本实用新型专利技术公开了一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置，包括多自由度机械臂、研抛工具、研抛工具修整装置和摆臂轮廓仪，研抛工具包括研抛盘、超声波振动辅助装置和驱动装置，所述抛光盘由上至下具有刚性层、梯度弹性层、均质层，工具的中心设置用于流通抛光液的流道；所述的研抛工具修整装置包括转盘驱动电机、金刚石磨盘；所述摆臂轮廓仪包括横臂、轮廓仪、横臂支架。该系统结构简单，自动化程度高，可以根据工件所处的加工阶段自动更换混有不同参数组合的研抛工具，可针对不同工件的不同加工要求选择适应工件的研抛工具，实现工件各加工阶段的快速衔接，在提高工件表面加工效果的同时，充分提高了工件的加工效率以及加工设备的利用率。
Graded lapping and polishing device based on compound gradient elastic tool
【技术实现步骤摘要】
基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置
本技术涉及自由曲面光学元件的研磨和抛光加工领域，更具体的说，尤其涉及一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置。
技术介绍
随着高科技产业的迅猛发展，蓝宝石、硅片、光学玻璃等硬脆性材料因其高硬度、高熔点、高耐磨性等特点，在光学及电子产业中得到了广泛应用。此类材料的面形精度和表面质量对器件的质量、寿命等具有关键性的影响作用。目前，针对此类硬脆性材料的加工方法主要有应力盘、磁变流、离子束、射流等，在取得相关技术突破的同时，存在材料去除不均，加工效率和质量可控性不佳等问题，无法保证在工件面形精度不劣化的基础上进一步的抑制中高频误差。同时，由于接触区内各点材料去除不均的本质问题，增加了工件面形精度和表面质量一致性的控制难度，即加大了加工轨迹和驻留时间算法的优化难度，使得加工费时费力，成本也较高。为解决上述技术问题，必然要设计一种应用于硬脆性材料的高精度、高效的研抛系统。现有研抛系统的材料去除特性与表面质量随粒度的不同而变化，在实际生产中，往往在初期选择粒度较大的研抛工具来快速收敛面形误差，后续采用小粒度工具修整工件表面，工具的不断更换降低了研抛的效率，也增加了表面质量控制的难度。因此，需要寻找一种设备利用率和自动化程度高，且加工质量优异的研抛系统。
技术实现思路
本技术的目的在于解决现有加工技术存在的材料去除特性与表面质量不稳定，以及加工效率和自动化程度相对较低的不足，提出了一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置，具有加工效率和自动化程度高，且加工效果好等优点。本技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置，包括多自由度机械臂、安装在多自由度机械臂末端的研抛工具、研抛工具修整装置、工件安装组件和摆臂轮廓仪，工件安装在工件安装组件的工件配模上；所述研抛工具包括梯度弹性研抛盘、超声波辅助装置、整体安装板和驱动装置，所述驱动装置和超声波辅助装置安装在整体安装板上，整体安装板固定在多自由度机械臂的末端，梯度弹性研抛盘设置在超声波辅助装置的下端，超声波辅助装置与梯度弹性研抛盘的旋转轴固定连接，驱动装置驱动梯度弹性研抛盘的旋转轴运动进而带动超声波辅助装置和梯度弹性研抛盘同步转动；所述梯度弹性研抛盘包括刚性底座、梯度弹性层、固定环和均质层，所述刚性底座作为整个梯度弹性研抛盘的基底，刚性底座的上端连接旋转轴，刚性底座的底部设置有圆形槽，刚性底座的侧面安装有搭扣；梯度弹性层设置在圆形槽内，梯度弹性层上的弹性模量沿径向分布；均质层为混有磨粒的加工层，均质层为阶梯型圆柱凸台均质层的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层的下端露出在圆形槽外，固定环套装在均质层上，固定环的外径与梯度弹性层的下端的外径相同，固定环外侧设置有锁舌座，刚性底座侧面的搭扣底部连接在固定环外侧的锁舌座上；所述梯度弹性层设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层设置有多个，每个均质层具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件的要求选择合适的梯度弹性层和均质层安装在刚性底座形成不同需求的梯度弹性研抛装置；所述的研抛工具修整装置包括转盘驱动电机、金刚石磨盘、转盘、联轴器、回转支撑组件以及修整装置机架，所述金刚石磨盘以粘结的形式固定在转盘的上表面上；所述转盘驱动电机竖直安装在修整装置机架的底部，转盘驱动电机的电机头通过联轴器连接主轴，主轴的上端通过键连接转盘，转盘驱动电机运动时通过联轴器带动主轴运动，进而带动整个转盘和金刚石磨盘组成的整体进行转动；所述转盘的外环底面设置有回转支撑组件，回转支撑组件固定在机架上并对转盘的外环底部进行支撑；所述的摆臂轮廓仪包括摆臂底座、活动横臂、轮廓仪、横臂驱动装置、轮廓仪驱动装置和横臂支架，所述横臂支架固定于摆臂底座上，活动横臂的一端安装在横臂支架，横臂驱动装置的固定端连接在活动横臂上，横臂驱动装置的活动端固定在横臂支架上，横臂驱动装置运动时驱动活动横臂绕摆臂横梁与横梁驱动装置的连接点做圆周运动；轮廓仪安装在活动横臂的末端，轮廓仪驱动装置的固定端连接在活动横臂上，轮廓仪驱动装置的活动端连接在轮廓仪上，轮廓仪驱动装置运动时驱动轮廓仪绕着轮廓仪驱动装置与活动横臂的连接点做圆周运动。进一步的，所述回转支撑组件包括滚柱和滚柱保持架，滚柱保持架的底部固定在修整装置机架上，滚柱设置在滚柱保持架的顶部端面上且滚柱上端与转盘贴合，滚柱对转盘形成滚动支撑。回转支撑组件可以减小转盘的晃动，提高回转稳定性。所述的研抛工具修整装置用于修正研抛盘工具接触面，维持研抛盘的工作性能，避免因研抛盘表面情况恶化而损伤工件表面。进一步的，所述搭扣安装在刚性底座的外侧面且设置有沿周向均匀分布的多个，搭扣包括安装底座和弹簧，安装底座固定在刚性底座上，弹簧一端固定在安装底座上，另一端连接固定环上的锁舌座。进一步的，所述刚性层为研抛工具提供支撑，采用快换设计，可与万用刀盘系统相配合，实现快速更换的效果；梯度层的弹性模量沿径向呈反比例分布，以匹配盘上各点沿径向速度逐渐增加的趋势；均质层混合磨粒，实现工件表面的微量去除。根据Preston方程，MRR=KPV，通过以上设计可实现研抛盘去除函数中接触应力P与盘上各点线速度V的乘积定值，而材料综合去除参数K在各因素确定情况下为定值，因此MRR在上述设计下为定值。进一步的，所述研抛工具的均质层混有亲水性磨粒二氧化钛，其亲水特性有助于磨粒同固结材料的均匀混合，提高研抛工具内磨粒分布的均匀性，保持磨粒在径向方向有效参与率的一致性。进一步的，所述梯度弹性层的弹性模量在径向上呈反比例分布，实现接触应力非线性分布的目标，在径向相对速度分布的综合影响下基本实现加工区域内材料去除的一致性。进一步的，通过梯度层与均质层的厚度与阻尼的匹配，能够完成材料去除综合系数K值与接触应力P的解耦，将梯度弹性设计与磨粒比例、粒径等参数规划分离，降低研抛工具的设计制造难度。进一步的，所述多自由度机械臂可为研抛工具提供与工件的多种接触角度，结合小工具各区域的弹性分布控制整体下压量，保证接触区域内材料去除的一致性。进一步的，所述超声波辅助装置包括超声波换能器和变幅杆，超声波换能器的下端连接变幅杆的上端，变幅杆的下端的花键同旋转轴连接，可与旋转轴同步转动，并将轴向振动通过主轴传递至研抛工具，提高磨粒参与率的同时促进废屑的排出。进一步的，所述梯度弹性研抛盘25的各层中心设置用于流通抛光液的竖直流道。进一步的，所述驱动装置由步进电机和同步带、同步带轮组成，步进电机通过同步带和同步带轮组成的同步带机构将动力传递至旋转轴。进一步的，所述主轴末端采用快换接头，适用于加工阶段切换过程中，研抛工具的快速更换。进一步的，所述研抛工具修正装置的工作周期由研抛工具的磨粒最佳工作时间预测模型决定。进一步的，所述磨粒寿命达到预期值时，研抛工具停止加工，机械臂将研抛工具置于研抛工具修整装置，在转盘驱动电机的带动下转动金刚本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置，其特征在于：包括多自由度机械臂（1）、安装在多自由度机械臂末端的研抛工具（2）、研抛工具修整装置（5）、工件安装组件（4）和摆臂轮廓仪，工件（42）安装在工件安装组件（4）的工件配模（41）上；/n所述研抛工具（2）包括梯度弹性研抛盘（25）、超声波辅助装置（23）、整体安装板（21）和驱动装置（22），所述驱动装置（22）和超声波辅助装置（23）安装在整体安装板（21）上，整体安装板（21）固定在多自由度机械臂（1）的末端，梯度弹性研抛盘（25）设置在超声波辅助装置（23）的下端，超声波辅助装置（23）与梯度弹性研抛盘（25）的旋转轴（26）固定连接，驱动装置（22）驱动梯度弹性研抛盘（25）的旋转轴（26）运动进而带动超声波辅助装置（23）和梯度弹性研抛盘（25）同步转动；/n所述梯度弹性研抛盘（25）包括刚性底座（262）、梯度弹性层（263）、固定环（264）和均质层（265），所述刚性底座（262）作为整个梯度弹性研抛盘（25）的基底，刚性底座（262）的上端连接旋转轴（26），刚性底座（262）的底部设置有圆形槽，刚性底座（262）的侧面安装有搭扣（2611）；梯度弹性层（263）设置在圆形槽内，梯度弹性层（263）上的弹性模量沿径向分布；均质层（265）为混有磨粒的加工层，均质层（265）为阶梯型圆柱凸台均质层（265）的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层（265）的下端露出在圆形槽外，固定环（264）套装在均质层（265）上，固定环（264）的外径与梯度弹性层（263）的下端的外径相同，固定环（264）外侧设置有锁舌座（2612），刚性底座（262）侧面的搭扣（2611）底部连接在固定环（264）外侧的锁舌座（2612）上；所述梯度弹性层（263）设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层（265）设置有多个，每个均质层（265）具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件的要求选择合适的梯度弹性层（263）和均质层安装在刚性底座（262）形成不同需求的梯度弹性研抛装置；/n所述的研抛工具修整装置（5）包括转盘驱动电机（57）、金刚石磨盘（53）、转盘（54）、联轴器（58）、回转支撑组件（55）以及修整装置机架（56），所述金刚石磨盘（53）以粘结的形式固定在转盘（54）的上表面上；所述转盘驱动电机（57）竖直安装在修整装置机架（56）的底部，转盘驱动电机（57）的电机头通过联轴器（58）连接主轴（51），主轴（51）的上端通过键（52）连接转盘（54），转盘驱动电机（57）运动时通过联轴器（58）带动主轴（51）运动，进而带动整个转盘（54）和金刚石磨盘（53）组成的整体进行转动；所述转盘（54）的外环底面设置有回转支撑组件（55），回转支撑组件（55）固定在机架上并对转盘（54）的外环底部进行支撑；/n所述的摆臂轮廓仪包括摆臂底座（8）、活动横臂（6）、轮廓仪（3）、横臂驱动装置、轮廓仪驱动装置和横臂支架（7），所述横臂支架（7）固定于摆臂底座（8）上，活动横臂（6）的一端安装在横臂支架（7），横臂驱动装置的固定端连接在活动横臂（6）上，横臂驱动装置的活动端固定在横臂支架（7）上，横臂驱动装置运动时驱动活动横臂（6）绕摆臂横梁与横梁驱动装置的连接点做圆周运动；轮廓仪（3）安装在活动横臂（6）的末端，轮廓仪驱动装置的固定端连接在活动横臂（6）上，轮廓仪驱动装置的活动端连接在轮廓仪（3）上，轮廓仪驱动装置运动时驱动轮廓仪（3）绕着轮廓仪驱动装置与活动横臂（6）的连接点做圆周运动。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于复合梯度弹性小工具的分级研抛装置，其特征在于：包括多自由度机械臂（1）、安装在多自由度机械臂末端的研抛工具（2）、研抛工具修整装置（5）、工件安装组件（4）和摆臂轮廓仪，工件（42）安装在工件安装组件（4）的工件配模（41）上；
所述研抛工具（2）包括梯度弹性研抛盘（25）、超声波辅助装置（23）、整体安装板（21）和驱动装置（22），所述驱动装置（22）和超声波辅助装置（23）安装在整体安装板（21）上，整体安装板（21）固定在多自由度机械臂（1）的末端，梯度弹性研抛盘（25）设置在超声波辅助装置（23）的下端，超声波辅助装置（23）与梯度弹性研抛盘（25）的旋转轴（26）固定连接，驱动装置（22）驱动梯度弹性研抛盘（25）的旋转轴（26）运动进而带动超声波辅助装置（23）和梯度弹性研抛盘（25）同步转动；
所述梯度弹性研抛盘（25）包括刚性底座（262）、梯度弹性层（263）、固定环（264）和均质层（265），所述刚性底座（262）作为整个梯度弹性研抛盘（25）的基底，刚性底座（262）的上端连接旋转轴（26），刚性底座（262）的底部设置有圆形槽，刚性底座（262）的侧面安装有搭扣（2611）；梯度弹性层（263）设置在圆形槽内，梯度弹性层（263）上的弹性模量沿径向分布；均质层（265）为混有磨粒的加工层，均质层（265）为阶梯型圆柱凸台均质层（265）的上端外径与圆形槽间隙配合且设置在圆形槽内，均质层（265）的下端露出在圆形槽外，固定环（264）套装在均质层（265）上，固定环（264）的外径与梯度弹性层（263）的下端的外径相同，固定环（264）外侧设置有锁舌座（2612），刚性底座（262）侧面的搭扣（2611）底部连接在固定环（264）外侧的锁舌座（2612）上；所述梯度弹性层（263）设置有多个且弹性模量为具有多种厚度和弹性模量的组合，所述均质层（265）设置有多个，每个均质层（265）具有不同磨粒、粒径、混合比例、厚度以及不同弹性模量基底的组合，根据加工工件的要求选择合适的梯度弹性层（263）和均质层安装在刚性底座（262）形成不同需求的梯度弹性研抛装置；
所述的研抛工具修整装置（5）包括转盘驱动电机（57）、金刚石磨盘（53）、转盘（54）、联轴器（58）、回转支撑组件（55）以及修整装置机架（56），所述金刚石磨盘（53）以粘结的形式固定在转盘（54）的上表面上；所述转盘驱动电机（57）竖直安装在修整装置机架（56）的底部，转盘驱动电机（57）的电机头通过联轴器（58）连接主轴（51），主轴（51）的上端通过键（52）连接转盘（54），转盘驱动电机（57）运动时通过联轴器（58）带动主轴（51）运动，进而带动整个转盘（54）和金刚石磨盘（53）组成的整体进行转动；所述转盘（54）的外环底面设置有回转支撑组件（55），回转支撑组件（55）固定在机架上并对转盘（54）的外环底部进行支撑；
所述的摆臂轮廓仪包括摆臂底座（8）、活动横臂（6）、轮廓仪（3）、横臂驱动装置、轮廓仪驱动装置和横臂支架（7），所述横臂支架（7）固定于摆臂底座（8）上，活动横臂（6）的一端安装在横臂支架（7），横...
【专利技术属性】
技术研发人员：王礼明，金明生，朱栋杰，董晓星，康杰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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