Устройство для полирования оптических деталей Советский патент 1993 года по МПК B24B13/06 

(Л

С

Изобретение относится к абразивной обработке и может быть использовано для полирования оптических деталей. Сущность: полирование поверхности оптической детали осуществляют посредством полировального бруска 2,смонтированного в держателе 8, установленном с возможностью поворота на конце манипулятора 1. Устройство содержит средства равномерного распределения давления полировального бруска на поверхность оптического изделия 3, а также средства регулирования этого давления. Устройство позволяет ускорить и .автоматизировать полирование оптических деталей. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

фи.1

оо

СА) Ь

00 XJ

СО

Изобретение относится к абразивной обработке и может быть использовано при полировании оптической детали.

Цель изобретения - повышение качества и точности обработки.

Благодаря изобретению, плохо определенное взаимодействие между инструментом для полирования и поверхностью оптической детали, которое встречается по предшествующему уровню техники, заме- няется точным и хорошо управляемым воздействием на инструмент для полирования поверхности оптической детали..

На практике эффективность элементарных полировальных операций может дости- гать значения 70-80%, что позволяет получить, после трех или четырех элементарных полировальных операций, тот же самым результат и ту же самую точность поверхностного состояния, что и после 40 полировальных операций по предшествующему уровню техники.

Согласно изобретению рама устанавливается с возможностью плоскопараллельного движения и снабжена двумя параллельными шатунами, которые шар- нирно соединены с рамой, и направляющей, несущей каретку, причем шатуны шарнирно соединены с кареткой, а направляющая установлена на поворотном элементе держа- теля.

На фиг.1 изображено устройство для полирования (схема); на фиг.2 - схематический вид, в укрупненном масштабе, держателя полировального бруска; на фиг.З - разрез в укрупненном масштабе нижней части этого держателя; на фиг.4 - вид сверху держателя полировального бруска на фиг.2; на фиг.5 и 6 - средства установки полировального бруска на своем держателе; на фиг.7 - показано действие полировального бруска на поверхность оптической детали; на фиг.8 - вариант выполнения манипулятора; на фиг.9 - разрез А-А на фиг.З.

Устройство для полирования содержит манипулятор 1 с управляемыми тремя степенями свободы, несущий полировальный брусок 2, перемещаемый по полируемой поверхности оптической детали 3, установленной на поворотном столе 4 с вертикальной осью вращения 5.

Манипулятор 1 содержит вертикальный элемент 6, снабженный средствами вертикального перемещения горизонтального элемента 7, установленного с возможно- стью горизонтального перемещения, и на конце которого установлен третий элемент 8 держателя полировального бруска 2, смонтированный с возможностью поворота вокруг поперечной горизонтальной оси 9.

Конструкция этого третьего элемента манипулятора 1 более детально показана на фиг.2-6. Этот третий элемент 8 содержит (фиг.2) шасси 10, установленное с возможностью поворота вокруг оси 9 второго элемента 7 манипулятора и которое несет, в частности, электродвигатель 11, выходной вал которого 12 соединен с зубчатым редуктором 13 с полым выходным вертикальным валом 14. Этот выходной вал 14 жестко связан с двумя параллельными щеками 15 кривошипа,которыеявляются горизонтальными на фиг.2 и несут раму 16с квадратным или прямоугольным контуром, размещенную в вертикальной плоскости на фиг.2. Рама 16 установлена с возможностью поворота вокруг средней вертикальной оси на щеках 15 посредством двух соответствующих шарнирных соединений 17 и 18, расположенных посередине горизонтальных сторон рамы 16.

Редуктор 13, несущий щеки 15 и раму 16, сам удерживается посредством шасси 10.

Предпочтительно рама 16 поворачивается по кругу вокруг оси 19 выходного вала 14 редуктора 13. Для этого (фиг.2 и 4), верхняя часть рамы 16 соединена посредством двух параллельных, одинаковой длины, шатунов 20 с кареткой 21. установленной с возможностью скольжения по горизонтальной направляющей 22, установленной на шасси 10. Таким образом, вращение щек 15 вокруг оси 19 выходных валов редуктора 13 преобразуется в круговое перемещение рамы 16 (которая все время остается параллельной самой себе) с центровкой по оси 19. Перемещение центра этого кругового движения, то есть расстояние между осью 19 и осями шарниров 17 рамы 16 на щеках 15 является регулируемым, например, следующим образом; каждая щека 15 содержит рейку 23 (фиг.З и 9), которая зацепляется с зубчатым колесом 24, соединенным через вал 25 с соответствующим зубчатым колесом другой щеки 15. Вал 25 является-соос- ным валу 14 редуктора 13, причем вал 14 является полым и, таким образом, в нем может размещаться вал 25, соединяющий оба зубчатых колеса 24. Каждая рейка 23 жестко связана при перемещении с вертикальным валом 26, одна резьбовая часть которого ввинчивается в нарезное отверстие рейки 23, на промежуточной резьбовой его части расположена гайка 27 блокировки на соответствующей щеке 15, а противоположный конец вала соединяется с соответствующей стороной рамы 16 посредством упорного шарикоподшипника или роликоподшипника 28 для образования вышеукэзанного шарнирного соединения 18, Одна из реек 23 имеет резьбовое отверстие, параллельное направлению соответствующей щеки 15. и в которое вставляется регулировочный винт 29 с возможностью доступа к нему от конца щеки 15. Вращение винта 29 в одном или другом направлении позволяет перемещать соответствующую рейку 23 в одном или в другом направлении относительно щеки 15. Это перемещение рейки 23 переходит во вращение зубчатого колеса 24, передаваемое через вал 25 на зубчатое колесо 24, соединенное с рейкой 23 другой щеки 15. Таким образом, осуществляется синхронное перемещение реек 23 в щеках 15, что позволяет регулировать за одну операцию расстояние между осью 19 и шарнирными соединениями 18 и 17. На практике, это расстояние может регулироваться, например, в диапазоне от 0 до 100 мм.

Нижняя горизонтальная сторона рамы 16 соединяется через участок вала 30 со шкивом 31, соединенным через ремень 32 с выходным валом двигателя-редуктора 33, установленного на вертикальной стороне рамы 16 (фиг.4).

Шкив 31, который удерживается участком вала 30 и который устанавливается на нем свободным во вращении посредством подшипников 34 (фиг.З), жестко связан при вращении, посредством не показанных на фигуре парных пластин с поворотным диском 35, который вращается и перемещается посредством шариковой втулки 36 на нижнем конце участка вала 30.

Кроме того, диск 35 соединяется со шкивом 31 с помощью средств пневматического подвешивания с постоянной жесткостью. Для этой цели шкив 31 и диск 35 образуют между собой камеру 37, соединенную с источником газа под давлением посредством. в частност канала или пропускного отверстия 38 вала 30.

Шкив 31 и диск 35 содержат две соос- ные цилиндрические закраины, соответственно, 39 и 40, которые соединяются друг с другом посредством упруго деформируемой кольцевой мембраны 41, герметично закрывающей камеру 37. Нижний конец вала 30, размещенный в ступице 42 диска 35, снабжен датчиком 43, определяющим положение дна 44 ступицы 42, соответствующие упору дискг 35 в конец вала 30. Этот датчик позволяет осуществлять регулировку по высоте для работы в режиме полухода. Перемещение диска 35 в вертикальном противоположном направлении ограничивается упором 45, установленным на шкиве 31.

Диск 35 удерживает полировальный брусок 2 посредством средств, которые будут описаны ниже, со ссылкой на фиг.3.5 и

5Эти .средства содержат направленную

вниз горизонтальную балку 46 П-образного сечения и две пары упругих пластин сгибания 47, 48, которые устанавливаются кас- .кадно, причем одна пара пластин 47

0 соединяет диск 35 с балкой, а другая пара пластин 48 соединяет балку с полировальным бруском. Для большей ясности показана одна пара пластин 47 (фиг.5) и другая пара,пластин 48 (фиг.6). Обе пластины 47

5 являются противоположными и симметрич- ными по отношению к оси вала 30 и каждая вставляется своими концами в диск 35 и в нижний конец 49 вертикальной стенки балки 46. Обе пластины 47 сориентированы та0 ким образом, что их продолжения пересекаются по линии 50, которая перпендикулярна оси вала 30 и которая располагается под балкой 46. Эта линия 50 образует

5 первую ось поворота балки 46.

Обе другие пластины 48, такого же типа, что и предыдущие пластины, жестко связаны одним концом с продольными концами горизонтальной стенки балки 46 и проходят

0 симметрично между вертикальными стенками этой балки для жесткой связи, а своим другим концом - с полировальным бруском 2. Продолжения этих пластин 48 пересекаются по линии 51, которая перпендикулярна

5 оси вала 30 и оси 50 вращения балки 46. Эта линия 51 представляет собой вторую ось поворота полировального бруска 2 относи-, тельнр балки 46. Кроме того, высота и наклоны балки 46 и пластин 47 и 48 выполнены

0 таким образом, что оси поворота 50 и 51 являются компланарными. Они пересекаются в точке, которая представляет собой центр поворота, эквивалентный универсальному шарниру, полировального бруска 2 относительно диска 35. Этот центр поворота, обозначенный позицией 52 (фиг.2), совпадает с точкой приложения результирующей сил трения полировального бруска 2 на полируемой поверхности оптической де0 тали 3.

На фиг.7 схематически показан полировальный брусок 2, прижатый к полируемой вогнутой поверхности 53 оптической детали 5 3. Полировальный брусок 2 имеет обычную конструкцию, то есть он содержит на нижней поверхности обработанную пластину с кривизной, равной заданной кривизне для поверхности 53. Эта нижняя пластина снаб- . жена покрытием из материала, позволяющего удерживать абразивный материал и

имеющего определенную пластичность для согласования с полируемой поверхностью. Когда такой полировальный брусок перемещается по полируемой поверхности оптической детали, силы трения между полировальным бруском 2 и поверхностью 53 являются, в любой точке, тангенциальными к поверхности 53 и сориентированными в направлении, противоположном направлению перемещения полировального бруска 2 на поверхности 53. Точка 54 приложения их результирующей находится на вертикальной оси 55 полировального бруска, ниже поверхности 53, то есть с выпуклой стороны поверхности раздела и.внутри оптической детали. Как указано выше, центр поворота 52 полировального бруска на его держателе совпадает с этой точкой 54.. Из этого следует, что когда полировальный брусок 2 перемещается на полируемой поверхности 53, это перемещение не создаст никакого момента опрокидывания полировального бруска и, следовательно, совершенно .не изменяет распределение нормальных и тангенциальных усилий полировального бруска 2 на полируемую поверхность, в противоположность тому, .что происходило бы,если бы полировальный брусок 2 был установлен на своем держателе посредством реального механического шарового шарнира, центр которого обязательно был бы расположен с вогнутой стороны поверхности раздела и, следовательно, в удалении от точки 54, от чего происходил бы момент опрокидывания полировального бруска 2, между силой перемещения, прилагаемой в центре шарового шарнира, и результирующей усилий трения, приложенной в точке 54.

Когда полируемая поверхность оптической детали является выпуклой, точка приложения результирующей сил трения между полировальным бруском и полируемой поверхностью находится над полируемой поверхностью, и, в этом случае, полировальный брусок выполнен таким образом, что его центр поворота.также находится в этЬй точке. Полирование оптической детали, согласно изобретению, осуществляется следующим образом.

Средства пневматического подвешивания диска 35, несущего полировальный брусок 2, позволяют, посредством пневматического регулятора и системы управления, регулировать давление газа в камере 37. Снижение давления в этой камере позволяет облегчить или приподнять полировальный брусок для его перемещения из одной зоны полируемой поверхности в другую зону. И наоборот, давление, превышающее атмосферное давление в камере 37. увеличивает силу прижатия

полировального бруска к полируемой поверхности.

Установка полировального бруска на диске 35 посредством центра поворота, который совпадает с точкой приложения результирующей силы трения полировального бруска на полируемой поверхности, позволяет перемещать полировальный брусок на этой поверхности, сохраняя равномер-

ное распределение действия полировального бруска на поверхность оптической детали, причем это . действие осуществляется в результате опорного усилия полировального бруска и его движений на этой

поверхности.

Кроме того, преимуществом пневматического подвешивания диска 35 относительно шкива 31 является отсутствие передачи на полировальный брусок осевых вибраций

шкива. Три степени свободы элементов манипулятора (вертикальное перемещение,, горизонтальное перемещение и наклон вокруг оси 9) позволяют определить зону поверхности оптической детали, которая будет

подвергаться операции полирования. Дру- . гими параметрами операции полирования являются: скорость вращения рамы 16 вокруг оси 19 редуктора 13, величина переме- щ-зния центра вращения, скорость

вращения диска 35 вокруг оси шкива 31, опорное давление полировального бруска на поверхность оптической детали, тип использованного абразивного материала, вра- щение оптической детали, тип

использованного абразивного материала, вращение оптической детали 3 вокруг своей оси и продолжительность. Управление эти- .ми параметрами и их количественное определение, с одной стороны и точное знание

места и амплитуды подлежащих корректировке поверхностных дефектов позволяют выполнять элементарные операции полирования с эффективностью порядка 70-80% без опасности захождения за заданную отметку.

Изобретение позволяет осуществлять полирование поверхности оптической детали участок за участком, причем эти участки не обязательно должны быть сферическими

зонами. Использование стола, приводящего во вращение оптическую деталь вокруг ее оси вращения, позволяет переходить от одного участка к другому участку.

Непрерывное вращение круга п озволя5 ет ограничить работу инструмента при полировании сферических зон или сферических сегментов.

Соответственно, из этого следует, что изобретение применяется также для полирования поверхностей, которые не являются круглыми поверхностями.

Кроме того, так как обеспечивается управление всеми движениями полировально- го бруска и манипулятора, а вращением оптической детали вокруг ее оси, исключается накладывание этих различных движений и гарантируется то, что ни одна точка полировального бруска не пройдет по одним и тем же точкам полируемой поверхно- сти.

В качестве примера характеристики устройства полирования согласно изобретению могут быть следующими: вертикальное перемещение первого элемента манипуля- тора 200 мм; горизонтальное перемещение второго элемента манипулятора 1000 мм.

Угол наклона вокруг оси 9 по отношению к вертикали 0 - 30°.

Скорость перемещения относительно этих трех осей: примерно одна десятая хода за одну секунду.

Скорость вращения -полировального бруска вокруг его оси: примерно два оборота в минуту.

Перемещение центра вращения кругового движения рамы 16 примерно 0-100мм 1 Опорная сила полировального бруска™ на поверхность детали от 0 до нескольких десятков кг.

Такое устройство позволяет, например, полировать детали среднего и большего размера (диаметры от 600 мм до 2 м). Вариант конструкции манипулятора показан на фиг.8. .

В этом примере, три элемента манипулятора установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальных .осей и образуют деформируемые параллелограммы.

Первый элемент 56 и второй элемент 57 манипулятора шарнирно установлены один над другим вокруг оси 58 и являются частью одного и того же параллелограмма 59, шарнирно соединенного в позиции 60 с непод- вижным основанием 61.

Первый элемент 56 приводится в движение вокруг оси 60 посредством двигателя 62.

Третья сторона 63 параллелограмма, параллельная элементу 57, приводится в движение вокруг оси 60 двигателем 64 и поворачивает элемент 57 вокруг оси 58. Третий элемент манипулятора, который является держателем 8 полировального бруска 2, шарнирно соединен в позиции 65 с концом второго элемента 57 и является частью параллелограмма 66, соединенного через недеформируемый треугольник 67, шарнирно соединенный е позиции 58 и параллелограмм 68, шарнирно соединенный в позиции 60, с двигателем 69, установленным на неподвижном основании в основании манипулятора.

Комбинированные вращения первого элемента 56 вокруг оси 60 и второго элемента 57 вокруг оси 58 позволяют концу второго элемента размещаться в любой заданной точке в плоскости чертежа относительно поверхности полируемой детали. Поворот де- ржателя 8 вокруг оси 65 определяют ориентирование оси полировального бруска относительно полируемой поверхности, формула изобретения 1. Устройство для полирования оптических деталей, содержащее манипулятор, один элемент которого установлен с возможностью перемещения в вертикальном, а другой - горизонтальном направлениях, связанный с манипулятором держатель ин- струмента, включающий два параллельно расположенных вала, первый из которых связан с приводом и с подвижной рамой, а второй смонтирован в раме с возможностью кругового перемещения относительно первого вала и регулирования эксцентриситета между валами и предназначен для крепления инструмента, отличающееся тем, что, с целью повышения качества и точности обработки, держатель инструмента установлен с возможностью поворота вокруг поперечной горизонтальной оси, смонтированной во втором элементе манипулятора, устройство снабжено пневматическим средством контроля и регулирования усилия прижима инструмента, выполненным в виде располо-. женного на втором валу шкива, соединенного с автономным двигателем, и поворотного диска со ступицей, установленного на втором валу и связанного со шкивом с возможностью совместного вращения с ним и относительного осевого перемещения из условия образования между ними герметичной камеры, а узел крепления инструмента выполнен в виде свободно размещенной на ступице диска П-образной балки и попарно расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях под углом одна к другой упругих пластин, при этом пластины одной пары соединены с поворотным диском и балкой, а другой пары - с балкой и инстру- ментом из условия пересечения линий от продолжения пластин каждой пары в одно точке, лежащей на оси второго вала и являющейся центром поворота инструмента относительно поворотного диска.

2: Устройство по п.1. о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что рама установлена с возможностью плоскопараллельного движения и снабжена двумя шарнирно закрепленными

на ней параллельными шатунами и направляющей с расположенной на ней кареткой, при этом шатуны шарнирно соединены с

J

(pua.Z

кареткой, а направляющая смонтирована на поворотном элементе держателя инструмента.

/

LJ

Г

16

I- 00 ГчСГ

со

t со

го

со

оо

СО «ъ

&

«а «

4

Я

So