滑块体Ⅱ803连接，滑块体Ⅱ803与导轨二801滑动连接；使得机床的工具头9可以实现X向的自由移动,且用两边加宽的滑块体Ⅱ803使得工具头安装底板7安装的更加牢固。

如图5所示，本发明所述直线驱动模组5包括紧定块501、法兰盘502、底部支撑座503、滚珠丝杆504、移动连接座505、丝母座506、底部支撑座507、法兰盘508、紧定块509、十字滑块联轴器510和驱动电机511，其中紧定块501固定于滚珠丝杆504左端，并紧贴法兰盘502，法兰盘502固定于底部支撑座503，滚珠丝杆504左端与底部支撑座503转动连接，且滚珠丝杆504右端和底部支撑座507转动连接，移动连接座505固定于丝母座506上，丝母座506与滚珠丝杆504转动连接，法兰盘508固定于底部支撑座507上，紧定块509固定于滚珠丝杆504右端，并紧贴法兰盘508，十字滑块联轴器510左端与滚珠丝杆504固定连接，右端与驱动电机511固定连接，驱动电机511与十字滑块联轴器510固定连接；

在固定于机床底座1上的直线驱动模组5中，底部支撑座503和底部支撑座507均固定于机床底座1上；在固定于Z向固定底板3上的直线驱动模组5中，底部支撑座503和底部支撑座507均固定于Z向固定板3上；在固定于X向固定底板3上的直线驱动模组5中，底部支撑座503和底部支撑座507均固定于X向固定板3上；在驱动电机511的驱动下，滚珠丝杆504通过滚珠丝杆螺母副带动移动连接座505进行精确移动，此外滚珠丝杆螺母副传动没有间隙，从而使得机床的工具头9可以实现X、Y、Z三个方向的精确往返移动与精确的定位。

如图6所示，本发明所述磁流变液循环装置11包括喷嘴1101、软管1102、蠕动液压泵1103、搅拌电机1104、控制显示屏1105和储液箱1106，其中喷嘴1101与软管1102固定连接、软管1102与蠕动液压泵1103固定连接，蠕动液压泵1103固定于储液箱1106上，搅拌电机1104固定于储液箱上面中央位置，控制显示屏1105固定于储液箱1106右上角,储液箱1106固定于机床底座1中部后侧上；

经过磁流液循环装置11的过滤搅拌，使得喷嘴1101喷出的磁流液粘度等各项重要性能指标保持稳定，适于加工中使用。

如图7和图8所示，本发明所述旋转工作台10包括外支撑板Ⅰ1001、小支撑架1002、旋转平台1003、摆动电机1004、摆动电机座1005、小支撑架1006、外支撑板Ⅱ1007、平台安装板1008、平台支撑座1009、工作台固定底板1010、深沟球轴承1011、联轴器1012、摆动传动轴Ⅰ1013、摆动传动轴Ⅱ1014和深沟球轴承1015，其中外支撑板Ⅰ1001固定于平台支撑座1009，小支撑架1002与摆动传动轴Ⅰ1013键连接，旋转平台1003固定于平台安装板1008上，摆动电机1004固定于摆动电机座1005，摆动电机座1005固定于外支撑板Ⅱ1007上，小支撑架1006与摆动传动轴Ⅱ1014键连接，外支撑板Ⅱ1007固定于平台支撑座1009上，平台安装板1008左端固定于小支撑架1002上，右端固定于小支撑架1006上，平台支撑座1009固定于工作台固定底板1010上，工作台固定底板1010固定于机床底座1上，深沟球轴承1011安装于外支撑板Ⅱ1007上，联轴器1012左端与摆动电机1004固定连接，右端与摆动传动轴Ⅰ1013固定连接，且安装于摆动电机座1005槽内；摆动传动轴Ⅰ1013左端与深沟球轴承1011转动连接，右端与小支撑板1006键连接；摆动传动轴Ⅱ1014左端与小支撑板1002键连接，右端与深沟球轴承1015转动连接；深沟球轴承1015安装于外支撑板Ⅱ1007上；

在摆动电机1004的驱动下旋转平台1003可以实现X轴方向上的摆动，并且可根据需要调节摆动幅度的大小，进而实现对复杂光学元件表面的加工。

如图9所示，本发明所述旋转平台1003包括平台连接座100301、平台支承环100302、固定连接环100303、液体密封圈100304、液体收集盘100305、圆形平台100306、静压轴承100307、内固定连接环100308、内连接盖板100309、直驱电机100310、内隔离圈100311、外端盖100312和外连接盖板100313，其中平台连接座100301固定于平台安装板1008上，平台支承环100302与静压轴承100307转动连接，且环面与平台连接座100301紧贴；固定连接环100303固定于平台支承环100302上，且与静压轴承100307转动连接；液体密封圈100304与圆形平台100306环形密封连接，液体收集盘100305与液体密封圈100304环形密封连接，圆形平台100306固定于静压轴承100307上，静压轴承100307与平台支承环100302转动连接，并由平台支承环100302支承；内固定连接环100308固定于静压轴承100307上，且与平台连接座100301转动连接；内连接盖板100309固定于内固定连接环100308上，且与外连接盖板100313转动连接；直驱电机100310安装于内隔离圈100311和外连接盖板100313形成的环形空间内，并由外端盖100312顶紧；内隔离圈100311固定于内连接盖板100309上，外端盖100312固定于外连接盖板100313上，外连接盖板100313固定于平台连接座100301上，并与内连接盖板100309转动连接；

液体密封圈100304、圆形平台100306、静压轴承100307、内固定连接环100308、内连接盖板100309、内隔离圈100311形成内部的独立体，平台连接座100301、平台支承环100302、固定连接环100303、外端盖100312、外连接盖板100313形成外部的独立体，并且在内外独立体之间形成一个密封腔，气体由外连接盖板100313上的两边小孔输入，并在静压轴承100307和固定连接环100303之间注入轮滑油进行润滑，同时形成油膜阻止气体逸出，从而减小内外独立体之间的接触面积，减小摩擦力；在直驱电机100310的驱动下内部的独立体可实现可控角度的旋转，从而实现旋转平台1003中的圆形平台100306的可控角度的旋转，而液体收集盘100305负责收集溢出的磁流液，与液体密封圈100304过盈配合，液体密封圈100304与圆形平台100306过盈配合，并起到密封作用，防止磁流液泄漏，因而液体收集盘100305和液体密封圈100304会在圆形平台100306旋转时跟随一起旋转；旋转平台1003可控角度的旋转结合旋转工作台10可控角度的摆动，可配合磨头90607实现对各类复杂的光学元件曲面进行加工。

如图10和图11所示，本发明所述工具头9包括超声振子固定架901、连接块902、旋转电机903、超声振子904、工具头连接板905、磨头组件906、连接头907、方形连接块908、上十字传动轴909、十字轴联轴器910，其中超声振子固定架901固定于连接块902上，连接块902固定于工具头连接板905，旋转电机903固定于工具头连接板905上，超声振子904固定于超声振子固定架901上，工具头连接板905固定于工具头安装底板7上，磨头组件906右侧与连接头907固定连接，左侧和前部与方形连接块908固定连接，连接头907固定于方形连接块908上，方形连接块908固定于超声振子904上，上十字传动轴909固定于十字轴联轴器910上，十字轴联轴器910上端固定于旋转电机903上，下端与十字传动轴909固定连接；

在空间的X、Y、Z三个方向上均安装了超声振子904，从而可以在空间上形成三个不同方向的超声波振动，并且还可以根据需要调节不同方向的超声振动频率，从而不仅扩大了加工范围，还实现了不同方向使用不同的磨抛力度。

如图12和图13所示，本发明所述磨头组件906包括柔性铰链Ⅰ90601、方形端盖90602、下十字传动轴90603、柔性铰链Ⅱ90604、磨头连接块90605、塑料外壳90606、磨头90607、磨头套筒90608、塑料内壳90609、线圈90610、压紧导电弹簧90611、柔性铰链Ⅰ90612、十字轴套筒90613、圆锥滚子轴承90614、绝缘套筒90615、滑环90616、绝缘垫片90617、电刷90618和压力传感器90619，其中柔性铰链Ⅰ90601左端固定于方形连接块908上，右端与磨头连接块90605固定连接；方形端盖90602固定于磨头连接块90605上，下十字传动轴90603上端与上十字传动轴909十字连接，且与圆锥滚子轴承90614转动连接，并受圆锥滚子轴承90614支承；柔性铰链Ⅱ90604前端固定于连接头907上，且后端与磨头连接块90605固定连接；磨头连接块90605两端与两个柔性铰链Ⅰ90601固定连接，第三端与柔性铰链Ⅱ90604固定连接；塑料外壳90606固定于塑料内壳90609上，磨头90607与下十字传动轴90603螺纹连接并紧固，磨头套筒90608与磨头90607固定连接，塑料内壳90609与磨头套筒90608固定连接，线圈90610与塑料内壳90609固定连接，压紧导电弹簧90611安装于磨头连接块90605的小孔内，且带小球的一端适当压紧电刷90618；柔性铰链Ⅰ90612左端固定于方形连接块908上，右端与磨头连接块90605固定连接；十字轴套筒90613与下十字传动轴90603转动连接，并且上端与圆锥滚子轴承90614顶紧，圆锥滚子轴承90614与磨头连接块90605转动连接，绝缘套筒90615固定于下十字传动轴90603上，滑环90616固定于绝缘套筒90615上，绝缘垫片90617固定于绝缘套筒90615上，且位于两个滑环90616之间，电刷90618与滑环90616转动连接，压力传感器90619固定于磨头90607上；

整个磨头组件906结构紧凑，各个部件之间连接牢固，避免受超声振动而导致结构松散，零件脱落等；同时也使得下十字传动轴90603与上十字传动轴909连接良好，并且十字传动轴的设计既可以避免由于超声振动而发生零件摩擦碰撞，同时确保证旋转电机903能够正常带动磨头90607做旋转运动；为保证线圈导线连接良好不受加工过程的影响，在磨头90607的轴端打有孔，侧面也开有小孔，同时下十字传动轴90603同侧位置也开有小孔，再将导线安装在磨头90607内部；在磨头连接块90605一侧也打有小孔，而压紧导电弹簧90611安装在其小孔内，一方面压紧导电弹簧90611对电刷90618的压紧力可以保证压紧导电弹簧90611、电刷90618和滑环90616三者接触良好，通电导线也可以与压紧导电弹簧90611连接并且引出方便；安装的压力传感器90619可以实时监测磨头90607对毛坯表面产生的压力，从而可以实现压力的实时调整；至此，旋转电机903带动磨头90607旋转，超声振子904使得磨头90607产生三个方向的超声振动，线圈90610为磨头附加磁场，使得磁流液吸附在磨头90607上并形成bingham体，跟随着磨头一起运动，实现对光学元件曲面的加工。

一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床的加工方法，包括下列步骤：

(1)、使用专用夹具装夹好毛坯，开启机床，对机床进行复位，设置磁流变液流量和超声振动的初始频率，并将磁流变液循环装置11中的喷嘴1101相对于磨头90607的位置调整到位，对各部分测头进行校对检查，并设置机床其他装置的初始值及初始位置；

(2)、对需要加工的毛坯进行精确的在位测量，采集所需要数据，并进行大数据分析处理，检查数据是否合格，若不合格，则不满足所需数据的要求，返回重新进行在位测量和数据收集，直到数据合格，即满足所需数据的要求，再使用所收集的数据进行曲面重构获得毛坯的测量模型；

(3)、将设计模型输入机床的数控***，进行特征识别后与上一步得到的毛坯的测量模型进行模型匹配、比较，得出毛坯的测量模型与设计模型间的超差值，即加工余量；

(4)、得到加工余量之后，根据磨抛加工的特点和毛坯的材料特性进行余量分配，之后进行工艺决策，选定磨抛加工的加工轨迹，根据加工余量和加工轨迹设置磨抛加工过程中所需设置的其他参数，输入加工轨迹，生成数控加工程序，等待加工；

(5)、运行加工程序，开始进行磨抛加工，按照程序，机床在X、Y、Z轴三个方向上进行移动，将工具头9移动到初始设定的毛坯表面正上方合适位置，为避免磨头90607与毛坯表面直接接触，造成两者损伤，先启动磁流变液循环装置11，调整到位的喷嘴1101喷出磁流变液，润湿磨头90607和毛坯表面，待磨头90607和毛坯表面完全润湿后，再启动旋转电机903和超声振动发生器，带动磨头90607旋转和超声振动，而磨头组件906上的压力传感器90619会对磨头表面所受压力进行实时检测，进一步调节磨头90607相对于毛坯表面的高度和旋转工作台10的摆动角度以及旋转角度，使得磨头90607与旋转工作台10可以相互配合良好，完成对毛坯表面各部分的磨抛加工；

(6)、磨抛加工后，再次对半成品进行在位测量，采集数据建立测量模型，并与设计模型匹配、比较，检测测量模型是否超差，若未超差，则在精度要求范围内，加工完成；若测量模型有超差，则返回(4)继续对超差值进行余量分配，进行下一个加工循环。

在默认情况下，机床正常工作时，磁流变液经过喷嘴1101喷出并完全润湿磨头90607之后，再接通线圈产生磁场，而磨头本身是电磁铁芯，具有束缚增强磁场的作用，因此如图16所示，在磨头90607下端所形成的磁场会成阶梯状减弱，同时所形成的磁场为一个直径比磨头直径大的圆形磁场，此外在磨头中部，磁场垂直向下，即沿Z轴方向，磁场也沿着Z轴方向垂直向下递减，导致磁流变液的bingham体硬度随之递减；在磨头***磁场方向由竖直向下改变为竖直向上，根据磁场的连续性，磁场方向由竖直向下改变为竖直向上的过程中必然经历过一个方向为水平的磁场，即会有一个以磨头为中心水平向外发散的圆环形磁场产生，而在这个圆环内磁流变液形成的bingham体硬度是随着磁场方向由内而外递减；最终磁流变液在磁场作用下会形成一个比磨头大的圆台形bingham体；在三维超声发生器产生的超声振动下，该圆台形bingham体既可以在Z轴的竖直方向上对工件表面产生正压力，还可以在Y轴和X轴的水平方向上对工件表面产生剪切力，旋转电机903又带动磨头90607旋转，在正压力作用下，圆台形bingham体与工件的整个接触面上会再产生一个圆周方向上的剪切力，在两个剪切力的作用下，使得工件表面抛光更加快速彻底，抛光效率也更高；在加工小曲率半径的曲面过程中，比磨头大的圆台形bingham体在旋转工作台10的角度旋转及角度摆动的辅助下也变得更加灵活，而磁流变液的不断循环不仅可以保持磁流变液本身成分和特性的稳定，还可以带走大量的热量，以保证加工表面温度不会过高。

Claims (10)

1.多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：包括机床底座、两组Y向移动轨道、Z向固定底板、Z向移动轨道、X向固定底板、X向移动轨道、直线驱动模组、磁流变液循环装置、旋转工作台、工具头安装底板和工具头；其中两组Y向移动轨道分别固定于机床底座1左右两侧，两个Z向固定底板分别固定于左右两侧的Y向移动轨道上，两个Z向移动轨道分别固定于Z向固定底板上，X向固定底板分别固定于两个Z向移动轨道上，在X向固定底板上下侧各固定X向移动轨道；直线驱动模组分别在机床底座左右两侧各固定一组、且位于各Y向移动轨道中间，在左右两侧Z向固定底板上各固定一组、且位于各Z向移动轨道中间，在X向固定底板固定一组、且位于X向移动轨道中间；磁流变液循环装置固定于机床底座中间后面，旋转工作台固定于机床底座中间前面；工具头安装板固定于X向移动轨道上，工具头固定于工具头安装底板上。

2.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述Y向移动轨道和Z向移动轨道结构相同，其中Y向移动轨道包括导轨一、滑块端盖和滑块体Ⅰ，其中导轨一固定于机床底座左右两侧上，滑块端盖与滑块体Ⅰ连接，滑块体Ⅰ与导轨一滑动连接。

3.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述X向移动轨道包括导轨二、滑块端盖和滑块体Ⅱ，其中导轨二固定于X向固定底板左右两侧上，滑块端盖与滑块体Ⅱ连接，滑块体Ⅱ与导轨二滑动连接。

4.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述直线驱动模组包括紧定块、法兰盘、底部支撑座、滚珠丝杆、移动连接座、丝母座、底部支撑座、法兰盘、紧定块、十字滑块联轴器和驱动电机，其中紧定块固定于滚珠丝杆左端，并紧贴法兰盘，法兰盘固定于底部支撑座，滚珠丝杆左端与底部支撑座转动连接，且滚珠丝杆右端和底部支撑座转动连接，移动连接座固定于丝母座上，丝母座与滚珠丝杆转动连接，法兰盘固定于底部支撑座上，紧定块固定于滚珠丝杆右端，并紧贴法兰盘，十字滑块联轴器左端与滚珠丝杆固定连接，右端与驱动电机固定连接，驱动电机与十字滑块联轴器固定连接。

5.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述磁流变液循环装置包括喷嘴、软管、蠕动液压泵、搅拌电机、控制显示屏和储液箱，其中喷嘴与软管固定连接、软管与蠕动液压泵固定连接，蠕动液压泵固定于储液箱上，搅拌电机固定于储液箱上面中央位置，控制显示屏固定于储液箱右上角,储液箱固定于机床底座1中部后侧上。

6.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述旋转工作台包括外支撑板Ⅰ、小支撑架、旋转平台、摆动电机、摆动电机座、小支撑架、外支撑板Ⅱ、平台安装板、平台支撑座、工作台固定底板、深沟球轴承、联轴器、摆动传动轴Ⅰ、摆动传动轴Ⅱ和深沟球轴承，其中外支撑板Ⅰ固定于平台支撑座，小支撑架与摆动传动轴Ⅰ键连接，旋转平台固定于平台安装板上，摆动电机固定于摆动电机座，摆动电机座固定于外支撑板Ⅱ上，小支撑架与摆动传动轴Ⅱ键连接，外支撑板Ⅱ固定于平台支撑座上，平台安装板左端固定于小支撑架上，右端固定于小支撑架上，平台支撑座固定于工作台固定底板上，工作台固定底板固定于机床底座上，深沟球轴承安装于外支撑板Ⅱ上，联轴器左端与摆动电机固定连接，右端与摆动传动轴Ⅰ固定连接，且安装于摆动电机座槽内；摆动传动轴Ⅰ左端与深沟球轴承转动连接，右端与小支撑板键连接；摆动传动轴Ⅱ左端与小支撑板键连接，右端与深沟球轴承转动连接；深沟球轴承安装于外支撑板Ⅱ上。

7.根据权利要求6所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述旋转平台包括平台连接座、平台支承环、固定连接环、液体密封圈、液体收集盘、圆形平台、静压轴承、内固定连接环、内连接盖板、直驱电机、内隔离圈、外端盖和外连接盖板，其中平台连接座固定于平台安装板上，平台支承环与静压轴承转动连接，且环面与平台连接座紧贴；固定连接环固定于平台支承环上，且与静压轴承转动连接；液体密封圈与圆形平台环形密封连接，液体收集盘与液体密封圈环形密封连接，圆形平台固定于静压轴承上，静压轴承与平台支承环转动连接，并由平台支承环支承；内固定连接环固定于静压轴承上，且与平台连接座转动连接；内连接盖板固定于内固定连接环上，且与外连接盖板转动连接；直驱电机安装于内隔离圈和外连接盖板形成的环形空间内，并由外端盖顶紧；内隔离圈固定于内连接盖板上，外端盖固定于外连接盖板上，外连接盖板固定于平台连接座上，并与内连接盖板转动连接。

8.根据权利要求1所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述工具头包括超声振子固定架、连接块、旋转电机、超声振子、工具头连接板、磨头组件、连接头、方形连接块、上十字传动轴、十字轴联轴器，其中超声振子固定架固定于连接块上，连接块固定于工具头连接板，旋转电机固定于工具头连接板上，超声振子固定于超声振子固定架上，工具头连接板固定于工具头安装底板上，磨头组件右侧与连接头固定连接，左侧和前部与方形连接块固定连接，连接头固定于方形连接块上，方形连接块固定于超声振子上，上十字传动轴固定于十字轴联轴器上，十字轴联轴器上端固定于旋转电机上，下端与十字传动轴固定连接。

9.根据权利要求8所述多维超声辅助磁流变精密研抛机床，其特征在于：所述磨头组件包括柔性铰链Ⅰ、方形端盖、下十字传动轴、柔性铰链Ⅱ、磨头连接块、塑料外壳、磨头、磨头套筒、塑料内壳、线圈、压紧导电弹簧、柔性铰链Ⅰ、十字轴套筒、圆锥滚子轴承、绝缘套筒、滑环、绝缘垫片、电刷和压力传感器，其中柔性铰链Ⅰ左端固定于方形连接块上，右端与磨头连接块固定连接；方形端盖固定于磨头连接块上，下十字传动轴上端与上十字传动轴十字连接，且与圆锥滚子轴承转动连接，并受圆锥滚子轴承支承；柔性铰链Ⅱ前端固定于连接头上，且后端与磨头连接块固定连接；磨头连接块两端与两个柔性铰链Ⅰ固定连接，第三端与柔性铰链Ⅱ固定连接；塑料外壳固定于塑料内壳上，磨头与下十字传动轴螺纹连接并紧固，磨头套筒与磨头固定连接，塑料内壳与磨头套筒固定连接，线圈与塑料内壳固定连接，压紧导电弹簧安装于磨头连接块的小孔内，且带小球的一端适当压紧电刷；柔性铰链Ⅰ左端固定于方形连接块上，右端与磨头连接块固定连接；十字轴套筒与下十字传动轴转动连接，并且上端与圆锥滚子轴承顶紧，圆锥滚子轴承与磨头连接块转动连接，绝缘套筒固定于下十字传动轴上，滑环固定于绝缘套筒上，绝缘垫片固定于绝缘套筒上，且位于两个滑环之间，电刷与滑环转动连接，压力传感器固定于磨头上。

10.采用如权利要求1～9任一项所述的一种多维超声辅助磁流变精密研抛机床的加工方法，包括下列步骤：

(1)、使用专用夹具装夹好毛坯，开启机床，对机床进行复位，设置磁流变液流量和超声振动的初始频率，并将磁流变液循环装置中的喷嘴相对于磨头的位置调整到位，对各部分测头进行校对检查，并设置机床其他装置的初始值及初始位置；

(2)、对需要加工的毛坯进行精确的在位测量，采集所需要数据，并进行大数据分析处理，检查数据是否合格，若不合格，则不满足所需数据的要求，返回重新进行在位测量和数据收集，直到数据合格，即满足所需数据的要求，再使用所收集的数据进行曲面重构获得毛坯的测量模型；

(3)、将设计模型输入机床的数控***，进行特征识别后与上一步得到的毛坯的测量模型进行模型匹配、比较，得出毛坯的测量模型与设计模型间的超差值，即加工余量；

(4)、得到加工余量之后，根据磨抛加工的特点和毛坯的材料特性进行余量分配，之后进行工艺决策，选定磨抛加工的加工轨迹，根据加工余量和加工轨迹设置磨抛加工过程中所需设置的其他参数，输入加工轨迹，生成数控加工程序，等待加工；

(5)、运行加工程序，开始进行磨抛加工，按照程序，机床在X、Y、Z轴三个方向上进行移动，将工具头移动到初始设定的毛坯表面正上方合适位置，为避免磨头与毛坯表面直接接触，造成两者损伤，先启动磁流变液循环装置，调整到位的喷嘴喷出磁流变液，润湿磨头和毛坯表面，待磨头和毛坯表面完全润湿后，再启动旋转电机和超声振动发生器，带动磨头旋转和超声振动，而磨头组件上的压力传感器会对磨头表面所受压力进行实时检测，进一步调节磨头相对于毛坯表面的高度和旋转工作台的摆动角度以及旋转角度，使得磨头与旋转工作台可以相互配合良好，完成对毛坯表面各部分的磨抛加工。

(6)、磨抛加工后，再次对半成品进行在位测量，采集数据建立测量模型，并与设计模型匹配、比较，检测测量模型是否超差，若未超差，则在精度要求范围内，加工完成；若测量模型有超差，则返回步骤(4)继续对超差值进行余量分配，进行下一个加工循环。