一种非谐振式振动辅助抛光装置的制作方法

本实用新型涉及超精密加工领域，尤指一种非谐振式振动辅助抛光装置。

背景技术：

精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。20世纪50年代末美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密车削——单点金刚石车削，用于加工激光核聚变反射镜、载人飞船用球面零件和大型非球面零件等，到了20世纪80年代，经超精密加工后的工件尺寸精度可以达到纳米级，工件的表面粗糙度可达纳米级或亚纳米级。在超精密加工中，抛光是最后一道工序也是最重要的一道工序，通常利用高硬度的磨粒对工件不平坦的表面进行精细切削，其目的是降低工件的表面粗糙度。

目前对工件进行超精密抛光的加工方式主要有离子束抛光、水合抛光、化学机械抛光等，离子束抛光是将等离子体喷射到工件表面，使工件表面以非接触的形式去除，但其材料去除速率低；水合抛光是利用水合反应的抛光方法，但其抛光过程复杂不利于大规模生产；化学机械抛光是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的抛光工艺，化学机械抛光过程复杂而且影响因素多。20世纪60年代日本宇都宫大学提出“振动切削”方法，在刀具上附加一个可控的振动，使加工过程变为间断、瞬间和往复的微观断续切削过程，将振动与机械加工结合，该方法逐渐发展成为机械加工行业的热门研究课题。振动切削已应用于超精加工、微细加工、硬脆陶瓷与难加工材料等领域。近年来，有学者提出振动辅助抛光技术，与传统抛光比较，在相同的加工条件下，材料去除率大，切削量大，加工时切削力小，表面残余应力小，表面粗糙度低而且被工件表面机械性能好。振动辅助抛光的原理是使游离的磨料产生振动从而加工工件表面以达到抛光的目的，特别适合硬脆材料的加工。

振动辅助抛光分为谐振型与非谐振型，谐振型振动辅助抛光又被称为超声振动辅助抛光，目前绝大部分的振动辅助抛光均为谐振型，谐振型振动辅助抛光的振动频率、振幅、运动轨迹均无法调整，可控性差，而传统的非谐振型振动辅助抛光因振动装置的固有频率低，所以抛光效率较低，非谐振型振动辅助抛光装置的设计仍是一项重要的研究方向。

技术实现要素：

本实用新型提供一种非谐振式振动辅助抛光装置，以改善传统振动辅助抛光可控性差和抛光效率低等问题。

本实用新型采取的技术方案是：一种非谐振式振动辅助抛光装置，包括Z轴直线导轨、Y轴直线导轨、X轴直线导轨、抛光刀具运动平台、精密摆动台、旋转振动平台和大理石框架，Y轴直线导轨安装在大理石框架上，X轴直线导轨安装在大理石框架上，Z轴直线导轨通过螺钉与X轴直线导轨连接，抛光刀具运动平台与Z轴直线导轨连接，精密摆动台通过螺钉与Y轴直线导轨连接，旋转振动平台通过螺钉与精密摆动台连接。

本实用新型所述抛光刀具运动平台包括：气浮电主轴，抛光刀具和配重平衡气缸，气浮电主轴安装在Z轴直线导轨上，抛光刀具装卡在气浮电主轴上，配重平衡气缸安装在Z轴直线导轨上，气浮电主轴带动抛光刀具绕Z轴转动，抛光刀具用于对被加工工件进行抛光，配重平衡气缸用于平衡Z轴的重力，减小气浮电主轴的负载。

本实用新型所述精密摆动台包括：直流无刷伺服电机、减速器、联轴器、轴承、弧形底座、弧形运动摆台、弧形齿条和蜗杆，弧形底座通过螺钉安装Y轴直线导轨上，弧形运动摆台和弧形齿条刚性连接，弧形运动摆台和弧形齿条安装在弧形底座上，直流无刷伺服电机通过减速器和联轴器连接蜗杆。

本实用新型所述旋转振动平台包括：振动底座、振动发生装置，旋转振动平台安装在弧形运动摆台上，振动发生装置通过螺钉与振动底座连接。

本实用新型所述振动发生装置包括振动装置一、振动装置二、振动装置三、工作平台和传感器系统，振动装置一包括导向机构一、杠杆放大机构一、压电陶瓷一和预紧螺钉一，振动装置二包括导向机构二、杠杆放大机构二、压电陶瓷二和预紧螺钉二，振动装置三包括导向机构三、杠杆放大机构三、压电陶瓷三和预紧螺钉三，所述的振动装置一、振动装置二和振动装置三结构相同，其中振动装置一结构是，压电陶瓷一通过预紧螺钉一固定在导向机构一上，压电陶瓷一产生的位移通过导向机构一传递给杠杆放大机构一，导向机构一中的直梁型铰链用于约束位移的传递方向，杠杆放大机构一用于放大压电陶瓷一产生的位移，传感器系统包括传感器一、传感器二和传感器三，传感器一包括位移传感器一、位移传感器支架一和运动体一，传感器二包括位移传感器二、位移传感器支架二和运动体二，传感器三包括位移传感器三、位移传感器支架三和运动体三，所述的传感器一、传感器二和传感器三结构相同，其中传感器一的位移传感器支架一通过螺钉固定在振动装置上，运动体一通过螺钉固定在工作平台上，位移传感器一固定在位移传感器支架一中。

本实用新型所述大理石框架包括：底座、横梁、支撑架一和支撑架二，支撑架一和支撑架二刚性连接于底座上，横梁刚性连接在支撑架一和支撑架二上，大理石框架用于整个装置的安装与固定。

一种非谐振式振动辅助抛光的方法，包括下列步骤：

(一)、被抛光工件固定在旋转振动平台的工作平台上，Y轴直线导轨带动精密摆动台、旋转振动平台和被抛光工件沿Y方向运动到指定位置，Z轴直线导轨和X轴直线导轨带动抛光刀具运动平台沿ZX面运动到指定位置，抛光刀具运动平台中的气浮电主轴带动抛光刀具绕Z轴旋转；

(二)、向旋转振动平台中的压电陶瓷一，压电陶瓷二和压电陶瓷三通入相同的正弦电信号，该正弦电信号可用公式X＝AX×sin(2π×f×t)表示，其中X表示通入压电陶瓷的电压，AX表示正弦电信号的振幅,f表示正弦电信号的频率，t表示时间，通过调节该正弦信号的振幅AX、频率f等参数，控制工作平台60204绕Z轴振动的旋转角度和振动频率；

(三)、工作平台带动被抛光工件在一定的角度范围内绕Z轴转动，该转动使磨粒在被抛光工件上均匀分布，且该转动与抛光刀具的绕Z轴旋转形成相对运动,该相对运动增加了抛光刀具与被抛光工件之间的相对运动速度，使磨粒切入被抛光工件表面延性域的深度增加，在切入深度达到临界切深前，抛光刀具对被抛光工件的表面进行延性去除，从而达到抛光的目的，当需要对曲面进行抛光时，精密摆动台中的直流无刷伺服电机通过涡杆和弧形运动摆台上的弧形齿条使弧形运动摆台沿弧形底座运动，弧形运动摆台带动旋转振动平台和被抛光工件运动，使被抛光工件的表面始终与抛光刀具保持点接触，从而实现对曲面的抛光；

(四)、直到全部被加工表面抛光完成，抛光过程结束。

本实用新型的优点是：

(1)本装置中的旋转振动平台相比于其他的振动平台具有更高的固有频率，固有频率的提高使抛光装置的工作频率得到提高，增加了装置的灵活性和可控性，因此相比于传统的非谐振型振动辅助抛光装置，本装置具有抛光效率高的优点；

(2)相对于传统的谐振型振动辅助抛光，本抛光装置振动的频率和振幅均可调节，可控性好，适用性得到提高；

(3)本装置加入精密传感器系统，可以实时在线反馈旋转振动驱动平台的运动信号，依据反馈的信号，调节通入旋转振动平台电信号的振幅及频率等参数，及时对旋转振动平台的工作状态进行调整；

(4)加入精密摆动台，使得装置能够对一些具有简单曲面结构的硬脆陶瓷材料工件进行抛光，且具有抛光速率快、抛光精度高和可控性佳等优点，提高了装置的实用性。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图；

图2是本实用新型的抛光刀具运动平台图；

图3是本实用新型的精密摆动台图；

图4是本实用新型的精密摆动台的剖视图；

图5是本实用新型的旋转振动平台图；

图6是本实用新型的振动发生装置中的振动装置一、振动装置二、振动装置三和工作平台图；

图7是本实用新型的振动装置一中的导向机构一图

图8是本实用新型的振动发生装置中的传感器系统图；

图9是本实用新型的旋转振动平台的工作状态示意图；

图10是本实用新型的大理石框架图；

图11是本实用新型的旋转振动平台的角-位关系示意图；

图12是本实用新型的旋转振动平台的位移矢量示意图；

附图标记说明：Z轴直线导轨1，Y轴直线导轨2，X轴直线导轨3，抛光刀具运动平台4，精密摆动台5，旋转振动平台6，大理石框架7，被抛光工件8，气浮电主轴401，抛光刀具402，配重平衡气缸403，直流无刷伺服电机501，减速器502，联轴器503，轴承504，弧形底座505，弧形运动摆台506，弧形齿条507，蜗杆508，振动平台底座601，振动发生装置602，振动装置60201，振动装置60202，振动装置60203，工作平台60204，导向机构一6020101，直梁型铰链602010101，杠杆放大机构一6020102，压电陶瓷一6020103，预紧螺钉一6020104，导向机构二6020201，杠杆放大机构二6020202，压电陶瓷二6020203，预紧螺钉二6020204，导向机构三6020301，杠杆放大机构三6020302，压电陶瓷三6020303，预紧螺钉三6020304，传感器系统60205，传感器一6020501、传感器二6020502，传感器三6020503，位移传感器一602050101、位移传感器支架一602050102和运动体一602050103，位移传感器二602050201、位移传感器支架二602050202和运动体二602050203，位移传感器三602050301、位移传感器支架三602050302和运动体三602050303，底座701，横梁702，支撑架一703和支撑架二704。

具体实施方式

如图1所示，一种非谐振式振动辅助抛光装置包括Z轴直线导轨1、Y轴直线导轨2、X轴直线导轨3、抛光刀具运动平台4、精密摆动台5、旋转振动平台6、大理石框架7和被抛光工件8，Y轴直线导轨2安装在大理石框架7上，X轴直线导轨3安装在大理石框架7上，Z轴直线导轨1通过螺钉与X轴直线导轨3连接，抛光刀具运动平台4与Z轴直线导轨1连接，精密摆动台5通过螺钉与Y轴直线导轨2连接，旋转振动平台6通过螺钉与精密摆动台5连接，被抛光工件8固定在旋转振动平台6上，被抛光工件8固定在旋转振动平台6的工作平台60204上。

如图2所示的抛光刀具运动平台4包括气浮电主轴401，抛光刀具402和配重平衡气缸403，气浮电主轴401安装在Z轴直线导轨1上，抛光刀具402装卡在气浮电主轴401上，配重平衡气缸403安装在Z轴直线导轨1上，气浮电主轴401带动抛光刀具402绕Z轴转动，抛光刀具402用于对被加工工件8进行抛光，配重平衡气缸403用于平衡Z轴的重力，减小气浮电主轴401的负载。

如图3和图4所示的精密摆动台5包括直流无刷伺服电机501、减速器502、联轴器503、轴承504、弧形底座505、弧形运动摆台506、弧形齿条507和蜗杆508，弧形底座505通过螺钉安装Y轴直线导轨2上，弧形运动摆台506和弧形齿条507刚性连接，弧形运动摆台506和弧形齿条507安装在弧形底座505上，直流无刷伺服电机501通过减速器502和联轴器503连接蜗杆508，完成蜗杆508的转动，蜗杆508带动弧形运动摆台506上的弧形齿条507，弧形齿条507带动弧形运动摆台506沿弧形底座505运动。

如图5、图6、图7、图8和图9所示的旋转振动平台6包括振动底座601、振动发生装置602，旋转振动平台6安装在弧形运动摆台506上，振动发生装置602通过螺钉与振动底座601连接。

振动发生装置602包括振动装置一60201、振动装置二60202、振动装置三60203、工作平台60204和传感器系统60205，振动装置一60201包括导向机构一6020101、杠杆放大机构一6020102、压电陶瓷一6020103和预紧螺钉一6020104，振动装置二60202包括导向机构二6020201、杠杆放大机构二6020202、压电陶瓷二6020203和预紧螺钉二6020204，振动装置三60203包括导向机构三6020301、杠杆放大机构三6020302、压电陶瓷三6020303和预紧螺钉三6020304，所述的振动装置一60201、振动装置二60202和振动装置三60203结构相同，以振动装置60201为例，压电陶瓷一6020103通过预紧螺钉一6020104固定在导向机构一6020101上，压电陶瓷一6020103产生的位移通过导向机构一6020101传递给杠杆放大机构一6020102，导向机构一6020101中的直梁型铰链602010101用于约束位移的传递方向，杠杆放大机构一6020102用于放大压电陶瓷一6020103产生的位移，压电陶瓷一6020103、压电陶瓷二6020203和压电陶瓷三6020303通入相同相位的交流电信号，使压电陶瓷一6020103、压电陶瓷二6020203和压电陶瓷三6020303产生位移，该位移传递给工作平台60204后矢量合成为绕Z轴旋转位移，该旋转位移使工作平台60204在一定的角度范围内绕Z轴摆动，传感器系统60205包括传感器一6020501、传感器二6020502和传感器三6020503，传感器一6020501包括位移传感器一602050101、位移传感器支架一602050102和运动体一602050103，传感器二6020502包括位移传感器二602050201、位移传感器支架二602050202和运动体二602050203，传感器三6020503包括位移传感器三602050301、位移传感器支架三602050302和运动体三602050303，所述的传感器一6020501、传感器二6020502和传感器三6020503结构相同，以传感器一6020501为例，位移传感器支架一602050102通过螺钉固定在振动装置60201上，运动体一602050103通过螺钉固定在工作平台60204上，位移传感器一602050101固定在位移传感器支架一602050102中，传感器系统60205用于可以实时在线反馈旋转振动驱动平台6的运动信号，依据反馈的信号，调节通入旋转振动平台6电信号的振幅及频率等参数，及时对旋转振动平台6的工作状态进行调整。

如图10所示大理石框架7包括底座701、横梁702、支撑架一703和支撑架二704，支撑架一703和支撑架二704刚性连接于底座701上，横梁702刚性连接在支撑架一703和支撑架二704上，大理石框架7用于整个装置的安装与固定。

工作原理：Y轴直线导轨2带动精密摆动台5、旋转振动平台6和被抛光工件8沿Y方向运动到指定位置，Z轴直线导轨1和X轴直线导轨3带动抛光刀具运动平台4沿ZX面运动到指定位置，抛光刀具运动平台4中的气浮电主轴401带动抛光刀具402绕Z轴旋转，精密摆动台5带动旋转振动平台6沿着弧形底座505运动，旋转振动平台6带动被加工工件8在一定角度范围内绕Z轴转动，为了保证抛光的可控性，装置采用抛光刀具402的Z轴、X轴平移和绕Z轴转动，以及旋转振动平台6的Y轴平移、绕Y轴摆动和绕Z轴旋转运动共6个自由度。

一种采用本实用新型的非谐振式振动辅助抛光的方法，包括下列步骤：

(一)、被抛光工件8固定在旋转振动平台6的工作平台60204上，Y轴直线导轨2带动精密摆动台5、旋转振动平台6和被抛光工件8沿Y方向运动到指定位置，Z轴直线导轨1和X轴直线导轨3带动抛光刀具运动平台4沿ZX面运动到指定位置，抛光刀具运动平台4中的气浮电主轴401带动抛光刀具402绕Z轴旋转；

(二)、向旋转振动平台6中的压电陶瓷一6020103，压电陶瓷二6020203和压电陶瓷三6020303通入相同的正弦电信号，该正弦电信号可用公式X＝AX×sin(2π×f×t)表示，其中X表示通入压电陶瓷的电压，AX表示正弦电信号的振幅,f表示正弦电信号的频率，t表示时间，通过调节该正弦信号的振幅AX、频率f等参数，控制工作平台60204绕Z轴振动的旋转角度和振动频率；

(三)、工作平台60204带动被抛光工件8在一定的角度范围内绕Z轴转动，该转动使磨粒在被抛光工件8上均匀分布，且该转动与抛光刀具402的绕Z轴旋转形成相对运动,该相对运动增加了抛光刀具402与被抛光工件8之间的相对运动速度，使磨粒切入被抛光工件8表面延性域的深度增加，在切入深度达到临界切深前，抛光刀具402对被抛光工件8的表面进行延性去除，从而达到抛光的目的，当需要对曲面进行抛光时，精密摆动台5中的直流无刷伺服电机501通过涡杆508和弧形运动摆台506上的弧形齿条507使弧形运动摆台506沿弧形底座505运动，弧形运动摆台506带动旋转振动平台6和被抛光工件8运动，使被抛光工件8的表面始终与抛光刀具402保持点接触，从而实现对曲面的抛光；

(四)、直到全部被加工表面抛光完成，抛光过程结束。

下边通过对振动发生装置602的分析进一步说明本实用新型原理及效果。

如图11所示的旋转振动平台的位移矢量图，图中c1、c2和c3为振动发生装置的位移输入点，L1、L2和L3为输入位移，S1、S2和S3为经放大后的输入位移，压电陶瓷一6020103在位移输入点c1施加输入力F1、F2和F3，力F1使输入点c1产生位移L1，杠杆位移放大机构一6020102对位移L1进行放大，经放大后的位移为S1，压电陶瓷二6020203在位移输入点c2施加输入力F2，力F2使输入点c2产生位移L2，杠杆位移放大机构二6020202对位移L2进行放大，经放大后的位移为S2，压电陶瓷三6020303在位移输入点c3施加输入力F3，力F3使输入点c3产生位移L3，杠杆位移放大机构三6020302对位移L3进行放大，经放大后的位移为S3，S1、S2和S3在工作平台60204矢量合成为位移θ。

传统抛光过程中，工件的被加工表面相邻抛光轨迹间会产生残余高度，该残余高度会严重降低抛光的面形精度，本实用新型中的振动发生装置6可带动被加工工件8产生微尺度的旋转振动，改善了残余高度，提高抛光的面形精度，为了保证面形精度的精确性、有效性、可控性，工作平台60204旋转振动的旋转角度和振动频率必须进行严格控制，本实用新型通过建立振动发生装置602的角-位模型，对工作平台60204绕Z轴振动的旋转角度进行精确控制，而工作平台60204绕Z轴振动的工作频率与通入压电陶瓷的正弦电信号的频率相同，因此不必建立工作平台60204绕Z轴振动的振动频率的理论模型。

建立振动发生装置602的角-位模型

如图12所示的形状为等边三角形的工作平台60204，在工作平台60204的中心建立固定坐标系O，O点为工作平台的位移输出点，其坐标为(0，0，0)，由于理想状态下，通入压电陶瓷一6020103、压电陶瓷二6020203和压电陶瓷三6020303的正弦电信号完全相同，压电陶瓷一6020103、压电陶瓷二6020203和压电陶瓷三6020303产生的输出力完全相同，振动装置一60201，振动装置二60202和振动装置三60203的运动状态完全相同，因此将模型简化，只建立通入压电陶瓷一6020103的正弦电信号与工作平台60204绕O点旋转角度θ之间的函数模型。

c1为振动装置一60201的位移输入点，L1为振动装置一60201的输入位移，g1为工作平台60204的位移输入点，S1为经杠杆放大机构一6020102放大后的输入位移，R为工作平台60204的旋转半径，α为线段O-g1与X轴负半轴所成的夹角，α＝π/6，θ为工作平台60204绕O点的旋转角度。

建立通入压电陶瓷一6020103的正弦电信号与压电陶瓷一6020103产生的输出力之间的函数模型；

压电陶瓷一6020103产生的输出力可以用以下公式表示：

F1＝n×X (1)

其中，F1表示压电陶瓷一6020103产生的输出力，n表示压电常数，X表示通入压电陶瓷一6020103的电压。

压电陶瓷一6020103产生的输出力等于振动装置一60201受到的输入力

建立振动装置一60201受到的输入力与振动装置一60201的输入位移的函数模型；

振动装置一60201的输入位移可以用以下公式表示：

L1＝F1÷k (2)

其中，L1表示振动装置一的输入位移，k表示振动装置一的输入刚度。

建立振动装置一的输入位移与工作平台绕O点的旋转角度θ之间的函数模型；

工作平台60204在初始位置时，g1点在固定坐标系O中的位置坐标Og1被描述为：

其中，g1X代表g1点沿X轴的位置坐标，g1Y代表g1点沿Y轴的位置坐标，g1Z代表g1点沿Z轴的位置坐标。

工作平台60204在工作位置时，g1点运动到g1'点，g1'点在固定坐标系O中的位置坐标Og1'被描述为：

其中，g1'X代表g1'点沿X轴的位置坐标，g1'Y代表g1'点沿Y轴的位置坐标，g1'Z代表点g1'沿Z轴的位置坐标。

由(3)式和(4)式可推，工作平台60204g1点运动到g1'点沿Y轴的直线位移Y1：

Y1＝g1'Y-g1Y＝R×sin(π/6)-R×sin(π/6-θ) (5)

由于放大后的输入位移S1等于工作平台60204g1点运动到g1'点沿Y轴的直线位移Y1：

S1＝Y1＝R×sin(π/6)-R×sin(π/6-θ) (6)

又因为杠杆放大机构一6020102的位移放大比为Rma，所以放大后的输入位移S1:

S1＝L1×Rma＝L1×A (7)

由(6)式和(7)式可推，振动装置一60201的输入位移L1与工作平台60204的旋转角度θ之间的函数关系为：

L1×A＝R×sin(π/6)-R×sin(π/6-θ) (8)

(8)式经整理后得：

θ＝π/6-arcsin(1/2-L1/R×A) (9)

Rma＝A，Rma为杠杆放大机构一6020102的位移放大比。