[发明专利]大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法。

技术背景

大型平面在精密测量、精密机械等领域得到广泛应用。如：精密测量平台、机床导轨平面、机床工作台、大型精密光学平面、大型精密平面磨具等。这些精密的大型平面零件对表面精度和表面质量要求极高。如激光核聚变装置所用的大口径光学元件KDP晶体(450mm×450mm)要求表面PV值达到λ/4(λ＝0.63μm)。用于加工塑料薄膜的精密模具核心部件-大型挤出平模头要求每100平方毫米平面度要求为0.02μm，表面粗糙度在0.01μm以内。

大型平面的加工精度受制于加工装备本身的精度，而大型平面加工装备的尺寸往往较大，因此要做出高精度的加工设备代价极高。国外发达国家在高精度的大型加工装备和技术上对我国严格封锁，导致国内大型平面精密加工技术严重滞后，不具备高精度的大型平面批量生产能力。目前，国内大型平面的超精密加工是在精密平面铣磨基础上，再采用人工研磨或刮研的方法，来实现最终的平面度要求。而这些人工的加工方法存在的普遍问题是：(1)对工人的技术要求高；(2)工艺的稳定性差；(3)产品的一致性差；(4)生产效率低。这制约了大型平面高精度加工的稳定性，加工成本居高。

数控加工技术具有闭环控制、执行速度快、记忆准确等优势，可使加工的重复精度及效率大幅度提高。现有的磨粒数控加工(如CCOS加工技术)是根据检测的平面面形误差数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对光学零件进行研磨或抛光，通过控制小磨头在工件表面的驻留时间来控制材料的去除量，实现向理想平面收敛。但是这种磨粒加工中，小磨头在某一瞬时都是一加工区域面积，而非逐点加工。CCOS加工中向理想面形收敛的必要条件是其磨头去除函数趋向δ函数。这儿磨头去除函数定义为单位周期内磨头加工区域内的材料去除率分布。因此不能采用绕磨头轴线旋转的磨头结构(其瞬时加工区域中心速度为零)。现有的磨粒数控加工方法其磨头结构和运动形式主要为行星式或平动式，其磨头结构复杂，去除中心的相对速度不高，即去除中心的去除率不大，因此这些磨头结构的加工方法向理想平面的收敛速度不高或不能收敛，使加工成本和加工精度上难以实现。

发明内容

为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种加工效率高，加工精度高的大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法。

大型平面的超精密自动化加工装置，包括放置工件的工作台，倾斜设置的、用于研磨工件的卧式磨头机构，带动所述的卧式磨头机构沿工件的横向往复移动的横向驱动机构和带动所述的磨头机构沿工件的纵向往复移动的纵向驱动机构；

所述的卧式磨头机构包括磨头和与所述的磨头连接的磨头电机；

所述的横向驱动机构包括沿工件横向设置的丝杠机构，和与丝杠机构的螺母固接的托板；所述的托板上设有气缸，气缸推杆的顶推动与气缸连接件固接，所述的气缸连接件与所述的磨头电机固接；

所述的纵向驱动机构包括沿工件纵向设置的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑座，和推动所述的滑座沿所述的导轨滑动的动力机构；

所述的横向驱动机构固定于所述的滑座上。

进一步，所述的磨头呈球形。

进一步，所述的磨头电机的外壳通过转轴与所述的气缸连结铰接，所述的气缸连结件上设有锁定电机与待加工工件夹角的定位销及锁紧螺母。

使用所述的大型平面的超精密自动化加工装置加工大型平面的方法，包括以下步骤：

1)、制作卧式定压磨头；

2)、获取待加工工件的所需加工面的平面面型误差：

对被测平面划定多条不同方向的直线，在各条直线方向上，测量每一节点相对于测量起始点的高度差值，并连同每一节点的二维坐标值进行计算，求出平台表面的最小二乘平面作为理想平面。将各直线每一节点相对于最小二乘平面的差值作为被测平面的面形误差模型；

3)、磨头去除函数的建模和磨头驻留函数的计算：

对给定被加工工件，测量磨头在不同载荷、转速以及工作平面的夹角参数下、加工前后的材料去除量分布，建立磨头在瞬时加工区域半径内的磨头去除函数，根据磨头去除函数和被测平面的面形误差模型，磨头驻留时间函数为平面度误差与磨头去除函数的反卷积，即

W(x，y)＝R(x，y)**T(x，y)

式中**表示两维卷积；W(x，y)表示(x，y)点材料的去除量，即为平面度误差；R(x，y)表示小磨头在(x，y)点的磨头去除函数；T(x，y)表示小磨头在(x，y)点上的磨头驻留时间函数；