一种公自转式集群磁流变抛光装置的制作方法

1.本发明属于超精密抛光以及复杂曲面光学元件加工技术领域，特别是涉及一种基于磁场发生装置公自转的集群磁流变抛光方法及装置。


背景技术：

2.近年来随着科技发展，在电子信息、航天航空技术以及国防工业等领域中，各种仪器和设备对于光学材料的需求日益增加，对光学元件加工效果的要求也越来越严。然而，目前常规的高精度光学元件加工的主流技术仍然是传统机床的研磨抛光，常规的加工方法极其容易造成工件表面的损伤，加工条件不易控制，难以保证加工的效果和精度。磁流变抛光是一种新型的抛光技术，它是由w.i.kordonski、i.v.prokhorov及其合作者在上世纪九十年代提出的，将电磁学、流体动力学、材料学以及机械学相结合来构成的一种新型的加工光学工件的方法。磁流变抛光的过程可以有效控制，实现精准定位抛光，加工工件的精度高，表面和亚表面的损伤较小，可以达到超精密加工的质量要求。然而我国对磁流变抛光技术的研究起步较晚，因此，磁流变加工技术是现代制造业的重点研究方向。
3.集群磁流变抛光是目前比较主流的对硬脆材料磁流变抛光方法的延伸之一。它将多个柱形永磁体按照一定规则阵列排布在抛光盘下方形成集群磁铁，这些磁性体在抛光盘面形成磁场区域，磁流变抛光液在抛光盘表面形成大面积的具有一定厚度的粘弹性磁流变效应抛光垫。这种方法极大的增加了磁流变抛光的工作效率，增大了材料去除率。
4.随着现代科学的不断发展，现代制造业对工件表面质量要求的不断提高，集群磁流变抛光的方法就出现了加工的局限性。例如：永磁体具有的边缘效应使得工件材料在加工后出现面形精度不均匀；磁流变液在加工时得不到充分更新而降低抛光效率；磁流变抛光装置的控制系统复杂，不易操作等。因此针对这些不足，研究并提出一种新的磁流变抛光装置及方法，消除了原有磁体的边缘效应，加工时更充分的更新磁流变液组分，实现对超精密抛光的质量需求，获得更好的抛光效果。


技术实现要素：

5.本发明在于研究一种公自转式集群磁流变抛光方法及专用的装置，解决原有磁流变抛光装置抛光轨迹单一、抛光效率低以及加工工件面型精度低等问题，实现对光学元件高效率高质量的磁流变抛光。本发明还提供了一种公自转式磁流变抛光方法。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.在第一个技术方案中，一种公自转式集群磁流变抛光装置，主要包括机床本体组件、xz轴向运动及摆动组件、主轴驱动组件、磁场发生装置组件、磁体托盘公自转运动组件、工件夹持组件以及控制系统组件，所述工件夹持组件装设在主轴驱动组件上，通过驱动电机来完成工件夹持组件的转动；所述主轴驱动组件装设在xz轴向运动及摆动组件上，通过各自由度的驱动电机完成所加工工件在xz轴向的运动及摆动；所述磁场发生装置装设在磁体托盘公自转运动组件内；所述xz轴向运动及摆动组件、磁体托盘公自转运动组件及控制
系统组件均装设在机床本体组件上。
8.在第一个技术方案中，所述xz轴向运动及摆动组件包括x向运动组件、z向运动组件、摆动组件，所述摆动组件通过连接板固定在x向运动组件上，所述x向运动组件通过螺钉连接固定在z向运动组件的滑块上，所述z向运动组件通过连接板固定在机床本体组件上，xz方向运动组件中均包括驱动电机、滑轨、滑块，摆动组件包括驱动电机、摆动块、连接板。
9.在第一个技术方案中，所述主轴驱动组件包括第一驱动电机、连接板、固定板、驱动电机固定件，所述第一驱动电机固定在驱动电机固定件上，所述驱动电机固定件通过连接板固定在固定板上。
10.在第一个技术方案中，所述磁场发生装置组件包括磁体托盘、扇形磁体阵列，所述扇形磁体阵列固定在磁体托盘中。
11.在第一个技术方案中，所述磁体托盘公自转运动组件包括抛光盘、壳体、轴承托盘大轴承、轴承托盘架、电机固定板、第五驱动电机、磁体托盘、磁体托盘小轴、磁体托盘小轴承、抛光盘主轴、止推环、太阳轮、行星轮、齿圈、轴承托盘，所述抛光盘固定在抛光盘主轴上，所述磁体托盘通过键连接固定在磁体托盘小轴上，所述行星轮通过键连接固定在磁体托盘小轴上，所述磁体托盘小轴承固定在轴承托盘的凹槽中，所述磁体托盘小轴固定在磁体托盘小轴承上方，所述太阳轮通过键连接固定在抛光盘主轴上，所述止推环固定在太阳轮上方，所述齿圈通过螺钉连接固定在轴承托盘上，当抛光盘主轴转动时，带动太阳轮同步转动，同时带动行星轮的转动，与此同时带动齿圈的转动，因太阳轮与抛光盘同步转动，行星轮与磁体托盘同步转动，齿圈带动轴承托盘整体转动，且整个行星齿轮组的传动比不同，即可实现磁体托盘围绕抛光盘主轴做公自转运动。所述轴承托盘固定在轴承托盘大轴承上，所述轴承托盘大轴承固定在轴承托盘架内，所述抛光盘主轴通过螺纹连接在第五驱动电机上，所述第五驱动电机固定在电机固定板上。
12.在第一个技术方案中，所述工件夹持组件包括工件夹具，所述工件夹具通过螺纹连接固定在主轴驱动组件上。
13.在第一个技术方案中。所述控制系统组件包括控制柜箱体、控制柜、控制柜按键，所述控制柜放置在控制柜箱体中，所述控制柜按键在控制柜箱体上，所述控制系统组件通过线连接在机床本体组件上，所述控制柜按键可以控制各自由度运动组件的运动速度。
14.在第二个技术方案中，一种公自转式集群磁流变抛光方法，使用在第一个技术方案中所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，步骤如下：
15.步骤一：打开装置电源，启动控制系统。
16.步骤二：将工件装夹在工件夹持组件上，通过控制系统调节xz向运动组件，调整好工件与抛光盘面的距离。
17.步骤三：在控制系统中，通过控制按键调整第一驱动电机驱动工件夹具的转速以及第五驱动电机驱动抛光盘的转速。
18.步骤四：将磁流变液输送到抛光盘面上，磁体托盘与抛光盘之间的差速运动可以实时更新抛光区域内的磨料成分。
19.步骤五：开始加工，直至加工完毕。
20.本发明具有如下明显的优点：
21.(1)本发明的公自转式集群磁流变抛光装置的磁体托盘公自转组件通过改变磁场
发生装置组件与抛光盘之间的相对运动速度，使得在抛光的同时能完成抛光区域微磨头内磨料的实时更新和自锐，同时通过“面接触”的加工方式，保证高效的材料去除率，提升抛光效率。
22.(2)本发明的公自转式集群磁流变抛光装置的工件夹具被固定在xz轴向运动及摆动组件上，工件可以实现x向运动、z向运动以及xz面内的摆动，从而使得本抛光装置可以加工平面工件以及曲面工件。
23.(3)本发明的公自转式集群磁流变抛光装置的磁体托盘公自转组件通过使每组磁场发生装置围绕中间轴做公自转运动来实现抛光轨迹的复杂化，从而获得面型精度更高、抛光工件表面更均匀的抛光效果。
24.(4)本发明的公自转式集群磁流变抛光装置的磁体托盘公自转组件能同时形成三组多个微磨头，从而实现磁流变抛光的集群效应。
25.(5)本发明的公自转式集群磁流变抛光装置的磁场发生装置采用了halbach阵列磁场的新型排列方式，获得无边缘效应的集群磁流变抛光。
附图说明
26.图1为发明的公自转式集群磁流变抛光装置；
27.图2为公自转式集群磁流变抛光装置中xz轴运动及摆动组件的轴测图；
28.图3为公自转式集群磁流变抛光装置中xz轴运动及摆动组件的侧视图；
29.图4为公自转式集群磁流变抛光装置中扇形磁体阵列的三维图；
30.图5为公自转式集群磁流变抛光装置中磁体托盘公自转运动组件的轴测图；
31.图6为公自转式集群磁流变抛光装置中磁体托盘公自转运动组件内部的轴测图；
32.图7为公自转式集群磁流变抛光装置中磁体托盘公自转运动组件整体爆炸图；
33.图8为公自转式集群磁流变抛光装置中主轴驱动组件及工件夹持组件的轴测图；
34.图9为公自转式集群磁流变抛光装置中控制系统组件轴测图；
具体实施方式
35.为了使本发明技术方案的优点更加清晰明确，如下将通过结合附图和实例的方式来对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是要限制本技术方案的范围。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
36.实施例1
37.如图1所示，一种公自转式集群磁流变抛光装置，包括工件xz向运动、工件摆动、主轴转动、抛光盘转动的机械运动结构，包括抛光过程中抛光区域磨料的更新自锐，所述的实现抛光头xz向运动的机械结构是通过xz向的驱动电机带动滑块在滑轨上运动完成，所述的实现工件摆动的机械结构是通过第四驱动电机带动摆动块在摆动连接板上运动完成，所述的实现主轴转动的机械结构是通过第一驱动电机带动工件夹具结构完成，所述的实现抛光盘转动的机械结构是第五驱动电机带动传动轴完成，所述的实现抛光过程中抛光区域磨料的更新自锐是通过磁体托盘围绕传动轴做公自转运动，与抛光盘面形成差速运动来完成的。本发明相比于传统的磁流变抛光装置，实现了集群磁流变抛光效应，并实现了抛光与与
磨料的实时更新，大大提升了抛光质量。
38.详述如下：
39.本实施例提出了一种公自转式集群磁流变抛光装置，包括机床本体组件1、xz轴向运动及摆动组件2、主轴驱动组件3、磁场发生装置组件4、磁体托盘公自转运动组件5、工件夹持组件6以及控制系统组件7：所述工件夹持组件6装设在xz轴向运动及摆动组件2上，通过三向驱动电机完成工件8的xz向运动及摆动；所述磁场发生装置组件4装设在磁体托盘公自转运动组件5上；所述xz轴向运动及摆动组件2、磁体托盘公自转运动组件5、控制系统组件7均装设在机床本体组件1上。
40.结合图2、图3所示，xz轴向运动及摆动组件2包括x向运动组件21、z向运动组件22、摆动运动组件23，所述摆动运动组件23通过摆动连接板232固定在x向运动组件21上，所述x向运动组件通过螺钉连接固定在z向运动组件22上，所述z向运动组件通过螺钉连接固定在机床本体组件1上，xz向运动组件每个自由度均包括驱动电机、滑轨和滑块。
41.结合上述内容，本实施方式为：由控制系统组件7控制第二驱动电机211、第三驱动电机221、第四驱动电机231分别对工件夹持组件6进行驱动，使工件夹持组件6在x向滑轨212做x向运动、在z向滑轨222做z向运动并在xz向做摆动运动，使工件夹持组件6带动工件8根据所设定的轨迹进行运动。
42.结合图4、图6所示，磁场发生装置组件4包括磁体托盘41、扇形磁体阵列42，扇形磁体阵列42固定在磁体托盘41内。
43.结合上述内容，本实施方式为：通过扇形磁体阵列42的磁感线使得上方磁流变液形成具有抛光作用的微磨头对工件进行集群磁流变抛光。
44.结合图6所示，主轴驱动组件3包括第一驱动电机301、连接板302、固定板303、第一驱动电机固定件304，所述第一驱动电机301固定在第一驱动电机固定件304上，所述第一驱动电机固定件304在连接板302的连接作用下固定在固定板304上。工件夹持组件6包括工件夹具61，工件夹具61通过螺栓连接固定在第一驱动电机301上。
45.结合上述内容，本实施方式为：通过控制系统组件7控制第一驱动电机301驱动工件夹具61带动工件8的转动。
46.结合图5、图6、图7所示，磁体托盘公自转组件5包括抛光盘501、壳体502、轴承托盘架503、电机固定板504、轴承505、第五驱动电机506、轴承托盘507、磁体托盘小轴508、磁体托盘小轴承509、抛光盘主轴510、止推环511、太阳轮512、行星轮513、齿圈514，所述抛光盘501固定在抛光盘主轴510上，所述壳体502通过螺栓连接固定在轴承托盘507上，所述轴承托盘507通过轴承505固定在轴承托盘架503上，所述第五驱动电机506通过螺栓连接固定在电机固定板504上，所述抛光盘主轴510通过螺纹连接固定在电机固定板504上，所述太阳轮512通过键连接固定在抛光盘主轴510上，所述止推环511固定在太阳轮512上方，所述磁体托盘41和行星轮513通过键连接固定在磁体托盘小轴508上，所述磁体托盘小轴508穿过磁体托盘小轴承509固定在轴承托盘507上，所述齿圈514通过键连接固定在轴承托盘507上。
47.结合上述内容，本实施方式为：太阳轮512与抛光盘主轴510同速转动，磁体托盘与行星轮513同速转动，齿圈514与轴承托盘507同速转动，太阳轮512与行星轮513以及齿圈514互相啮合传动，但由于各齿轮齿数不同，因此通过控制系统组件7控制第五驱动电机506驱动抛光盘主轴510转动后，各齿轮会产生差速旋转运动，实现了磁体围绕抛光盘主轴510
的公自转运动，以此来实现抛光盘501上方微磨头运动轨迹的复杂性以及微磨头内磨料的实时更新。
48.实施例2
49.本实施例提出了一种公自转式集群磁流变抛光方法，使用例一中的公自转式集群磁流变抛光装置，步骤如下：
50.步骤一；打开公自转式集群磁流变抛光装置的电源，启动控制柜73；
51.步骤二：将加工工件8固定在工件夹具61上，通过控制系统的控制柜按键72调整xz轴向运动及摆动组件来满足加工所需的间隙要求，满足加工工件8与抛光盘501之间的空间位置要
52.步骤三：通过控制柜按键72来设置各驱动电机所需的运动速度参数；
53.步骤四：将磁流变液输送到加工工件8与抛光盘501之间，磁流变液在扇形磁体阵列42磁感线的影响下形成微磨头；磁体托盘公自转运动组件5中磁体托盘508与抛光盘501之间的公自转运动使得磁流变液能够实时更新自锐；
54.步骤五：通过控制柜按键72来启动所设置的程序，开始加工直至得到满足加工要求的工件下：
55.以上内容为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，可以在实施例或者应用范围内更改，若未脱离本发明的技术内容的思想，均属于本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于，包括机床本体组件(1)、xz轴向运动及摆动组件(2)、主轴驱动组件(3)、磁场发生装置组件(4)、磁体托盘公自转运动组件(5)、工件夹持组件(6)、控制系统组件(7)：所述工件夹持组件(6)安装在主轴驱动组件(3)上并且由主轴驱动组件(3)驱动；所述主轴驱动组件(3)安装在xz轴向运动及摆动组件(2)上，通过三向电机完成工件夹持组件(6)的xz向及摆动运动；所述xz轴向运动及摆动组件(2)和磁体托盘公自转运动组件(5)均安装在机床本体组件(1)上；所述控制系统组件(7)控制磁体托盘公自转运动组件(5)的转速，磁流变液在传输到抛光盘(501)和工件(8)之间后，在磁场发生装置组件(4)的影响作用下，形成具有抛光效果的微磨头对工件(8)进行抛光。2.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述xz轴向运动及摆动组件(2)包括x向运动组件(21)、z向运动组件(22)、摆动运动组件(23)，所述摆动运动组件(23)通过摆动连接板(232)固定在x向滑块(213)上，所述x向运动组件(21)固定在z向滑轨(222)上，z向滑轨(222)通过螺钉连接固定在机床本体组件(1)上，xz向运动组件的每个自由度都包括驱动电机、滑轨、滑块，摆动组件的自由度包括第四驱动电机(231)、摆动连接板(232)、摆动块(233)。3.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述主轴驱动组件(3)包括第一驱动电机(301)、连接板(302)、固定板(303)、驱动电机固定件(304)，所述第一驱动电机(301)通过驱动电机固定件(304)在连接板(302)的连接下固定在固定板(303)上。4.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁场发生装置组件(4)包括磁体托盘(41)、扇形磁体阵列(42)，所述扇形磁体阵列(42)固定在磁体托盘(41)中。5.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁体托盘公自转运动组件(5)包括抛光盘(501)、壳体(502)、轴承托盘架(503)、电机固定板(504)、轴承托盘大轴承(505)、第五驱动电机(506)、磁体托盘(41)、磁体托盘小轴(508)、磁体托盘小轴承(509)、抛光盘主轴(510)、止推环(511)、太阳轮(512)、行星轮(513)、齿圈(514)、轴承托盘(515)，所述抛光盘(501)固定在抛光盘主轴(510)上，所述壳体(502)固定在轴承托盘(515)上，所述磁体托盘(41)固定在磁体托盘小轴(508)上，所述行星轮(513)固定在磁体托盘小轴(508)上，所述磁体托盘小轴承(509)固定在轴承托盘(515)内，所述磁体托盘小轴(508)固定在磁体托盘小轴承(509)上，所述太阳轮(512)固定在抛光盘主轴(510)上，所述止推环(511)固定在太阳轮(512)上方，所述抛光盘主轴(510)固定在第五驱动电机(506)上，所述第五驱动电机(506)固定在电机固定板(504)上，所述齿圈(514)固定在轴承托盘(515)上，所述轴承托盘(515)穿过轴承托盘大轴承(505)固定在轴承托盘架(503)上，所述轴承托盘架(503)和电机固定板(504)均固定在机床本体组件(1)上。6.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述工件夹持组件(6)包括工件夹具(61)通过螺纹固定在主轴驱动组件(3)上。7.根据权利要求1所述的一种公自转式集群磁流变抛光装置，其特征在于：所述控制系统组件(7)包括控制柜箱体(71)、控制柜按键(72)、控制柜(73)，所述控制柜(73)放置在控制柜箱体(71)中，通过控制柜按键(72)来控制xz轴向运动及摆动组件(2)、主轴驱动组件(3)、磁体托盘公自转运动组件(5)的运行。

技术总结
本发明属于超精密抛光以及复杂曲面光学元件加工技术领域，特别是涉及一种基于磁场发生装置公自转的集群磁流变抛光装置，通过在抛光盘的下方加入行星齿轮组的方式，使磁场发生装置可以围绕主轴做公自转运动。磁场发生装置在做公自转运动的同时，会影响上方磁流变液形成微磨头；工件固定在夹具组件上并与下方微磨头形成相对运动。本发明提供的公自转式磁流变抛光装置及方法，通过使抛光轨迹复杂化，提升了抛光效果；通过磁场发生装置与抛光盘内磁流变液的差速旋转实现了集群磁流变抛光时磨料的实时更新，提升了抛光效率。解决了传统抛光面形精度低、抛光效率差的问题。抛光效率差的问题。抛光效率差的问题。


技术研发人员：卢明明 刘宇阳 林洁琼 杨亚坤 刘长青 杜永盛
受保护的技术使用者：刘宇阳
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/9/19