CN113427325B - 一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及加工方法 - Google Patents

一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及加工方法，解决复杂曲面光学元件在加工过程中加工质量和加工效率无法同时保证的问题包括机床床身、Y向精密转台、Y向导轨组件、机床立柱、工具头、角度分度机构、集液池、XZ向精密转台、XZ向静压导轨组件；所述机床立柱固定在机床床身上，Y向导轨组件固定在机床立柱上，Y向精密转台固定在Y向导轨组件上；工具头固定在角度分度机构上，由角度分度机构驱动工具头进行俯仰运动；角度分度机构固定在XZ向精密转台上，XZ向精密转台固定在XZ向静压导轨上，XZ向导轨组件固定在机床床身上；集液池固定在机床床身上且位于工具头和Y向精密转台的下方。

Description

一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及加工方法
技术领域
本发明设计属于机械制造技术领域，具体涉及一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及其加工方法。
背景技术
随着光学技术的发展与应用的日益广泛，对光学元件表面的加工面形精度及表面质量的要求越来越高，光学元件的材料也逐渐向着具有硬脆特性的难加工材料方向发展。针对光学元件的加工如超声波抛光、离子束抛光、气囊抛光等由于自身条件的限制，抛光效率不高，同时无法实现小曲率光学表面的加工。而近些年新兴起的电磁流变协同抛光技术，基于电流变抛光和磁流变抛光效应复合叠加的电磁流变协同抛光技术，具有响应快、屈服应力大等优势，能够保证磨料分布的均匀性和稳定性，有效降低表面粗糙度，获得表面加工质量良好、亚表面损伤小的元件，为复杂自由曲面光学元件的加工提供了新的解决途径。因此，本发明提出了一种新型抛光机床设计及加工方法，以解决复杂曲面光学元件在加工过程中加工质量和加工效率无法同时保证的问题。
发明内容
本发明为解决超声波抛光、离子束抛光、气囊抛光等加工方法对复杂光学曲面元件加工时的问题以及解决复杂曲面光学元件在加工过程中加工质量和加工效率无法同时保证的问题，提出了一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床及其加工方法。
本发明采用的技术方案如下，结合附图：
一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，包括机床床身1、Y向精密转台2、Y向导轨组件3、机床立柱4、工具头5、角度分度机构6、集液池7、XZ 向精密转台8、XZ向静压导轨组件9；所述机床立柱4固定在机床床身1上，Y 向导轨组件3固定在机床立柱4上，Y向精密转台2固定在Y向导轨组件3上；工具头5固定在角度分度机构6上，由角度分度机构6驱动工具头5进行俯仰运动；角度分度机构6固定在XZ向精密转台8上，XZ向精密转台8固定在XZ 向静压导轨9上，XZ向导轨组件9固定在机床床身1上；集液池7固定在机床床身1上且位于工具头5和Y向精密转台2的下方。
进一步地，所述角度分度机构6中轴与工具头5上的安装孔过盈配合，角度分度机构6内部设有齿轮传动机构，齿轮传动机构与中轴固定，带动工具头5 整体进行俯仰运动。
进一步地，所述工具头5包括电磁场发生装置、动力输入部分以及制动部分；所述动力输入部分包括外壳组件、伺服电机509、从动件503、外联轴517、圆柱凸轮轴520以及旋钮527；伺服电机509固定于外壳组件的上方，外联轴 517、旋钮527、圆柱凸轮轴520以及从动件503均置于外壳组件内部；伺服电机509通过联轴器511与外联轴517连接，外联轴517通过轴承与外壳组件转动连接，外联轴517底部通过长销519与旋钮527连接，圆柱凸轮轴520上端通过花键与旋钮527内部连接，从动件503通过销504与圆柱凸轮轴520下端连接；所述制动部分包括刹车片507以及制动盘518，刹车片507套接在外联轴 517的下端并与外联轴517销连接；制动盘518空套在外联轴517上且位于刹车片507的上方，制动盘518通过连接长销穿过外联轴517上的长槽后与制动盘 518连接；所述电磁场发生装置安装在所述动力输入部分的底部。
优选地，所述外壳组件包括下端外壳505、中端外壳506、一号轴承端盖508、主轴外壳512、一号套筒513、一号圆螺母514；所述伺服电机509通过紧固螺栓固定于主轴外壳512的上方；所述一号套筒513外圈通过紧固螺栓安装在主轴外壳512的下侧小孔径端内壁，内圈通过一号轴承515与外联轴517连接；所述一号圆螺母514拧紧在圆柱凸轮轴520上方的第二段小径端，且与一号轴承515接触对一号轴承515轴向定位；中端外壳506内侧通过轴承与圆柱凸轮轴520连接，下端外壳505通过紧固螺栓与中端外壳506连接；一号轴承端盖 508通过螺栓固定安装到主轴外壳512的下方，用于一号轴承515的轴向定位。
进一步地，所述电磁场发生装置包括半球外壳521、辅助电极板524、多层圆柱筒525、四个环形电极板526、四个电磁铁501、四个辅助电极支撑筒502、四个支撑套筒522以及四个支撑架523；四个电磁铁501呈90°均匀分布，分别置于四个支撑套筒522内部，四个支撑套筒522紧贴多层圆柱筒525并安装在支撑架523上，支撑架523固定在所述外壳组件下端；多层圆柱筒525固定在所述从动件503上；环形电极板526置于多层圆柱筒525内；半球外壳521 固定在所述外壳组件，辅助电极支撑筒502紧套在半球外壳521的外侧并通过销连接，辅助电极板524固定在辅助电极支撑筒502内。
进一步地，所述Y向精密转台3与XZ向精密转台8结构相同；所述XZ向精密转台8包括底座801、二号轴承端盖802、定子绕组805、外壳808、连接台809、端盖811、永磁体815、输出转轴816；底座801固定在所述XZ向静压导轨组件9上，外壳808固定在底座801上，轴承端盖811固定连接在外壳808 顶部，二号轴承端盖802与底座801底部固定连接；输出转轴816置于外壳内部中间位置，输出转轴816上部轴端通过轴承与外壳808转动连接，输出转轴816下部轴端通过轴承与底座801转动连接；定子绕组805通过定子支撑806固定在外壳808内部，永磁体815嵌在输出转轴816上且其位置与定子绕组805 对应；输出转轴816顶端与连接台809固定连接，连接台809上方安装所述角度分度机构6。
进一步地，所述XZ向静压导轨组件9包括X轴静压导轨901及Z轴静压导轨902，X轴静压导轨901安装在机床床身1上，Z轴静压导轨902滑动连接在 X轴静压导轨901上，Z轴静压导轨902上固定XZ向精密转台8；X轴静压导轨 901与Z轴静压导轨902结构相同，Z向静压导轨包括工字形导轨90201、直线电机初级90202、直线电机次级90203及分体式溜板90204；直线电机初级90202 安装在工字形导轨90201的凹槽内，直线电机次级90203安装在分体式溜板 90204内侧下表面且其位置与直线电机初级90202相对，分体式溜板90204套在工字形导轨90201上。
进一步地，所述Y向导轨组件3包括驱动电机301、十字滑块联轴器302、滚珠螺母304、滚珠丝杠306、固定导轨308、连接平板309及移动导轨310；一号底部支撑座303固定于滚珠丝杠306的上方，滚珠丝杠306上、下端分别通过一个连接到机床立柱4上；驱动电机301通过十字滑块联轴器302与滚珠丝杠306连接，滚珠螺母304与滚珠丝杠306转动连接，滚珠螺母304通过螺母座305固定在连接平板309上，连接平板309上安装Y向精密转台2；固定导轨308固定在机床立柱4上，移动导轨310与固定导轨308滑动连接。
本发明同时提供一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床的加工方法，加工过程主要包括以下几个步骤：
步骤一、利用专用夹具将工件装夹至Y向精密转台上，开启机床，对机床复位，根据工件类型，将工具头角度调整到位，设置机床其他各部分初始参数值及初始位置；
步骤二、对工件进行在线测量，采集所需数据，进行曲面重构，获取工件测量模型；
步骤三、将工件设计模型输入机床数控***，进行特征识别后与上一步得到的工件测量模型进行模型匹配、比较，计算出加工余量，根据其加工余量选择加工参数；
步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回上一步重新选择加工参数；
步骤五、若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定工具头轨迹，生成相应的数控代码；
步骤六、进行数控加工，加工结束后，对加工后工件再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；
步骤六、判断步骤六的测量模型是否满足加工需求，若不满足加工要求，判断其是否可修复，若可修复，返回步骤二重新进行加。
本发明的优点在于：
1、本发明机床既能抛光自由曲面，又可以抛光大平面，并巧妙利用圆柱凸轮结构和分度角度装置实现点抛光和大平面抛光模式的转换，具有较好的灵活性与较为突出的面域加工能力。
2、本发明中将电流变抛光与磁流变抛光结合，通过正负极的布置方式以及NS极的布置方式，使电力线和磁力线的分布更加紧凑，保证了柔性抛光工具头的稳定性与刚度。
3、本发明中机床工具头的设计以及机床其他部分的设计，扩展了电流变与磁流变复合抛光技术的应用，为二者的结合提供了新的方法和思路。
附图说明
图1为机床的总体结构示意图
图2为工具头轴测图
图3为工具***内部结构示意图
图4为工具***内部局部结构示意图
图5为磁场发生装置与电场发生装置部分结构示意图
图6为工具头中圆柱凸轮轴结构示意图
图7为工具头中从动件结构示意图
图8为工具头中外联轴结构示意图
图9为工具头中动力输入部分局部结构示意图
图10为XZ向精密转台内部结构示意图
图11为XZ向静压导轨结构示意图
图12为Z向静压导轨结构示意图
图13为Z向静压导轨中分体式溜板结构示意图
图14为Y向导轨组件结构示意图
图15为工具头斜置抛光时磁极分布示意图
图16为机床的工作流程图
图中：
1、机床床身；2、Y向精密转台；3、Y向导轨组件；4、机床立柱；5、工具头；6、角度转换装置；7、集液池；8、XZ向精密转台；9、XZ向静压导轨组件；501、电磁铁；502、辅助电极支撑筒；503、从动件；504、销；505、下端外壳；506、中端外壳；507、刹车片；508、一号轴承端盖；509、伺服电机； 510、一号紧固螺栓；511、联轴器；512、主轴外壳；513、一号套筒；514、圆螺母；515、一号轴承；516、垫片；517、外联轴；518、制动盘；519、长销； 520、圆柱凸轮轴；521、半球外壳；522、支撑套筒；523、支撑架；524、辅助电极板；525、多层圆柱筒；526、环形电极板；801、底座；802、二号轴承端盖；803、二号圆螺母；804、下端盖；805、定子绕组；806、定子支撑；807、二号紧固螺栓；808、外壳；809、连接台；810、毡圈；811、端盖；812、二号套筒；813、二号轴承；814、上端盖；815、永磁体；816、轴；901、X轴静压导轨；902、Z轴静压导轨；90201、工字形导轨；90202、直线电机初级；90203、直线电机次级；90204、分体式溜板；902041、下幅板；902042、侧幅板；902043、上幅板；902044、螺钉；301、驱动电机；302、十字滑块联轴器；303、一号底部支撑座；304、滚珠螺母；305、螺母座；306、滚珠丝杠；307、二号底部支撑座；308、固定导轨；309、连接平板；310、移动导轨。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，包括机床床身1、Y向精密转台2、Y向导轨组件3、机床立柱4、工具头5、角度分度机构6、集液池7、XZ 向精密转台8、XZ向静压导轨组件9；所述机床立柱4固定在机床床身1上，Y 向导轨组件3固定在机床立柱4上，Y向精密转台2固定在Y向导轨组件3上；工具头5固定在角度分度机构6上，由角度分度机构6驱动工具头5进行俯仰运动；角度分度机构6固定在XZ向精密转台8上，XZ向精密转台8固定在XZ 向静压导轨9上，XZ向导轨组件9固定在机床床身1上；集液池7固定在机床床身1上且位于工具头5和Y向精密转台2的下方。
进一步地，所述角度分度机构6中轴与工具头5上的安装孔过盈配合，角度分度机构6内部设有齿轮传动机构，齿轮传动机构与中轴固定，带动工具头5 整体进行俯仰运动。
进一步地，所述工具头5包括电磁场发生装置、动力输入部分以及制动部分；所述动力输入部分包括外壳组件、伺服电机509、从动件503、外联轴517、圆柱凸轮轴520以及旋钮527；伺服电机509固定于外壳组件的上方，外联轴517、旋钮527、圆柱凸轮轴520以及从动件503均置于外壳组件内部；伺服电机509通过联轴器511与外联轴517连接，外联轴517通过轴承与外壳组件转动连接，外联轴517底部通过长销519与旋钮527连接，圆柱凸轮轴520上端通过花键与旋钮527内部连接，从动件503通过销504与圆柱凸轮轴520下端连接；所述制动部分包括刹车片507以及制动盘518，刹车片507套接在外联轴 517的下端并与外联轴517销连接；制动盘518空套在外联轴517上且位于刹车片507的上方，制动盘518通过连接长销穿过外联轴517上的长槽后与制动盘 518连接；所述电磁场发生装置安装在所述动力输入部分的底部。
优选地，所述外壳组件包括下端外壳505、中端外壳506、一号轴承端盖508、主轴外壳512、一号套筒513、一号圆螺母514；所述伺服电机509通过紧固螺栓固定于主轴外壳512的上方；所述一号套筒513外圈通过紧固螺栓安装在主轴外壳512的下侧小孔径端内壁，内圈通过一号轴承515与外联轴517连接；所述一号圆螺母514拧紧在圆柱凸轮轴520上方的第二段小径端，且与一号轴承515接触对一号轴承515轴向定位；中端外壳506内侧通过轴承与圆柱凸轮轴520连接，下端外壳505通过紧固螺栓与中端外壳506连接；一号轴承端盖 508通过螺栓固定安装到主轴外壳512的下方，用于一号轴承515的轴向定位。
进一步地，所述电磁场发生装置包括半球外壳521、辅助电极板524、多层圆柱筒525、四个环形电极板526、四个电磁铁501、四个辅助电极支撑筒502、四个支撑套筒522以及四个支撑架523；四个电磁铁501呈90°均匀分布，分别置于四个支撑套筒522内部，四个支撑套筒522紧贴多层圆柱筒525并安装在支撑架523上，支撑架523固定在所述外壳组件下端；多层圆柱筒525固定在所述从动件503上；环形电极板526置于多层圆柱筒525内；半球外壳521 固定在所述外壳组件，辅助电极支撑筒502紧套在半球外壳521的外侧并通过销连接，辅助电极板524固定在辅助电极支撑筒502内。
进一步地，所述Y向精密转台3与XZ向精密转台8结构相同；所述XZ向精密转台8包括底座801、二号轴承端盖802、定子绕组805、外壳808、连接台809、端盖811、永磁体815、输出转轴816；底座801固定在所述XZ向静压导轨组件9上，外壳808固定在底座801上，轴承端盖811固定连接在外壳808 顶部，二号轴承端盖802与底座801底部固定连接；输出转轴816置于外壳内部中间位置，输出转轴816上部轴端通过轴承与外壳808转动连接，输出转轴816下部轴端通过轴承与底座801转动连接；定子绕组805通过定子支撑806固定在外壳808内部，永磁体815嵌在输出转轴816上且其位置与定子绕组805 对应；输出转轴816顶端与连接台809固定连接，连接台809上方安装所述角度分度机构6。
进一步地，所述XZ向静压导轨组件9包括X轴静压导轨901及Z轴静压导轨902，X轴静压导轨901安装在机床床身1上，Z轴静压导轨902滑动连接在 X轴静压导轨901上，Z轴静压导轨902上固定XZ向精密转台8；X轴静压导轨 901与Z轴静压导轨902结构相同，Z向静压导轨包括工字形导轨90201、直线电机初级90202、直线电机次级90203及分体式溜板90204；直线电机初级90202 安装在工字形导轨90201的凹槽内，直线电机次级90203安装在分体式溜板 90204内侧下表面且其位置与直线电机初级90202相对，分体式溜板90204套在工字形导轨90201上。
进一步地，所述Y向导轨组件3包括驱动电机301、十字滑块联轴器302、滚珠螺母304、滚珠丝杠306、固定导轨308、连接平板309及移动导轨310；一号底部支撑座303固定于滚珠丝杠306的上方，滚珠丝杠306上、下端分别通过一个连接到机床立柱4上；驱动电机301通过十字滑块联轴器302与滚珠丝杠306连接，滚珠螺母304与滚珠丝杠306转动连接，滚珠螺母304通过螺母座305固定在连接平板309上，连接平板309上安装Y向精密转台2；固定导轨308固定在机床立柱4上，移动导轨310与固定导轨308滑动连接。
本发明同时提供一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床的加工方法，加工过程主要包括以下几个步骤：
步骤一、利用专用夹具将工件装夹至Y向精密转台上，开启机床，对机床复位，根据工件类型，将工具头角度调整到位，设置机床其他各部分初始参数值及初始位置；
步骤二、对工件进行在线测量，采集所需数据，进行曲面重构，获取工件测量模型；
步骤三、将工件设计模型输入机床数控***，进行特征识别后与上一步得到的工件测量模型进行模型匹配、比较，计算出加工余量，根据其加工余量选择加工参数；
步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回上一步重新选择加工参数；
步骤五、若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定工具头轨迹，生成相应的数控代码；
步骤六、进行数控加工，加工结束后，对加工后工件再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；
步骤六、判断步骤六的测量模型是否满足加工需求，若不满足加工要求，判断其是否可修复，若可修复，返回步骤二重新进行加。
实施例1
如图1所示，一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，主要包括机床床身1、Y向精密转台2、Y向导轨组件3、机床立柱4、工具头5、角度分度机构6、集液池7、XZ向精密转台8、XZ向静压导轨组件9；其中，机床立柱4通过螺栓固定安装在机床床身1的左侧，Y向导轨组件3通过螺栓固定安装在机床立柱4的中间位置，Y向精密转台2通过螺栓固定到Y向导轨组件3的连接平板 309中间位置处；角度分度机构6中轴与工具头5的主轴外壳512上的两个安装孔过盈配合，实现工具头5与角度分度机构6的固定安装，角度分度机构6内部设有齿轮传动机构，齿轮传动机构与中轴固定链接，使角度分度机构6可通过齿轮传动机构带动工具头5整体进行俯仰运动，实现工具头5不同角度的加工；角度分度机构6通过螺栓安装在XZ向精密转台8上，XZ向精密转台8通过螺栓固定到XZ向静压导轨9的上幅板902043的中间位置处，集液池7通过焊接方式固定到机床床身1的中间位置处，位于工具头5和Y向精密转台2的下方；XZ向导轨组件9通过螺栓固定连接至机床床身1的右侧。其中，XZ向导轨组件9外加防尘罩，机床床身1上安装防尘罩，大小适中，与机床床身1相配。
如图2至图9所示，所述工具头5具体包括电磁场发生装置、动力输入部分以及制动部分，该工具头整体结构紧凑，将电磁场发生装置全部集成到一起，电流变效应与磁流变效应的协同作用保证了加工效率与质量。
其中，所述动力输入部分主要包括从动件503、下端外壳505、中端外壳506、一号轴承端盖508、伺服电机509、联轴器511、主轴外壳512、一号套筒513、一号圆螺母514、一号轴承515、垫片516、外联轴517、长销519、圆柱凸轮轴 520以及旋钮527。伺服电机509输入转矩，通过联轴器511带动外联轴517旋转，外联轴517通过旋钮527及长销519带动圆柱凸轮轴520旋转，进而带动电磁场发生装置一起旋转。其中，伺服电机509通过一号紧固螺栓510固定于主轴外壳512的上方；伺服电机509通过联轴器511与外联轴517连接，联轴器511将伺服电机509产生的运动传至外联轴517上，联轴器511置于主轴外壳512内部；外联轴517底部开有三个槽，通过长销519将外联轴517与旋钮 527连接，实现旋钮527与外联轴517的共同转动；旋钮527内部有内花键，与圆柱凸轮轴520上方外花键部分配合连接，实现运动的传递；一号套筒513外圈通过紧固螺栓固定安装在主轴外壳512的下侧小孔径端内壁，内圈与一对一号轴承515的外圈过盈配合，一对一号轴承515的内圈与外联轴517过盈配合，使电磁场发生装置旋转时保持主轴外壳512静止状态；一号圆螺母514通过螺纹拧紧在圆柱凸轮轴520上方的第二段小径端，且一侧与一号轴承515侧面接触，保证一号轴承515的轴向定位；垫片516位于两个一号轴承515的中间；从动件503为一带花键的轴，并通过销504与圆柱凸轮轴520相连，当做旋转运动时，从动件503会随圆柱凸轮轴520一起旋转；下端外壳505通过一号紧固螺栓510与中端外壳506相连；中端外壳506内部通过一号轴承515与圆柱凸轮轴520配合，保证圆柱凸轮轴520加工时回转精度；一号轴承端盖508通过螺栓510固定安装到主轴外壳512的下方，用于一号轴承515的轴向定位。
所述圆柱凸轮轴520顶端为多段轴，轴的顶端为外花键，旋钮527中心孔内设有内花键，圆柱凸轮轴520与旋钮527通过花键连接，旋钮527上设有三个呈120°均匀分布的槽孔，用于安装连接长销519；连接长销519一端***旋钮527的孔内，另一端穿过外联轴517上的长槽后***制动盘518的安装孔内。
所述制动部分主要包括刹车片507以及制动盘518，主要用于工具头5不同工作状态(斜置抛光与垂直抛光)之间的切换；刹车片507套接在外联轴517 的下端，上面有开有三个孔用于安装长销519，通过三个呈120°均匀分布的长销519与外联轴517连接；制动盘518空套在外联轴517上，位于刹车片507 的上方，可沿轴向移动。
所述电磁场发生装置主要包括半球外壳521、辅助电极板524、多层圆柱筒 525、四个环形电极板526、四个电磁铁501、四个辅助电极支撑筒502、四个支撑套筒522以及四个支撑架523。四个电磁铁501呈90°均匀分布，分别置于四个支撑套筒522内部，四个支撑套筒522紧贴多层圆柱筒525并安装在支撑架523上，支撑架523通过一号紧固螺栓510固定安装到下端外壳505的小轴端部分；多层圆柱筒525上方为花键轴，通过螺钉连接方式固定在从动件503 上，随从动件503一起运动；环形电极板526置于多层圆柱筒525内；半球外壳521固定在下端外壳505底部，辅助电极支撑筒502紧套在半球外壳521的外侧并通过销固定，辅助电极板524固定在辅助电极支撑筒502内。
如图15所示，所述工具头5在加工时可根据需要进行45°斜置抛光或者垂直抛光。在进行45°斜置抛光时，角度分度机构6将工具头整体俯仰转动45°，使抛光工具头端部半圆球45°球小圆与工件抛光表面接触，此时多层圆柱筒525 位于最下端，支撑套筒522处于45°斜置状态，支撑套筒522内电磁铁501吸附主轴外壳512发生转动，不过由于多层圆柱筒525的限位作用，支撑套筒522 保持45°斜置状态。相邻电磁铁501极性相反，朝向工件呈“N-S-N-S”分布， N极向相邻的两个S极发射磁感线，S极接收来自相邻N极的磁感线，这样的磁极分布方式使磁感线更好的集中在抛光工具头周围，保证了除抛光区域外电磁流变液的流动性。此时电磁场发生装置的多重环形电极板526与环形辅助电极 524通电，相邻极板526极性相反，相邻极板526之间形成拱桥状电场，多层圆柱筒525中最外侧环形电极板526与辅助电极524之间也形成电场。当转换为垂直抛光时首先退刀，将抛光工具头5与工件分开一定距离后，角度分度装置6 带动抛光工具头5整体旋转，使其轴线与需要抛光的平面垂直。此时，四个电磁铁501断电，电磁铁501与半球外壳521之间的电磁力小时，电磁铁支撑套筒522可自由转动，多层圆柱筒525向上运动带动电磁铁501旋转，在多层圆柱筒525与支撑架523的限位与压紧作用下，电磁铁501处于竖直状态，电磁铁轴线与抛光工具头主体轴线平行。退刀完成后，电磁制动器通电，制动盘518 与刹车片507吸合，内花键旋钮向上运动，主轴电机509低速旋转，通过外联轴517带动抛光工具头主体旋转，此时凸轮从动件503也随工具头主体旋转，圆柱凸轮轴520静止，从动件503相对旋转90°，圆柱凸轮轴520中凸轮由近休止达到远休止，随后电磁制动器断电，制动盘与518刹车片507脱离，在重力作用下制动盘518向下滑动，圆柱凸轮轴520与从动件503一起旋转，无相对运动。最后，沿Z轴方向进刀，电磁铁501与环形电极板526通电开始抛光。
如附图10所示，所述Y向精密转台3与XZ向精密转台8内部结构相同，其中，XZ向精密转台8主要包括底座801、二号轴承端盖802、二号圆螺母803、下端盖804、定子绕组805、定子支撑806、二号紧固螺栓807、外壳808、连接台809、毡圈810、端盖811、二号套筒812、二号轴承813、上端盖814、永磁体815、输出转轴816。其中，底座801通过螺纹连接的方式固定到XZ向静压导轨组件9的上幅板902043的中间位置；二号轴承端盖802用于二号轴承813 外圈的轴向定位，它通过二号紧固螺栓807与二号套筒812及底座801固定连接；二号圆螺母803用于二号轴承813内圈的轴向定位，通过螺纹拧紧在输出转轴816小端螺纹部分；下端盖804安装在底座801的上方，置于外壳808内部，通过二号紧固螺栓807与定子支撑806固定连接，保证定子的轴向位置；定子绕组805置于定子支撑806的内部，当直驱电机通电时，驱动永磁体815 旋转，永磁体815嵌在输出转轴816上，输出转轴816进而使连接台809旋转；定子支撑806置于外壳806内部，上方通过二号紧固螺栓807与上端盖814相连，下方通过二号紧固螺栓807与下端盖804相连；外壳808为整个转台的外壳，与底座801通过二号紧固螺栓807固定连接；连接台809通过二号紧固螺栓807与输出转轴816末端相连，其上方安装角度分度机构6；轴承端盖811通过紧固螺栓与二号套筒812及外壳808固定连接，保证二号轴承813外圈的轴向定位；二号轴承813有一对，安装在输出转轴816两侧的轴端，其内圈随输出转轴816、永磁体815等一起转动，外圈同二号套筒812、外壳808等保持固定；毡圈810安装在输出转轴816最小端的轴颈处，置于端盖811内部，起到密封、防尘的作用；输出转轴816置于转台中间位置，由上至下连接元件依次为毡圈810、二号圆螺母803、二号轴承813、永磁体815、二号轴承813和二号圆螺母803，输出转轴816转动，带动连接台809一起转动。该精密转台采用直驱电机直接驱动，传动误差小，能够保证传动精度。
如附图11至图13所示，所述XZ向静压导轨组件9置于水平面内，安装在机床床身1右侧，主要包括X轴静压导轨901与Z轴静压导轨902，X轴静压导轨901与Z轴静压导轨902叠放，X轴静压导轨901分左右两条，通过螺栓连接方式安装在机床床身1上，Z轴静压导轨902置于X轴静压导轨901的上方，充当X轴静压导轨901的溜板，在X轴静压导轨901上滑动，Z轴静压导轨902上固定XZ向精密转台8，可随Z轴静压导轨902一起移动。X轴静压导轨901与Z轴静压导轨902结构相同，其中，Z向静压导轨包括工字形导轨90201、直线电机初级90202、直线电机次级90203及分体式溜板90204；工字形导轨90201通过螺纹连接固定安装在两个X向静压导轨的分体式溜板90104上，直线电机初级90202通过螺栓安装在工字形导轨90201的凹槽内部中间位置，直线电机次级90203通过螺纹连接方式安装在分体式溜板90204中上幅板902043的下表面中间位置处，与直线电机初级90202相对，但长度要短于直线电机初级90202，分体式溜板90204套在工字形导轨90201上。当机床工作时，借助液压***对 XZ向静压导轨9供油，分体式溜板90204随直线电机次级90203一起相对于直线电机初级90202移动，进而沿工字形导轨90201滑动。XZ向静压导轨组件9 中溜板采用分体式结构，以Z向静压导轨上方溜板90204为例，其主要结构包括下幅板902041、侧幅板902042、上幅板902043及螺钉902044。其中下幅板 902041与侧幅板902042、侧幅板902042与上幅板902043之间均通过螺钉902044 相连，且各幅板内部开有孔路，进油孔路与回油孔路不连通，相邻幅板有专门孔路用于回油，多个单独油路为各幅板供油。
如附图14所示，所述Y向导轨组件3采用滑动导轨，进给方式采用丝杠螺母副，主要包括驱动电机301、十字滑块联轴器302、一号底部支撑座303、滚珠螺母304、螺母座305、滚珠丝杠306、二号底部支撑座307、固定导轨308、连接平板309及移动导轨310。其中，一号底部支撑座303固定于滚珠丝杠306 的上方，滚珠丝杠306上端与一号底部支撑座303转动连接，一号底部支撑座 303顶端为十字滑块联轴器302，滚珠丝杠306最顶端置于十字滑块联轴器302 内部，通过键连接实现丝杠的周向固定，驱动电机301输入轴置于十字滑块联轴器302的另一段，与十字滑块联轴器302固定连接，周向固定通过键连接保证，驱动电机301输入轴转动，通过十字滑块联轴器302带动滚珠丝杠螺母副进行精确移动，滚珠螺母304与滚珠丝杠306转动连接，螺母座305固定于滚珠螺母304上，二号底部支撑座307固定于滚珠丝杠306的下方，与滚珠丝杠 306转动连接，固定导轨308和移动导轨310均有两条，移动导轨310与固定导轨308滑动连接，固定导轨308固定到机床立柱4左右两侧位置，位于滚珠丝杠306的左右两边，距离合适，连接平板309通过螺纹连接分别同螺母座305、两个移动导轨310固定连接，用于安装Y向精密转台2；在固定于机床立柱4的 Y向导轨组件3中，一号底部支撑座303与二号底部支撑座307均通过螺纹连接固定于机床立柱4中间位置上，两条固定导轨308通过螺纹连接固定于机床立柱4左右两侧位置处，同滚珠丝杠306相隔合适距离。
实施例2
如图16所示，一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床的加工方法，加工过程主要包括以下几个步骤：
(1)利用专用夹具将毛坯或半成品装夹至Y向精密转台上，开启机床，对机床复位，根据加工毛坯类型，将工具头角度调整到位，对机床各部分进行校对检查，设置机床其他各部分初始参数值及初始位置。
(2)对所加工毛坯进行精确的在线测量，采集所需数据，进行曲面重构，获取毛坯测量模型。
(3)将毛坯设计模型输入机床数控***，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之间的超差值，即加工余量，根据其加工余量选择合适的加工参数。
(4)根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回上一步重新选择加工参数。
(5)若不存在干涉碰撞，进行相关数控编程，确定工具头轨迹，进而生成相应的数控代码，等待加工。
(6)将上一步所获得的加工程序运行，开始实际加工.加工结束后，对加工后工件再次进行精密测量，并根据曲面重构获取测量模型。
(7)判断该测量模型是否满足加工需求，若不满足加工要求，判断其是否可修复，若可修复，返回步骤(2)重新进行加工。
(8)若加工后成品满足加工需求或者不满足加工需求且不可修复，则结束加工。

Claims (8)

1.一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，包括机床床身(1)、Y向精密转台(2)、Y向导轨组件(3)、机床立柱(4)、工具头(5)、角度分度机构(6)、集液池(7)、XZ向精密转台(8)、XZ向静压导轨组件(9)；所述机床立柱(4)固定在机床床身(1)上，Y向导轨组件(3)固定在机床立柱(4)上，Y向精密转台(2)固定在Y向导轨组件(3)上；工具头(5)固定在角度分度机构(6)上，由角度分度机构(6)驱动工具头(5)进行俯仰运动；角度分度机构(6)固定在XZ向精密转台(8)上，XZ向精密转台(8)固定在XZ向静压导轨组件(9)上，XZ向导轨组件9固定在机床床身(1)上；集液池(7)固定在机床床身(1)上且位于工具头(5)和Y向精密转台(2)的下方；
所述工具头(5)包括电磁场发生装置、动力输入部分以及制动部分；所述动力输入部分包括外壳组件、伺服电机(509)、从动件(503)、外联轴(517)、圆柱凸轮轴(520)以及旋钮(527)；伺服电机(509)固定于外壳组件的上方，外联轴(517)、旋钮(527)、圆柱凸轮轴(520)以及从动件(503)均置于外壳组件内部；伺服电机(509)通过联轴器(511)与外联轴(517)连接，外联轴(517)通过轴承与外壳组件转动连接，外联轴(517)底部通过长销(519)与旋钮(527)连接，圆柱凸轮轴(520)上端通过花键与旋钮(527)内部连接，从动件(503)通过销(504)与圆柱凸轮轴(520)下端连接；所述制动部分包括刹车片(507)以及制动盘(518)，刹车片(507)套接在外联轴(517)的下端并与外联轴(517)销连接；制动盘(518)空套在外联轴(517)上且位于刹车片(507)的上方，制动盘(518)通过连接长销穿过外联轴(517)上的长槽后与制动盘(518)连接；所述电磁场发生装置安装在所述动力输入部分的底部。
2.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述角度分度机构(6)中轴与工具头(5)上的安装孔过盈配合，角度分度机构(6)内部设有齿轮传动机构，齿轮传动机构与中轴固定，带动工具头(5)整体进行俯仰运动。
3.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述外壳组件包括下端外壳(505)、中端外壳(506)、一号轴承端盖(508)、主轴外壳(512)、一号套筒(513)、一号圆螺母(514)；所述伺服电机(509)通过紧固螺栓固定于主轴外壳(512)的上方；所述一号套筒(513)外圈通过紧固螺栓安装在主轴外壳(512)的下侧小孔径端内壁，内圈通过一号轴承(515)与外联轴(517)连接；所述一号圆螺母(514)拧紧在圆柱凸轮轴(520)上方的第二段小径端，且与一号轴承(515)接触对一号轴承(515)轴向定位；中端外壳(506)内侧通过轴承与圆柱凸轮轴(520)连接，下端外壳(505)通过紧固螺栓与中端外壳(506)连接；一号轴承端盖(508)通过螺栓固定安装到主轴外壳(512)的下方，用于一号轴承(515)的轴向定位。
4.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述电磁场发生装置包括半球外壳(521)、辅助电极板(524)、多层圆柱筒(525)、四个环形电极板(526)、四个电磁铁(501)、四个辅助电极支撑筒(502)、四个支撑套筒(522)以及四个支撑架(523)；四个电磁铁(501)呈90°均匀分布，分别置于四个支撑套筒(522)内部，四个支撑套筒(522)紧贴多层圆柱筒(525)并安装在支撑架(523)上，支撑架(523)固定在所述外壳组件下端；多层圆柱筒(525)固定在所述从动件(503)上；环形电极板(526)置于多层圆柱筒(525)内；半球外壳(521)固定在所述外壳组件，辅助电极支撑筒(502)紧套在半球外壳(521)的外侧并通过销连接，辅助电极板(524)固定在辅助电极支撑筒(502)内。
5.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述Y向精密转台3与XZ向精密转台(8)结构相同；所述XZ向精密转台(8)包括底座(801)、二号轴承端盖(802)、定子绕组(805)、外壳(808)、连接台(809)、端盖(811)、永磁体(815)、输出转轴(816)；底座(801)固定在所述XZ向静压导轨组件(9)上，外壳(808)固定在底座(801)上，轴承端盖(811)固定连接在外壳(808)顶部，二号轴承端盖(802)与底座(801)底部固定连接；输出转轴(816)置于外壳内部中间位置，输出转轴(816)上部轴端通过轴承与外壳(808)转动连接，输出转轴(816)下部轴端通过轴承与底座(801)转动连接；定子绕组(805)通过定子支撑806固定在外壳(808)内部，永磁体(815)嵌在输出转轴(816)上且其位置与定子绕组(805)对应；输出转轴(816)顶端与连接台(809)固定连接，连接台(809)上方安装所述角度分度机构(6)。
6.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述XZ向静压导轨组件(9)包括X轴静压导轨(901)及Z轴静压导轨(902)，X轴静压导轨(901)安装在机床床身(1)上，Z轴静压导轨(902)滑动连接在X轴静压导轨(901)上，Z轴静压导轨(902)上固定XZ向精密转台(8)；X轴静压导轨(901)与Z轴静压导轨(902)结构相同，Z向静压导轨包括工字形导轨(90201)、直线电机初级(90202)、直线电机次级(90203)及分体式溜板(90204)；直线电机初级(90202)安装在工字形导轨(90201)的凹槽内，直线电机次级(90203)安装在分体式溜板(90204)内侧下表面且其位置与直线电机初级(90202)相对，分体式溜板(90204)套在工字形导轨(90201)上。
7.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床，其特征在于，所述Y向导轨组件(3)包括驱动电机(301)、十字滑块联轴器(302)、滚珠螺母(304)、滚珠丝杠(306)、固定导轨(308)、连接平板(309)及移动导轨(310)；一号底部支撑座303固定于滚珠丝杠(306)的上方，滚珠丝杠(306)上、下端分别通过一个连接到机床立柱(4)上；驱动电机(301)通过十字滑块联轴器(302)与滚珠丝杠(306)连接，滚珠螺母(304)与滚珠丝杠(306)转动连接，滚珠螺母(304)通过螺母座(305)固定在连接平板(309)上，连接平板(309)上安装Y向精密转台(2)；固定导轨(308)固定在机床立柱(4)上，移动导轨(310)与固定导轨(308)滑动连接。
8.如权利要求1所述的一种电磁流耦合光学曲面精密抛光加工机床的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用专用夹具将工件装夹至Y向精密转台上，开启机床，对机床复位，根据工件类型，将工具头角度调整到位，设置机床其他各部分初始参数值及初始位置；
步骤二、对工件进行在线测量，采集所需数据，进行曲面重构，获取工件测量模型；
步骤三、将工件设计模型输入机床数控***，进行特征识别后与上一步得到的工件测量模型进行模型匹配、比较，计算出加工余量，根据其加工余量选择加工参数；
步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回上一步重新选择加工参数；
步骤五、若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定工具头轨迹，生成相应的数控代码；
步骤六、进行数控加工，加工结束后，对加工后工件再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；
步骤六、判断步骤六的测量模型是否满足加工需求，若不满足加工要求，判断其是否可修复，若可修复，返回步骤二重新进行加。
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