一种并联五轴光学镜面加工装备制造技术

本发明专利技术公布了一种并联五轴光学镜面加工装备，包括加工刀具单元、以及在光学镜面加工过程中为加工刀具提供所需路径、加工力和加工姿态的驱动机构，所述驱动机构包括动平台、静平台、五条UPS驱动支链以及一条UPU约束支链。工作时，五条UPS支链同时对刀具架驱动并通过UPU约束支链对Z方向的旋转运动进行约束，从而实现三个方向平动运动和两个方向上的转动运动。同时，由多传感器构成的运动检测与补偿系统可对运动过程量进行实时检测与补偿。本发明专利技术提出的并联型镜面加工装备具有刚度大，精度高，结构稳定，能够实现对大型光学镜面进行精密加工的要求。

A parallel five axis optical mirror processing equipment

The invention discloses a parallel five-axis optical mirror processing equipment, which comprises a cutting tool unit and a driving mechanism for providing the required path, processing force and processing posture for the cutting tool during the optical mirror processing. The driving mechanism comprises a moving platform, a static platform, five UPS driving chains and a UPU restraining branch. Chain. When working, the five UPS branches drive the tool holder at the same time and restrict the Z-direction rotation movement through the UPU constraint branches, so as to realize the translation movement in three directions and the rotation movement in two directions. At the same time, the motion detection and compensation system composed of multi-sensors can detect and compensate the motion process in real time. The parallel mirror processing equipment of the invention has the advantages of high stiffness, high precision and stable structure, and can realize the requirements of precision machining for large optical mirrors.

【技术实现步骤摘要】
一种并联五轴光学镜面加工装备
本专利技术涉及一种光学镜面加工设备，具体涉及一种并联五轴光学镜面加工装备，属于精密部件加工设备

技术介绍
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，然而，传统的手工修抛加工方法和机床辅助的人工修抛方法无论从加工精度还是加工效率方面已不能满足目前的应用需求。现有大型光学镜面加工装备多由一个或多个串联机械臂组成，而镜面加工过程对设备高刚度的要求使得机械臂往往比较笨重，同时由于串联机械臂本身定位精度低，因此需要反复重复“面形测量-研抛加工”的工序，严重影响工作效率。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种并联五轴光学镜面加工装备，整体设备刚度高，累计误差小，加工精度高，有效提高光学镜面加工效率。为了解决上述问题，本专利技术一种并联五轴光学镜面加工装备，包括加工单元、大镜面支撑架单元以及镜面旋转固定单元，所述加工单元包括加工刀具单元、以及在光学镜面加工过程中为加工刀具提供所需路径、加工力和加工姿态的驱动机构；所述驱动机构为并联驱动机构，包括静平台、五条UPS驱动支链、一条UPU约束支链和动平台，静平台的面积大于动平台，五条UPS驱动支链的上端均匀布置在静平台的边端，五条UPS驱动支链的下端均匀布置在动平台的边端，UPU约束支链的上下两端分别设在静平台和动平台的中心位置；五条UPS驱动直链的结构完全相同，均包括伺服电机、驱动链轴承机构、滚珠丝杠副和球铰链，驱动链轴承机构包括驱动链轴承固定架和驱动链轴承，驱动链轴承固定架通过一对驱动链轴承安装在静平台的边端，滚珠丝杠副中的外壳两端具有连接轴，连接轴通过另一对驱动链轴承安装在驱动链轴承固定架上，伺服电机固定在滚珠丝杠副的顶端并与滚珠丝杠伸缩杆的上端相连，滚珠丝杠伸缩杆的下端通过连接头与球铰链相连，球铰链与动平台边端相连；UPU约束支链包括虎克铰链、花键杆、约束支链轴承固定架、约束支链轴承、花键套筒和虎克铰链连接座，约束支链轴承固定架通过一对约束支链轴承安装在静平台的中心，花键套筒上部两端具有连接轴，连接轴通过另一对约束链轴承安装在约束支链轴承固定架上，花键杆配合安装在花键套筒内，花键杆的下端与虎克铰链相连，虎克铰链通过虎克铰链连接座安装在静平台的中心位置。五条UPS驱动直链和UPU约束支链并联为加工刀具提供加工过程所需的路径，加工力以及加工姿态，五条UPS驱动直链均匀连接在静平台和动平台之间，伺服电机驱动滚珠丝杠副从而使滚珠丝杠伸缩杆伸缩，且其上端通过U型副与静平台相连，下端通过球铰链与动平台相连，通过五条UPS驱动直链的不同伸缩长度实现动平台空间不可控的六自由度运动，UPU驱动支链布置在静平台和动平台中心位置，且在静平台上通过U型副连接，在动平台上通过虎克铰链连接，该支链不提供运动驱动，且该支链通过花键套筒和花键杆的组合结构约束动平台绕Z轴的旋转动作，从而整个并联驱动机构实现了刀具驱动机构X、Y、Z方向的直线运动和绕X、Y轴的旋转运动五个自由度的可控动作。这种采用五条UPS驱动支链和一条UPU约束支链并联的方式实现空间五自由度的运动，减少了串并联或者纯串联加工机床产生的累积误差，大大提高了装备加工精度；且这种并联形成的刀具加工驱动机构整体装备刚度高，机床承载力强。上文中所提到U型副通过框架型轴承固定架以及两对轴承来实现，还可以采用万向节的连接形式实现支链两个方向的摆动。如图所示，加工刀具单元包括支撑架、电机、刀具架和刀具，支撑架固定在动平台的底部，所述刀具架为一方形框架并通过方形销固定在支撑架上，电机安装固定在刀具架内，刀具通过刀具盘安装在刀具架的底部，并通过电机驱动刀具的旋转。加工刀具单元通过动平台的动作实现刀具的定位，通过支撑架和刀具架实现刀具的承载，结构紧凑，占据空间小。进一步的，大镜面支撑架单元包括镜面旋转台支撑座，机床支撑架以及驱动机构支撑架，镜面旋转台支撑座连接在机床支撑架的下端，驱动机构支撑架连接在机床支撑架的上端；镜面旋转固定单元包括安装在镜面旋转台支撑座上的镜面旋转台以及设在镜面旋转台圆周上的若干个大镜面卡盘，待加工大镜面通过大镜面卡盘固定在镜面旋转台上，镜面旋转台的底部具有与之相连的旋转驱动机构。驱动机构支撑架和静平台相连，为加工驱动机构提供支撑；镜面旋转台支撑座用于安装镜面旋转台，所述镜面旋转台支撑座上具有圆形导轨槽，镜面旋转台卡装在上述导轨槽中并在旋转驱动机构的带动下旋转；所述大镜面卡盘用于定位安装待加工大镜面，大镜面卡盘包括卡块以及压板，镜面旋转台径向开有滑槽，卡块可以沿着滑槽移动并通过压板固定，从而实现对不同尺寸的镜面的定位紧固。作为进一步的改进方案，UPS驱动支链的球铰链下端通过楔块与动平台相连，所述楔块的角度为15°—45°。由于静平台的尺寸大于动平台，因此五条UPS驱动支链均是倾斜设置，为了弥补球铰链转角的限制，使刀具的加工范围更大，因此在球铰链的底部设置楔块。五条UPS驱动支链上均安装有光栅尺，光栅尺中的标尺光栅安装在滚珠丝杠副的外壳上端，光栅读数头安装在滚珠丝杠伸缩杆上端。所述的光栅尺为直线位移型光栅尺，可以实时检测UPS驱动支链的长度变化。动平台上安装有姿态陀螺仪。姿态陀螺仪可以实时检测动平台的姿态变化。镜面旋转台的四个方向上均匀布置有水平仪，对镜面旋转台的水平度进行检测和校对。进一步的，本装备还包括PC机以及运动控制卡，PC机的上位机软件通过运动控制卡控制伺服电机的运动，光栅尺和姿态陀螺仪将测量信息反馈至PC机。进一步的，运动控制卡采用至少六轴控制卡类型。光栅尺和陀螺仪将检测信息实时传输至PC机，PC机根据反馈信息通过运动控制卡分别控制六个支链的动作，一方面可以实现运动过程中的实时检测，并实现运动误差的补偿，使得整个系统实现了闭环控制，很大程度上提高了镜面加工精度，另一方面，当机床出现运动失稳状态时，可以及时停止加工刀具的运动，提高系统的安全性。本专利技术引入了并联机构作为加工机床的主体，具有刚度大，承载力强的优点；与串联型加工机床相比，该设备采用五条UPS支链进行驱动，UPU支链提供运动恰约束和刀具架的承载，结构更加紧凑，运动累积误差小，加工精度高；光栅尺和陀螺仪的引入，可以实现运动过程中的实时检测，并实现运动误差的补偿，使得整个系统实现了闭环控制，极大地提高了镜面加工精度，当机床出现运动失稳状态时，还可以及时停止加工刀具的运动，提高系统的安全性；旋转式的镜面支撑单元很好的弥补了并联机床工作空间不够大的缺点，满足了对大镜面加工的要求。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为本专利技术中驱动结构立体结构示意图；图3为本专利技术中UPS驱动支链立体结构示意图；图4为本专利技术中UPU约束支链立体结构示意图；图5为本专利技术控制系统框图；图中：1、机床支撑架，2、驱动机构支撑架，3、伺服电机，4、静平台，5、UPS驱动支链，5-1、驱动链轴承机构，5-1-1、驱动链轴承固定架，5-1-2、驱动链轴承，5-2、滚珠丝杠副，5-2-1、外壳，5-2-2、滚珠丝杠伸缩杆，5-3、球铰链，6、UPU约束支链，6-1、虎克铰链，6-2、花键杆，6-3、约束支链轴承固定架，6-4、花键套筒，6-5、虎克铰连接座，6-6、约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并联五轴光学镜面加工装备，包括加工单元、大镜面支撑架单元以及镜面旋转固定单元，所述加工单元包括加工刀具单元、以及在光学镜面加工过程中为加工刀具提供所需路径、加工力和加工姿态的驱动机构；其特征在于，所述驱动机构为并联驱动机构，包括静平台(4)、五条UPS驱动支链(5)、一条UPU约束支链(6)和动平台(7)，静平台(4)的面积大于动平台(7)，五条UPS驱动支链(5)的上端均匀布置在静平台(4)的边端，五条UPS驱动支链(5)的下端均匀布置在动平台(7)的边端，UPU约束支链(6)的上下两端分别设在静平台(4)和动平台(7)的中心位置；五条UPS驱动直链(5)的结构完全相同，均包括伺服电机(3)、驱动链轴承机构(5‑1)、滚珠丝杠副(5‑2)和球铰链(5‑3)，驱动链轴承机构(5‑1)包括驱动链轴承固定架(5‑1‑1)和驱动链轴承(5‑1‑2)，驱动链轴承固定架(5‑1‑1)通过一对驱动链轴承(5‑1‑2)安装在静平台(4)的边端，滚珠丝杠副(5‑2)中的外壳(5‑2‑1)两端具有连接轴，连接轴通过另一对驱动链轴承(5‑1‑2)安装在驱动链轴承固定架(5‑1‑1)上，伺服电机(3)固定在滚珠丝杠副(5‑2)的顶端并与滚珠丝杠伸缩杆(5‑2‑2)的上端相连，滚珠丝杠伸缩杆(5‑2‑2)的下端通过连接头(15)与球铰链(5‑3)相连，球铰链(5‑3)与动平台(7)边端相连；UPU约束支链(6)包括虎克铰链(6‑1)、花键杆(6‑2)、约束支链轴承固定架(6‑3)、约束支链轴承(6‑6)、花键套筒(6‑4)和虎克铰链连接座(6‑5)，约束支链轴承固定架(6‑3)通过一对约束支链轴承(6‑6)安装在静平台(4)的中心，花键套筒(6‑4)上部两端具有连接轴，连接轴通过另一对约束链轴承(6‑6)安装在约束支链轴承固定架(6‑3)上，花键杆(6‑2)配合安装在花键套筒(6‑4)内，花键杆(6‑2)的下端与虎克铰链(6‑1)相连，虎克铰链(6‑1)通过虎克铰链连接座(6‑5)安装在静平台(4)的中心位置。...

【技术特征摘要】
1.一种并联五轴光学镜面加工装备，包括加工单元、大镜面支撑架单元以及镜面旋转固定单元，所述加工单元包括加工刀具单元、以及在光学镜面加工过程中为加工刀具提供所需路径、加工力和加工姿态的驱动机构；其特征在于，所述驱动机构为并联驱动机构，包括静平台(4)、五条UPS驱动支链(5)、一条UPU约束支链(6)和动平台(7)，静平台(4)的面积大于动平台(7)，五条UPS驱动支链(5)的上端均匀布置在静平台(4)的边端，五条UPS驱动支链(5)的下端均匀布置在动平台(7)的边端，UPU约束支链(6)的上下两端分别设在静平台(4)和动平台(7)的中心位置；五条UPS驱动直链(5)的结构完全相同，均包括伺服电机(3)、驱动链轴承机构(5-1)、滚珠丝杠副(5-2)和球铰链(5-3)，驱动链轴承机构(5-1)包括驱动链轴承固定架(5-1-1)和驱动链轴承(5-1-2)，驱动链轴承固定架(5-1-1)通过一对驱动链轴承(5-1-2)安装在静平台(4)的边端，滚珠丝杠副(5-2)中的外壳(5-2-1)两端具有连接轴，连接轴通过另一对驱动链轴承(5-1-2)安装在驱动链轴承固定架(5-1-1)上，伺服电机(3)固定在滚珠丝杠副(5-2)的顶端并与滚珠丝杠伸缩杆(5-2-2)的上端相连，滚珠丝杠伸缩杆(5-2-2)的下端通过连接头(15)与球铰链(5-3)相连，球铰链(5-3)与动平台(7)边端相连；UPU约束支链(6)包括虎克铰链(6-1)、花键杆(6-2)、约束支链轴承固定架(6-3)、约束支链轴承(6-6)、花键套筒(6-4)和虎克铰链连接座(6-5)，约束支链轴承固定架(6-3)通过一对约束支链轴承(6-6)安装在静平台(4)的中心，花键套筒(6-4)上部两端具有连接轴，连接轴通过另一对约束链轴承(6-6)安装在约束支链轴承固定架(6-3)上，花键杆(6-2)配合安装在花键套筒(6-4)内，花键杆(6-2)的下端与虎克铰链(6-1)相连，虎克铰链(6-1)通过虎克铰链连接座(6-5)安装在静平台(4)的中心位置。2.根据权利要求1所述并联五轴光学镜面加工装备，其特征在于，加工刀具单元(8)包括支撑架...

【专利技术属性】
技术研发人员：程刚，郭锋，万勇建，董含，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32