CN118493641A - 激光转镜加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明激光转镜加工机床涉及一种用于镜面加工的自动化机床。其目的是为了提供一种具有高加工精度，能够提高生产效率、降低加工成本的激光转镜加工机床。本发明激光转镜加工机床包括机床本体，机床本体包括主轴单元、Z轴单元、A轴单元和X轴单元，主轴单元包括内置电机，内置电机带动刀具主轴旋转，刀具主轴为空气静压主轴，刀具主轴的输出端设置有飞刀盘结构，飞刀盘结构上设置有多把加工精度不同的刀具；Z轴单元包括Z轴滚珠丝杠，Z轴溜板沿Z轴直线滚柱导轨滑动；A轴单元包括能够装夹多面镜的工装夹具，工装夹具通过工件主轴带动旋转，工件主轴为空气静压主轴，A轴单元还包括多齿分度盘；X轴单元包括液体静压直线导轨结构。

Description

激光转镜加工机床

技术领域

本发明涉及超精密机床技术领域，特别是涉及一种激光转镜加工机床，用于多面反射镜的超精密加工。

背景技术

过去因多面反射镜形状复杂，对几何形状精度和表面粗糙度的要求很高，故采用研磨的方法进行加工，因为加工工艺复杂，效率较低，所以成本很高。

近年来由于多面镜用途不断扩大，用研磨方法进行加工已远远满足不了要求，因而研究了采用金刚石刀具超精密切削加工多面反射镜的技术；采用超精密切削，工艺路线大大地缩短，提高了生产效率。如果采用普通超精密切削加工机床加工加工多面镜，需要每加工完一面后，根据要求用多齿分度盘分度后再加工下一个面，还是会影响加工效率，且目前采用的超精密切削加工多面反射镜的设备基本靠进口设备，加工成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高加工精度，能够提高生产效率、降低加工成本的激光转镜加工机床。

本发明激光转镜加工机床，包括机床本体，机床本体包括主轴单元、Z轴单元、A轴单元和X轴单元，

主轴单元包括内置电机，内置电机带动刀具主轴旋转，刀具主轴外侧设置有石墨套，并在间隙通入空气，形成空气静压主轴，刀具主轴的输出端设置有飞刀盘结构，飞刀盘结构上设置有多把加工精度不同的刀具；

Z轴单元包括Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠通过滑块带动Z轴溜板和主轴单元运动，Z轴溜板沿Z轴直线滚柱导轨滑动；

A轴单元包括能够装夹多面镜的工装夹具，工装夹具通过工件主轴带动旋转，工件主轴通过外部设置的石墨套进行支撑，并在间隙通入空气，形成空气静压主轴，A轴单元还包括多齿分度盘，用于对多面镜进行分度；

X轴单元包括X轴丝杠，X轴丝杠上活动安装有液压阀块，液压阀块带动X轴溜板和A轴单元运动，X轴溜板在X轴导轨上滑动，X轴单元内充有液压油，形成液体静压直线导轨结构。

本发明激光转镜加工机床，其中所述X轴导轨的两端设置有可伸缩的第一防护皮腔，第一防护皮腔的安装面设置有密封胶。

本发明激光转镜加工机床，其中所述X轴单元包括X轴底板，X轴溜板上设置供油口，X轴底板两侧设置有回油口。

本发明激光转镜加工机床，其中所述工装夹具上安装有销轴，销轴与夹具活塞连接，工装夹具与夹具活塞之间通过弹簧连接，弹簧能够拉紧工装夹具。

本发明激光转镜加工机床，其中所述Z轴溜板两侧设置气动抱闸装置。

本发明激光转镜加工机床，其中所述主轴单元包括相连接的电机套和主轴套，电机套内部固定设置有电机定子，电机定子内侧设置有电子转子，电机转子带动刀具主轴一同旋转，石墨套设置在刀具主轴和主轴套之间。

本发明激光转镜加工机床，其中所述飞刀盘结构包括飞刀盘本体，飞刀盘本体上沿四周依次设置有粗车刀、精车刀、半精车刀和精车配重块。

本发明激光转镜加工机床，其中还包括顶尖轴单元，顶尖轴单元包括顶尖，顶尖活动设置在顶尖轴微调导轨上，通过顶尖轴微调气缸带动顶尖运动，顶尖轴微调导轨活动设置在顶尖轴导轨上，通过顶尖轴气缸带动顶尖轴微调导轨及顶尖运动。

本发明激光转镜加工机床，其中所述顶尖轴单元还包括托料架，托料架连接托料气缸，托料气缸带动托料架支撑工装夹具。

本发明激光转镜加工机床，其中还包括隔震系统，隔震系统包括床身支架，床身支架上安装有若干个气浮垫铁，气浮垫铁的自由侧与大理石床身固定，机床主体安装在大理石床身上。

本发明激光转镜加工机床与现有技术不同之处在于，本发明激光转镜加工机床的刀具主轴采用高精度空气静压主轴并配备高精度飞刀盘，以保证刀具轴具备高回转精度，从而满足多面镜的精度要求；刀具主轴下方配备直线滚柱导轨加滚珠丝杠的进给机构，保证足够的刚性。工件轴采用空气静压主轴加多齿分度盘的结构，可以按照多面镜的分度要求进行精确分度。其下方布置液体静压直线导轨，以得到高的进给要求。

下面结合附图对本发明的激光转镜加工机床作进一步说明。

附图说明

图1为本发明激光转镜加工机床的结构示意图；

图2为本发明激光转镜加工机床中主轴单元的结构示意图；

图3为图2中A-A处剖视图；

图4为本发明激光转镜加工机床中飞刀盘的结构示意图；

图5为本发明激光转镜加工机床中Z轴单元的结构示意图；

图6为图5中B-B处剖视图；

图7为图5中C-C处剖视图；

图8为本发明激光转镜加工机床中X轴单元的结构示意图；

图9为图8中D-D处剖视图；

图10为图8中E-E处剖视图；

图11为本发明激光转镜加工机床中A轴单元的结构示意图；

图12为图11中F-F处剖视图；

图13为本发明激光转镜加工机床中A轴的爆炸图；

图14为本发明激光转镜加工机床中夹具活塞的小轴的结构示意图；

图15为本发明激光转镜加工机床中顶尖轴单元的主视图；

图16为本发明激光转镜加工机床中顶尖轴单元的俯视图；

图17为本发明激光转镜加工机床中顶尖轴单元的侧视图；

图18为本发明激光转镜加工机床中隔震系统的结构示意图；

图中标记示意为：1-液压系统；2-X轴单元；3-A轴单元；4-主轴单元；5-Z轴单元；6-顶尖轴单元；7-防护罩；

11-刀具主轴；12-电机压盖；13-电机定子；14-电机套；15-主轴套；16-前端盖；17-石墨套；

21-精车刀；22-粗车刀；23-精车配重块；24-半精车刀；

31-伺服电机；32-Z轴溜板；33-气动抱闸装置；34-第二防护皮腔；35-联轴器；36-Z轴轴承；37-Z轴丝杠；38-Z轴导轨；

41-导轨底座；42-回油口；44-X轴溜板；45-第一防护皮腔；46-液压阀块；47-X轴导轨；48-X轴轴承；49-X轴丝杠；

51-工装夹具；52-夹具活塞；53-多齿分度盘；54-工件主轴；55-主轴轴套；56-齿盘活塞；57-啮合到位信号；58-电机联轴器；59-主轴联轴器；510-齿盘脱开信号；511-弹簧；512-活塞槽；

61-顶尖轴气缸；62-顶尖轴微调气缸；63-顶尖轴导轨；64-顶尖；65-顶尖轴微调导轨；66-缓冲气缸；67-托料架；68-托料气缸；

71-大理石床身；72-床身支架；73-气浮垫铁。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明激光转镜加工机床包括机床主体，机床主体包括X轴单元2、Z轴单元5、主轴单元4、A轴单元3、顶尖轴单元6、隔震系统和润滑系统。

如图2和3所示，主轴为带动刀具转动的旋转轴，采用空气静压主轴。主轴单元4包括相连接的电机套14和主轴套15。电机套14内部固定设置有电机定子13，电机定子13内侧设置有电子转子，电机转子带动刀具主轴11一同旋转。电机为内置，可以节约空间，实现精确控制。刀具主轴11和主轴套15之间设置有石墨套17，利用石墨轴承的透气性，使刀具主轴11旋转时无接触、无摩擦，从而使旋转精度可以达到0.05μm，最高转速为6000rpm。电机套14的端面安装有电机压盖12，主轴套15的端面安装有前端盖16。刀具主轴11的输出端固定安装有飞刀盘结构，带动飞刀盘一同转动。

如图4所示，飞刀盘结构包括飞刀盘本体，飞刀盘本体上设置粗车刀22、半精车刀24和精车刀21共三把刀具。飞刀盘利用三把刀距中心距离的差值，依次完成粗、半精和精加工，满足一次加工完成粗精加工的需求，节约加工时间。飞刀盘本体上安装有精车配重块23，保证刀具主轴11旋转时动平衡误差小，保障主轴旋转精度。本实施例中，粗车刀22、精车刀21、半精车刀24和精车配重块23沿飞刀盘本体四周依次设置。

如图5-图7所示，Z轴为刀具主轴11进给轴，方向垂直于X轴方向设置。Z轴单元5包括Z轴底板，Z轴底板的中部安装有两个Z轴轴承36，两个Z轴轴承36之间安装有Z轴丝杠37，Z轴丝杠37沿刀具进给的方向设置，Z轴丝杠37的一端通过联轴器35连接伺服电机31，通过激光对螺距进行补偿，保证重复定位精度。本实施例中，Z轴丝杠37为滚珠丝杠。Z轴丝杠37上活动安装有滑块，滑块带动Z轴溜板32沿刀具进给方向运动。Z轴底板上设置有两条Z轴导轨38，两条Z轴导轨38分别设置在Z轴丝杠37的两侧，用于支撑Z轴溜板32进行滑动。本实施例中，Z轴导轨38为直线滚柱导轨，直线滚柱导轨加滚珠丝杠的进给机构，保证足够的刚性。Z轴导轨38的两端设置有可伸缩的第二防护皮腔34，第二防护皮腔34与Z轴底板固定连接，第二防护皮腔34安装时都采用密封胶对安装面进行密封，以保证直线轴运动部件内部的洁净。加工时此轴不做进给运动，因此在Z轴溜板32两侧设置气动抱闸装置33，保证加工时无微量移动。Z轴直线轴最大行程80mm，直线度2μm，重复定位精度为1μm，分辨率0.1μm。

如图8-图10所示，X轴为工件进给轴。X轴单元2包括X轴底板，X轴底板的中部安装有两个X轴轴承48，两个X轴轴承48之间安装有X轴丝杠49，X轴丝杠49沿工件进给的方向设置，X轴丝杠49的一端连接伺服电机。本实施例中，X轴丝杠49为滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母座采用弹性变形结构。X轴丝杠49上活动安装有液压阀块46，液压阀块46带动X轴溜板44沿工件进给方向运动。X轴底板上设置有两条X轴导轨47，两条X轴导轨47分别设置在X轴丝杠49的两侧，用于支撑X轴溜板44进行滑动。X轴导轨47的两端设置有可伸缩的第一防护皮腔45，第一防护皮腔45与X轴底板固定连接，第一防护皮腔45安装时都采用密封胶对安装面进行密封，以保证直线轴运动部件内部的洁净。X轴溜板44上设置供油口，X轴底板两侧设置有回油口42，通过液压系统1给液压阀块46供油。X轴丝杠49和液压阀块46形成液体静压X轴，保证直线轴的运动灵敏度及精度。X轴直线轴最大行程150mm，直线度0.1μm，位移精度为0.1μm，分辨率1nm。

如图11-图14所示，A轴为工件分度轴，采用空气静压主轴，可对多面镜进行准确分度，满足不同种类多面镜的加工。A轴单元3包括工装夹具51，工装夹具51上可一次装夹多片多面镜。工装夹具51上安装有销轴，销轴与夹具活塞52连接。夹具活塞52的侧面设置有活塞槽512，工装夹具51的销轴能够插入活塞槽512中，并且在旋转后固定在活塞槽512内。夹具活塞52的小轴端面上安装有多个弹簧511，弹簧511的另一端与工装夹具51连接。弹簧可以拉紧工装夹具51，通过气动打开夹具，可以实现快速更换工装夹具51。

工装夹具51与工件主轴54固定连接，通过石墨套将工件主轴54浮起，分度旋转时实现无接触无摩擦旋转，以保证旋转精度，气动松开多齿分度盘53，上齿盘和下齿盘脱开，上齿盘随工件主轴54旋转，以更换多面镜加工面，旋转完成后通过弹簧拉紧齿盘，使夹具加紧，上齿盘和下齿盘重新啮合；工件主轴54旋转通过伺服电机控制，保证旋转精度；工件主轴54连轴器通过滑动键可与电机联轴器58滑动，保证工件主轴54和工装夹具51旋转时可与下齿盘脱开；分别设置齿盘脱开信号510和啮合到位信号57，保证齿盘动作到位。

如图15-图17所示，顶尖轴单元6与X轴方向位置相对，顶尖轴单元6包括顶尖64，通过气缸加导轨控制顶尖64运动，加工多面镜时通过顶尖64对工装夹具51进行辅助支撑。顶尖64活动设置在顶尖轴微调导轨65上，通过顶尖轴微调气缸62带动顶尖64运动。顶尖轴微调导轨65活动设置在顶尖轴导轨63上，通过顶尖轴气缸61带动顶尖轴微调导轨65及顶尖64运动。顶尖轴动作分为两级运动，第一次顶尖轴气缸61将顶尖64推出，第二次顶尖轴微调气缸62将顶尖64顶住工装夹具51，分度轴分度时顶尖轴微调气缸62退回，便可旋转分度轴。顶尖轴单元6还包括托料架67，托料架67连接托料气缸68。托料气缸68带动托料架67可从工装夹具51下方辅助拖工装夹具51，防止加工时工装夹具51变形。托料气缸68的对向设置有缓冲气缸66，缓冲气缸66可调节托料气缸68的托举行程和力量。

如图18所示，隔震系统位于机床主体的底部，起到支撑机床主体的作用。隔震系统包括床身支架72，床身支架72上安装有若干个气浮垫铁73。气浮垫铁73的固定侧与床身支架72连接，自由侧与大理石床身71固定。机床主体安装在大理石床身71上，利用气浮垫铁73把大理石床身71浮起。大理石床身71可以通过六自由维度气浮垫铁73来隔离掉来自外界六自由维度的震动，从而做实了机床主体稳定的基础精度。

机床本体和隔震系统外侧设置有防护罩7，防护罩7采用整体防护，在满足功能的前提下，运用工业设计的理论与方法，在设计过程中注重其操作过程的舒适性、宜人性的要求，本着节省空间、节约客户成本为原则，将激光转镜加工机床的结构设计与外观设计结合起来，不仅确保产品的技术功能；而且小型化，节约空间及成本；同时可以防止加工时油雾及切屑的飞溅，避免对人员及环境造成污染。

本发明激光转镜加工机床中的数控系统采用日本FANUC的控制技术，兼顾更高的性能，更高的精度，更高的效率，更简洁的人机界面，易用性高，实现高效率高质量加工和高精度控制。

本发明激光转镜加工机床中的液压系统1采用伺服电机驱动液压站，使液压站供油更稳定，转速波动小。

本发明激光转镜加工机床在工作时，将工件安装在A轴单元3的工装夹具51上，顶尖轴单元6对工装夹具51进行支撑，调整X轴和Z轴的位置，使飞刀盘上的多把刀具可以依次对工件进行加工，加工过程中通过A轴单元3对工件位置进行调整，实现多面的加工。

本发明激光转镜加工机床为了能成批、稳定地切削加工出合格的多面反射镜，对机床的精度和性能提出来很高的要求。激光转镜加工机床的回转主轴采用高精度空气静压主轴并配备高精度飞刀盘，以保证刀具轴具备高回转精度，从而满足多面镜的精度要求。其下方配备直线滚柱导轨加滚珠丝杠的进给机构，保证足够的刚性。工件轴采用空气静压主轴加多齿分度盘的结构，可以按照多面镜的分度要求进行精确分度。其下方布置液体静压直线导轨，以得到高的进给要求。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种激光转镜加工机床，其特征在于：包括机床本体，机床本体包括主轴单元、Z轴单元、A轴单元和X轴单元，

主轴单元包括内置电机，内置电机带动刀具主轴旋转，刀具主轴外侧设置有石墨套，并在间隙通入空气，形成空气静压主轴，刀具主轴的输出端设置有飞刀盘结构，飞刀盘结构上设置有多把加工精度不同的刀具；

Z轴单元包括Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠通过滑块带动Z轴溜板和主轴单元运动，Z轴溜板沿Z轴直线滚柱导轨滑动；

A轴单元包括能够装夹多面镜的工装夹具，工装夹具通过工件主轴带动旋转，工件主轴通过外部设置的石墨套进行支撑，并在间隙通入空气，形成空气静压主轴，A轴单元还包括多齿分度盘，用于对多面镜进行分度；

X轴单元包括X轴丝杠，X轴丝杠上活动安装有液压阀块，液压阀块带动X轴溜板和A轴单元运动，X轴溜板在X轴导轨上滑动，X轴单元内充有液压油，形成液体静压直线导轨结构。

2.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述X轴导轨的两端设置有可伸缩的第一防护皮腔，第一防护皮腔的安装面设置有密封胶。

3.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述X轴单元包括X轴底板，X轴溜板上设置供油口，X轴底板两侧设置有回油口。

4.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述工装夹具上安装有销轴，销轴与夹具活塞连接，工装夹具与夹具活塞之间通过弹簧连接，弹簧能够拉紧工装夹具。

5.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述Z轴溜板两侧设置气动抱闸装置。

6.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述主轴单元包括相连接的电机套和主轴套，电机套内部固定设置有电机定子，电机定子内侧设置有电子转子，电机转子带动刀具主轴一同旋转，石墨套设置在刀具主轴和主轴套之间。

7.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述飞刀盘结构包括飞刀盘本体，飞刀盘本体上沿四周依次设置有粗车刀、精车刀、半精车刀和精车配重块。

8.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：还包括顶尖轴单元，顶尖轴单元包括顶尖，顶尖活动设置在顶尖轴微调导轨上，通过顶尖轴微调气缸带动顶尖运动，顶尖轴微调导轨活动设置在顶尖轴导轨上，通过顶尖轴气缸带动顶尖轴微调导轨及顶尖运动。

9.根据权利要求8所述的激光转镜加工机床，其特征在于：所述顶尖轴单元还包括托料架，托料架连接托料气缸，托料气缸带动托料架支撑工装夹具。

10.根据权利要求1所述的激光转镜加工机床，其特征在于：还包括隔震系统，隔震系统包括床身支架，床身支架上安装有若干个气浮垫铁，气浮垫铁的自由侧与大理石床身固定，机床主体安装在大理石床身上。