CN113427397A - 一种完整单球体研磨抛光装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种完整单球体研磨抛光装置及加工方法，该装置包括设备机台、三个自由轨座滑台、三个电机研磨抛光组件、用于悬浮支撑球体均衡压力机构、研磨抛光液供给***，以及PLC电控***。所述PLC电控***分为粗磨、精磨、粗抛、精抛四套程序。其加工方法为：加工步骤分a.b.c.d四个步骤，在a、b、c三个步骤中，高转速值范围为150～200转/分钟，低转速值范围100～150转/分钟；在步骤d中，三电机的相同转速设置为前三步骤高低电机转速的平均值，保证球体在每一步骤中的运动速度基本相同。本发明采用等角均匀对称“三足鼎立”悬浮球体结构，使研磨头时刻与球体保持紧密贴合，有助于提高加工精度，通过PLC电控***，大大提高了加工效率。

Description

一种完整单球体研磨抛光装置及加工方法
技术领域
本发明属于机械加工设备技术领域，具体涉及一种完整单球体研磨抛光装置及加工方法。
技术背景
完整精密球体因其过球心截面均为相同规格圆的特性，是精密仪器设备的重要零部件，它可作为圆度仪的测量基准、静电陀螺仪转子、精密轴承的滚动体等。球体加工精度是对其构成的仪器设备可靠性、使用寿命起到关键决定性作用，因此对于完整精密球体加工设备及加工工艺技术的研究具有十分重要的意义。
精密球体的精度指标有“三度”之称，即尺寸精度、圆度精度和表面粗糙度，其中最为困难的是保证圆度精度（0.1～0.01μm）。对于直径大于50mm精密球体由于其大尺寸结构特点，常规的平面研磨和V型槽研磨技术不能保证加工精度。目前，在众多的加工技术中“四轴球体研磨机”是被公认的、也是应用较多的一种提高精度的加工方法，但其设备结构复杂、制造精度高，加工过程中人工经验参与度大，不利于批量生产。如何使被研磨、抛光完整球体在夹持研磨头中有规律的全方位旋转运动，是实现球体均匀研磨的充分条件，这也一直是该技术领域研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完整单球体研磨抛光装置，并采用PLC***控制各研磨头的正反转、转速、分步加工时间、总加工时间等工艺参数，实现球体在加工过程中原本杂乱无序运动变为有规律的全方位运动，消除无效运动及单轨迹过研磨误差，从而提高加工效率，提升加工质量和加工精度。
为实现上述目的，本发明装置技术方案如下：
一种完整单球体研磨抛光装置，包括设备机台、三个自由轨座滑台、三个电机研磨抛光组件、用于悬浮支撑球体均衡压力机构、研磨抛光液供给***，以及PLC电控***。
所述设备机台由厚钢板单面铣削加工，正中心有一大圆孔用于收集回收研磨抛光液，在圆孔圆周方向120°两两均匀分部三组安装斜板，共计6块，斜板的倾斜角度一致，角度尺寸范围为8°～15°，优选为10°。
所述三个自由轨座滑台，分别置于三组安装斜板上，螺栓紧固连接。每个自由轨座滑台由一件滑台基板、两根低摩擦精密直线导轨、四只直线滑块、一件直角电机支架组成。
所述三个电机研磨抛光组件，分别置于三个直角电机支架内，每个电机研磨抛光组件由驱动电机、联轴器、碗形研磨头组成。所述驱动电机为减速电机或步进电机，优选为步进电机。电机正反转可调节，转速可无极调速。所述联轴器采用金属波纹管联轴器，既能实现研磨头跟随电机芯轴同步转动，又具有通过压缩变形储能均匀施压和小幅度摆动，使研磨头时刻与球体保持紧密贴合。所述碗形研磨头是根据所研磨球体直径确定外圆直径，其外圆直径尺寸范围为球体直径的0.75～0.95之间；碗形研磨头刃口呈80°～110°夹角，与球体线或窄面环形接触研磨抛光；碗形研磨头材质根据球体材质及粗磨、精磨、粗抛、精抛四步工序确定，粗磨、精磨时可采用铝基复合棕刚玉、白刚玉、碳化硅、树脂金刚石400目～1000目等材质，配用水基乳化研磨冷却液；粗抛、精抛时可采用铝基粘附无纺抛光革、聚氨基甲酸乙酯人造抛光革等材质，配用1500目～2500目碳化硅、棕刚玉砂粉，40~100纳米氧化铝、二氧化硅等抛光液。
所述用于悬浮支撑球体均衡压力机构，采用三个柱状伸缩气囊（气囊的两端用直径相同的套环限制受力面积），进气口用管道相互连通，置于三电机研磨抛光组件后方，保证其对三电机研磨抛光组件压力均衡，使三电机研磨抛光组件向中心靠拢，形成斜向中心“三足鼎立”悬浮支撑起球体。柱状伸缩气囊由空气压缩机供气，采用减压阀控制，达到预设压力并维持恒定值。
所述研磨抛光液供给***，由储液箱、泵、管道、喷淋管、回收集液箱、沉淀箱、过滤***等组成，喷淋管由阀门控制流量置于球体上方，向球体表面均匀喷淋或滴淋研磨抛光液。
所述PLC电控***是球体研磨抛光运动轨迹呈现有规律的全方位运动的关键。PLC***控制分为粗磨、精磨、粗抛、精抛四套程序，每套程序均可对各电机的正反转、转速、分步加工时间、总加工时间等加工工艺参数进行设置。
一种完整单球体研磨抛光加工方法，每套加工程序又分为四个步骤循环进行加工：
步骤a，控制Ⅰ号电机正转，Ⅱ号电机反转，Ⅲ号电机正转，Ⅰ号Ⅱ号的转速大于Ⅲ号电机的转速，启动时Ⅰ号Ⅱ号电机略早于Ⅲ号电机1～2秒，试验验证球体就会沿着Ⅰ号Ⅱ号电机轴夹角中心垂直面（即Ⅲ号电机轴垂直面）上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤b；
步骤b，控制Ⅰ号电机正转，Ⅱ号电机正转，Ⅲ号电机反转，Ⅱ号Ⅲ号的转速大于Ⅰ号电机的转速，启动时Ⅱ号Ⅲ号电机略早于Ⅰ号电机1～2秒，球体就会沿着Ⅰ号电机轴垂直面上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤c；
步骤c，控制Ⅰ号电机反转，Ⅱ号电机正转，Ⅲ号电机正转，Ⅰ号Ⅲ号的转速大于Ⅱ号电机的转速，启动时Ⅰ号Ⅲ号电机略早于Ⅱ号电机1～2秒，球体就会沿着Ⅱ号电机轴垂直面上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤d；
步骤d，控制Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号电机均为正转，转速相同，同时启动，球体就会沿着水平面旋转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤a，四个步骤循环加工。
在a、b、c三个步骤中，设置高转速的电机转速值相同，转速值范围为150～200转/分钟，低转速的电机转速值相同，转速值范围100～150转/分钟；在步骤d中，三电机的相同转速设置为前三步骤高低电机转速的平均值，保证球体在每一步骤中的运动速度基本相同。并且设置每一步骤的分步加工时间相同，避免研磨抛光出现不均衡。总加工时间根据粗磨、精磨、粗抛、精抛每工序的研磨抛光量设置。
本发明装置的特点在于：1）完整单球体研磨抛光装置采用等角均匀对称“三足鼎立”悬浮球体结构，三个碗形研磨头以较大范围包覆托起球体，研磨抛光接触面大，有助于提高加工效率； 2）采用的金属波纹管联轴器，既能实现研磨头跟随电机芯轴同步转动，又具有通过压缩变形储能均匀施压和小幅度摆动，使研磨头时刻与球体保持紧密贴合，有助于提高加工精度；3）采用的柱状伸缩气囊悬浮支撑球体机构，较弹簧、气缸、油缸预压紧机构更佳容易实现压力均衡，无需压力传感器反馈反复调节，同样有助于提高加工精度；4）通过PLC电控***控制使球体研磨抛光运动轨迹呈现有规律的全方位循环往复旋转运动，实现设备自动化程度和可操作性更佳，加工精度质量更为稳定，加工效率大大提高。
附图说明
图1为本发明完整单球体研磨抛光装置立体结构示意图。
图2为本发明研磨抛光用碗形研磨头结构示意图。
图3为本发明装置在研磨抛光加工过程中， PLC电控***控制三个电机研磨抛光组件旋转，形成四个步骤球体运动轨迹图。
图中各标号名称分别为：1-完整球体，10-设备机台，20-自由轨座滑台，30-电机研磨抛光组件，40-悬浮支撑球体均衡压力机构、50-研磨抛光液供给***，60-PLC电控***；101-厚钢板基板，102-安装斜板，201-滑台基板，202-低摩擦精密直线导轨，203-滚珠直线滑块，204-直角电机支架，301-驱动电机，302-金属波纹管联轴器，303-碗形研磨头，401-柱状伸缩气囊，402-气囊进气口，501-研磨抛光液喷淋管，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为三个电机轴。
因50-研磨抛光液供给***和60-PLC电控***属于已知的通用装置，故在说明书示意图中未详细画出。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行完整地描述。
参看图1至图3所示，本实施例提供一种完整单球体研磨抛光装置，包括一个设备机台10，三个自由轨座滑台20，三个电机研磨抛光组件30，一套悬浮支撑球体均衡压力机构40，一套研磨抛光液供给***50和一套PLC电控***60。
所述一个设备机台10，由一个厚钢板基板101和六块安装斜板102组成，通过螺栓紧固连接。六块安装斜板102在制作中需同时装夹保证铣削倾斜角度一致，角度优选为10°。六块安装斜板102分成三组，组与组之间相互夹角为120°并于厚钢板基板101中心孔圆周均匀分布对称，其安装定位120°角度精度由厚钢板基板101的加工精度保证。
所述三个自由轨座滑台20，每个滑台由一块滑台基板201、两根低摩擦精密直线导轨202、四只滚珠直线滑块203、一个直角电机支架204组成。三个20-自由轨座滑台分别置于三组102-安装斜板上，螺栓紧固连接。
所述三个电机研磨抛光组件30，每个组件由一台驱动电机301、一个金属波纹管联轴器302、一个碗形研磨头303组成。三个电机研磨抛光组件30分别置于三个直角电机支架内。
所述一套悬浮支撑球体均衡压力机构40，采用三个柱状伸缩气囊401，分别置于电机研磨抛光组件30后方。三个气囊进气口402用管道相互连通，由空气压缩机供气，采用减压阀控制，达到预设压力并维持恒定。
本发明研磨抛光装置由上所述形成等角均匀对称“三足鼎立”悬浮球体结构，其关键部件结构设计更加合理，机体体积紧凑小巧。由60-PLC电控***控制三个研磨头旋转，带动球体如图3所示呈四个立体空间方向有规律的全方位循环往复运动，通过更换不同材质的碗形研磨头或采用多机装置设备连续加工，配合相适应研磨抛光液，使球体圆度精度误差经粗磨、精磨、粗抛、精抛四个工序不断趋小化进行，加工精度质量更为稳定，加工效率大大提高，且机械自动化程度高，操作方便易行，适用于批量生产。
经实际加工验证，对于直径30～160mm的实心钢球，直径50～200mm的实心陶瓷球、单晶硅球，加工最终的圆度精度误差均优于 0.1μm ，粗糙度均优于 0.04μm 。

Claims (6)

1.一种完整单球体研磨抛光装置，包括设备机台、三个自由轨座滑台、三个电机研磨抛光组件、用于悬浮支撑球体均衡压力机构、研磨抛光液供给***，以及PLC电控***，其特征在于：
所述设备机台由厚钢板单面铣削加工，正中心有一大圆孔用于收集回收研磨抛光液，在圆孔圆周方向120°两两均匀分部三组安装斜板，共计6块，斜板的倾斜角度一致，角度尺寸范围为8°～15°；
所述三个自由轨座滑台，分别置于三组安装斜板上，螺栓紧固连接，每个自由轨座滑台由一件滑台基板、两根低摩擦精密直线导轨、四只直线滑块、一件直角电机支架组成；
所述三个电机研磨抛光组件，分别置于三个直角电机支架内，每个电机研磨抛光组件由驱动电机、联轴器、碗形研磨头组成；
所述驱动电机为减速电机或步进电机，电机正反转可调节，转速可无极调速；所述联轴器采用金属波纹管联轴器，既能实现研磨头跟随电机芯轴同步转动，又具有通过压缩变形储能均匀施压和小幅度摆动，使研磨头时刻与球体保持紧密贴合； 所述碗形研磨头是根据所研磨球体直径确定外圆直径，其外圆直径尺寸范围为球体直径的0.75～0.95之间；碗形研磨头刃口呈80°～110°夹角，与球体线或窄面环形接触研磨抛光；
所述用于悬浮支撑球体均衡压力机构，采用三个柱状伸缩气囊，气囊的两端用直径相同的套环限制受力面积，进气口用管道相互连通，置于三电机研磨抛光组件后方，保证其对三电机研磨抛光组件压力均衡，使三电机研磨抛光组件向中心靠拢，形成斜向中心“三足鼎立”悬浮支撑起球体；
所述研磨抛光液供给***，由储液箱、泵、管道、喷淋管、回收集液箱、沉淀箱、过滤***等组成，喷淋管由阀门控制流量置于球体上方，向球体表面均匀喷淋或滴淋研磨抛光液。
所述PLC电控***分为粗磨、精磨、粗抛、精抛四套程序，每套程序均可对各电机的正反转、转速、分步加工时间、总加工时间等加工工艺参数进行设置。
2.如权利要求1所述的完整单球体研磨抛光装置，其特征在于，所述设备机台安装斜板角度尺寸范围，优选为10°。
3.如权利要求1所述的完整单球体研磨抛光装置，其特征在于，所述碗形研磨头材质根据球体材质及粗磨、精磨、粗抛、精抛四步工序确定，粗磨、精磨时可采用铝基复合棕刚玉、白刚玉、碳化硅、树脂金刚石400目～1000目等材质，配用水基乳化研磨冷却液；粗抛、精抛时可采用铝基粘附无纺抛光革、聚氨基甲酸乙酯人造抛光革等材质，配用1500目～2500目碳化硅、棕刚玉砂粉，40~100纳米氧化铝、二氧化硅等抛光液。
4.如权利要求1所述的完整单球体研磨抛光装置，其特征在于，所述悬浮支撑球体均衡压力机构的柱状伸缩气囊由空气压缩机供气，采用减压阀控制，达到预设压力并维持恒定值。
5.一种完整单球体研磨抛光加工方法，其特征在于，每套加工程序又分为四个步骤循环进行加工：
步骤a，控制Ⅰ号电机正转，Ⅱ号电机反转，Ⅲ号电机正转，Ⅰ号Ⅱ号的转速大于Ⅲ号电机的转速，启动时Ⅰ号Ⅱ号电机略早于Ⅲ号电机1～2秒，试验验证球体就会沿着Ⅰ号Ⅱ号电机轴夹角中心垂直面（即Ⅲ号电机轴垂直面）上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤b；
步骤b，控制Ⅰ号电机正转，Ⅱ号电机正转，Ⅲ号电机反转，Ⅱ号Ⅲ号的转速大于Ⅰ号电机的转速，启动时Ⅱ号Ⅲ号电机略早于Ⅰ号电机1～2秒，球体就会沿着Ⅰ号电机轴垂直面上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤c；
步骤c，控制Ⅰ号电机反转，Ⅱ号电机正转，Ⅲ号电机正转，Ⅰ号Ⅲ号的转速大于Ⅱ号电机的转速，启动时Ⅰ号Ⅲ号电机略早于Ⅱ号电机1～2秒，球体就会沿着Ⅱ号电机轴垂直面上下翻转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤d；
步骤d，控制Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号电机均为正转，转速相同，同时启动，球体就会沿着水平面旋转运动，该步骤加工时间设置为1～３分钟，停止后进入加工步骤a，四个步骤循环加工。
6.如权利要求5所述的完整单球体研磨抛光加工方法，其特征在于，在a、b、c三个步骤中，设置高转速的电机转速值相同，转速值范围为150～200转/分钟，低转速的电机转速值相同，转速值范围100～150转/分钟；在步骤d中，三电机的相同转速设置为前三步骤高低电机转速的平均值，保证球体在每一步骤中的运动速度基本相同，并且设置每一步骤的分步加工时间相同，避免研磨抛光出现不均衡，总加工时间根据粗磨、精磨、粗抛、精抛每工序的研磨抛光量设置。
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