一种超精密加工用工件轴数控运动平台装置

摘要

一种超精密加工用工件轴数控运动平台装置，属于研抛加工技术领域。为了解决利用现有的工件主轴系统存在结构复杂、体积庞大，并且对于高精度直线电机不能充分满足防尘、隔磁、防切削液要求，不适于在小口径非球曲面加工机床上应用的问题。XY精密移动平台置于机床底座的容腔内，工作台安装在XY精密移动平台的X轴直线单元上，容腔的四周设有盖板，工作台的边缘与盖板之间设有风琴防护罩，工件主轴通过工件主轴支架安装在工作台上，且工件主轴的轴线与X轴直线单元的运动轴线平行，回液槽设置在工作台上用于回收加工液；CCD对刀装置安装在盖板上。充分考虑了运动部件的安全防护，设置有防切屑、防尘和切削液防护装置，确保了直线运动单元的安全运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密加工用工件轴数控运动平台装置，属于研抛加工技术领域。

技术背景

随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，各 种高精度高表面质量的小口径非球面零件得到广泛应用。这些零件其面型要求达到亚微米 级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表层损伤，需要经过超精密磨削和研抛加 工，才能满足其精度和表面质量的要求。对于这种复杂面型的高精度零件，其加工制造需 要采用高精度多轴联动加工装备来实现。这种多轴联动加工系统可以有多种不同的布局形 式，例如一个五轴联动的加工系统，大多采用由三个直线移动轴和两个旋转轴构成，即三 维X、Y、Z轴移动，工件轴转动和工具轴单元的摆动，可以通过控制机床上正交的X、 Y两个直线轴方向的运动带动工件轴进给，同时控制工具单元的位置和转角完成加工。

其中工件轴系统XY工作台的直线进给运动一般采用直线电机单元驱动，直线电机对 工作环境的要求比较严格，要严防磁导体吸附灰尘、粉末，如这些微粒被吸入直线电机的 定子与动子间的空隙中，电机将不能正常工作，因此需要对直线电机的磁性结构环节进行 有效防护。现阶段，在研制小口径非球面零件加工用多轴联动加工机床中，当采用高精度 直线电机作其直线运动部件时，对其防护仍有所欠缺，不能充分满足防尘、隔磁、防切削 液的要求；另外，安装于XY二维工作台上的工件主轴系统，其回转速度远低于刀具主轴 转速，并且对其回转精度的要求也较高，由于常规的工件主轴系统通常结构复杂、体积庞 大，不便于在小口径非球曲面加工机床上应用。

发明内容

本发明为了解决利用现有的工件主轴系统存在结构复杂、体积庞大，并且对于高精度 直线电机不能充分满足防尘、隔磁、防切削液要求，不适于在小口径非球曲面加工机床上 应用的问题，进而提供一种超精密加工用工件轴数控运动平台装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的一种超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机 床底座、盖板、风琴防护罩、工作台、工件主轴支架、工件主轴、CCD对刀装置和回液 槽；XY精密移动平台含有X轴直线单元和Y轴直线单元，X轴直线单元置于Y轴直线单 元上；机床底座上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔，XY精密移动平台置于机床底座 的容腔内，工作台安装在XY精密移动平台的X轴直线单元的上端面上，容腔的四周设有 盖板，工作台的边缘与盖板之间设有风琴防护罩，容腔的上部敞口通过工作台、工作台四 周的盖板以及工作台与盖板之间的风琴防护罩盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔 内；工件主轴通过工件主轴支架安装在工作台上，且工件主轴的轴线与X轴直线单元的 运动轴线平行，回液槽设置在工作台上用于回收加工液；CCD对刀装置安装在盖板上。

本发明的有益效果是：

本发明针对小口径非球曲面零件超精密磨削和研抛加工的需要，提供一种高精度工件 轴数控XY运动平台装置，该装置采用高精度的直线电机运动单元作为主要运动部件，并 设计了必要的防尘、防切削液溅射等安全保护装置；在XY工作平台上设计安装有高精度 的小型电主轴系统，在XY工作平台的带动下可进行X、Y轴方向的高精度直线运动。利 用高精度的多轴运动控制器可以实现多轴联动，完成非球曲面零件加工所需的运动轨迹。

所述装置经试制试用被证明效果显著，完全达到设计要求，X-Y轴行程100mm×100mm， 在主要加工范围50mm×50mm内，直线度≤3μm，闭环后的定位精度≤±0.3μm；工件主 轴的跳动≤1μm。

本发明的具体优点为：

a)充分考虑了运动部件的安全防护，设置有防切屑、防尘和切削液防护装置，确保了直 线运动单元的安全运行；

b)工件回转运动采用高精度小型电主轴系统，回转精度高，配置灵活，适合于小型超精 密加工装置；

c)采用高精度的直线电机运动单元作为主要运动部件，并配以多轴控制器进行闭环控 制，使装置具有很高的运动精度，可用于小口径高精度复杂曲面零件的超精密加工。

d)装置的关键结构件——基座等均采用花岗岩材料来制作，可以很好的吸收振动，因而 能够较大的提高装置的使用性能。

附图说明

图1是本发明的主视图，图2是图1的左视图(拆去回液槽和回液槽支架)，图3是 图1的俯视图。

图4是本发明与垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置构成一种小口径非球面永磁 式磁流变抛光加工机床的立体图；图5是图4的主视图；图6是图5的左视图，图6-1 是图6的A向局部视图；图7是图5的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式所述的一种超精密加工用工件轴数控 运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座1、盖板2、风琴防护罩3、工作台4、工 件主轴支架7、工件主轴8、CCD对刀装置17和回液槽18；XY精密移动平台含有X轴 直线单元6和Y轴直线单元5，X轴直线单元6置于Y轴直线单元5上；机床底座1上 设有用于容纳XY精密移动平台的容腔1-1，XY精密移动平台置于机床底座1的容腔1-1 内，工作台4安装在XY精密移动平台的X轴直线单元6的上端面上，容腔1-1的四周设 有盖板2，工作台4的边缘与盖板2之间设有风琴防护罩3，容腔1-1的上部敞口通过工 作台4、工作台4四周的盖板2以及工作台4与盖板2之间的风琴防护罩3盖住，将所述 XY精密移动平台封装在容腔1-1内；工件主轴8通过工件主轴支架7安装在工作台4上， 且工件主轴8的轴线与X轴直线单元6的运动轴线平行，回液槽18设置在工作台4上用 于回收加工液；CCD对刀装置17安装在盖板2上。

具体实施方式二：如图1～7所示，本实施方式所述XY精密移动平台采用美国Parker 公司的直线电机平台404T01LXR。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～7所示，本实施方式所述工件主轴8采用日本NSK公司的 精密电主轴NR50-5100ATC。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1～7所示，本实施方式所述机床底座1由花岗岩材料制成。 其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1～7所示，本实施方式所述机床底座1由基座1-13、左挡块 1-9、右挡块1-14、前挡块1-6和后挡块1-12构成，左挡块1-9、右挡块1-14、前挡块 1-6和后挡块1-12连接在基座1-13的上表面的四周，形成用于容纳XY精密移动平台的 容腔1-1。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：如图1～7所示，本实施方式所述盖板2由左侧盖板2-7、右侧盖 板2-2、前侧盖板2-5、后侧盖板2-11构成，用于容纳XY精密移动平台的容腔1-1的四 周分别设有左侧盖板2-7、右侧盖板2-2、前侧盖板2-5、后侧盖板2-11。其它组成及连 接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图1～7所示，本实施方式所述风琴防护罩3由前侧X向风琴防 护罩3-4、后侧X向风琴防护罩3-10、左侧Y向风琴防护罩3-8和右侧Y向风琴防护罩 3-3构成，前侧X向风琴防护罩3-4、后侧X向风琴防护罩3-10、左侧Y向风琴防护罩3-8、 右侧Y向风琴防护罩3-3设置在工作台4的边缘周围。其它组成及连接关系与具体实施方 式六相同。

具体实施方式八：如图1～7所示，本实施方式所述工件主轴8通过主轴夹持器35 安装在工件主轴支架7上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：如图1～7所示，本实施方式所述回液槽18通过回液槽支架34安 装在工作台4上。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：如图1～7所示，本实施方式所述超精密加工用工件轴数控运动平 台装置还包括位于容腔1-1内的两个下侧支撑架40和风琴罩托架41，下侧支撑架40的 横截面呈U形，风琴罩托架41呈四框体状，两个下侧支撑架40位于X轴直线单元6的左 右两侧，X轴直线单元6两端的下表面上的固定部件分别与一个下侧支撑架40底部连接， 风琴罩托架41的四周分别与前侧X向风琴防护罩3-4、后侧X向风琴防护罩3-10、左侧 Y向风琴防护罩3-8、右侧Y向风琴防护罩3-3连接，风琴罩支架41与两个下侧支撑架 40连接，X轴直线单元6通过两个下侧支撑架40带动风琴罩托架41作平移运动，从而带 动风琴防护罩3作收缩或伸展变形。其它组成及连接关系与具体实施方式七或九相同。

在具体实施方式一中，基座1-13是由花岗岩材料制成的一个大平台，其上四周由同 样是花岗岩材料制成的右挡块1-14、前挡块1-6、左挡块1-9和后挡块1-12组成的“围栏” 包围。四个挡块通过内六角螺钉38、内六角螺钉39和内六角螺钉43等联接在基座1-13 上，可以对安装在中间位置的直线电机运动部件起到一定的保护作用，同时也可以在其上 安装所需的加工工具装置。由于花岗岩具有很好的吸收振动的性能，因而可以提高装置的 动态性能。在基座1-13上表面的中间区域设置有Y轴直线单元5，Y轴直线单元5可以 通过下方的内六角螺钉31联接在基座1-13上，也可以使用螺钉32配合压板33从上方压 紧在基座1-13上。在Y轴直线运动单元5的运动部件上安装有X轴直线单元6。两个直 线单元通过其内部直线电机的电磁推力驱动，可分别沿装置的X轴和Y轴方向自由往复 平移。为了保证工件加工的精度，在安装过程中，X轴直线单元6与Y轴直线单元5通 过定位销固定联接在一起，二者的运动轴线必须保证严格的垂直。在X轴直线单元6的 运动部件上联接着工作台4，工作台4上设置有回液槽支架34和主轴支架7。回液槽18 安装在回液槽支架34上，用以回收工件区域的加工液。在主轴支架7上用螺钉联接着主 轴夹持器35，工件主轴8安装在主轴夹持器35的内孔中，通过旋紧螺钉42可以调整主 轴夹持器35的内孔和工件主轴8外圆柱面的间隙，利用摩擦力压紧电主轴。在安装过程 中，必须严格控制压紧力的大小，以防止工件主轴8损坏。主轴减速器36和主轴电机37 依次安装在工件主轴8后方，组成一个小型电主轴系统，由主轴电机37提供的高转速驱 动通过主轴减速器36减速后，可以使工件主轴8获得一个较低的转速，满足工件低速回 转的要求。这种小型电主轴系统安装简便，体积小，可以在工作台上灵活配置，同时又具 有较高的旋转精度，其跳动小于1μm，很适合应用于小口径非球曲面零件的超精密加工。

在右挡块1-14、前挡块1-6、左挡块1-9和后挡块1-12内侧上表面的阶梯槽围成的安 装台阶上，分别布置有右侧盖板2-2、前侧盖板2-5、左侧盖板2-7和后侧盖板2-11，将 中间四周的露空部分进行封盖。在X轴直线单元6的下表面固定部件上联接有两个下侧 支撑架40，其上安装着风琴罩托架41。风琴罩托架41的两个内侧面与工作台4之间安装 有Y向风琴防护罩3-3和3-8，两个外侧面与前侧盖板2-5、后侧盖板2-11之间分别安装 有X向风琴防护罩3-4和3-10。盖板和风琴防护罩用以对下面的直线电机运动部件起到 防尘作用，同时也可以防护一些加工液的飞溅，由此对高精度直线电机的使用性能与使用 寿命起到很好的保护作用，这也是本发明的一个关键环节所在。

本发明的工作原理与操作方法：

上述工件轴数控运动平台装置包括两个直线轴和一个工件电主轴，每个直线移动轴以 及电主轴都有独立的驱动器，其中两个直线移动轴的驱动器和其反馈信号线都与多轴控制 器进行联接，该多轴控制器可以对每个直线移动轴进行单独控制或联动控制，多轴控制器 和各联动轴、驱动器等构成了一个闭环的控制系统。通过上位机将加工代码或控制信号传 送给多轴控制器，来实现加工运动。

首先，将装置的各直线运动单元以及电主轴的驱动线和信号线分别与相应的驱动器进 行联接，再将直线单元的反馈线以及驱动器的信号线与多轴控制器进行联接，最后再将多 轴控制器与上位机进行联接，以构成一个完整的硬件系统。其次，将工件装夹到工件主轴 8上，在装夹过程中，必须保证装夹的有效定位和可靠夹紧。再次，对整个控制系统进行 上电，并对各个移动轴进行回零操作。将工件加工代码导入到上位机，开始进行工件的加 工。工件随工件主轴8做低速回转运动，在X、Y轴直线单元的带动下完成加工轨迹的运 动，配合其它安置在平台上方的加工装置，如磨削装置或研抛装置，可以完成工件所需的 加工。

本发明与垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置构成一种小口径非球面永磁式磁流 变抛光加工机床；即所述机床包括超精密加工用工件轴数控运动平台装置和垂直轴转台倒 挂式斜轴磁流变研抛装置；

超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座1、盖板2、 风琴防护罩3、工作台4、工件主轴支架7、工件主轴8、CCD对刀装置17和回液槽18； XY精密移动平台含有X轴直线单元6和Y轴直线单元5，X轴直线单元6置于Y轴直线 单元5上；

机床底座1上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔1-1，XY精密移动平台置于机床 底座1的容腔1-1内，工作台4安装在XY精密移动平台的X轴直线单元6的上端面上， 容腔1-1的四周设有盖板2，工作台4的边缘与盖板2之间设有风琴防护罩3，容腔1-1 的上部敞口通过工作台4、工作台4四周的盖板2以及工作台4与盖板2之间的风琴防护 罩3盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔1-1内；工件主轴8通过工件主轴支架7 安装在工作台4上，且工件主轴8的轴线与X轴直线单元6的运动轴线平行，回液槽18 设置在工作台4上用于回收磁流变液；CCD对刀装置17安装在盖板2上；

垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架9、Z轴直线单元10、直角连接架 11、转台12、二维精密微调位移台13、抛光头主轴14、抛光头主轴支架15和抛光工具 16；抛光工具16由永磁式抛光头16-1和抛光头连接杆16-2组成；

Z轴直线单元10安装在龙门架9上，转台12通过直角连接架11安装在Z轴直线单 元10上，转台12内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台13与抛光头主轴支架15 连接，抛光头主轴支架15具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架15上的抛光头主轴14 与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆16-2的一端安装在抛光头主轴14的夹头 上，抛光头连接杆16-2的另一端与永磁式抛光头16-1连接；

Z轴直线单元10与XY精密移动平台构成三维坐标系；龙门架9安装在机床底座1上； 利用二维精密微调位移台13和CCD对刀装置17调整永磁式抛光头16-1的空间位置，使 永磁式抛光头16-1的球心位于转台12的回转轴线上，CCD对刀装置17用于观测永磁式 抛光头16-1相对于工件的加工位置并通过Z轴直线单元10、XY精密移动平台时实调整二 者的相对位置，完成工件加工前的对刀。