一种气囊抛光头修形监测装置及修形方法

1.本发明涉及气囊抛光技术领域，特别涉及一种气囊抛光头修形监测装置及修形方法。


背景技术：

2.气囊抛光技术是英国zeeko公司和伦敦大学光学实验室的d.d.walker等在 2000年左右提出的一种光学元件的超精密加工技术，其材料体积去除率可达0.025~120 mm3/min。气囊抛光头为柔性球冠形抛光工具，不仅可以保证抛光头和被抛光工件表面面形的高度贴合，还可通过调节气囊内部压力控制抛光效率和被抛光工件的表面质量，是一种极具发展潜力的球面与非球面光学元件抛光方法。
3.气囊抛光技术采用具有一定充气压力的球形橡胶气囊作为抛光工具，在其表面贴有抛光垫。随抛光作业的进行，抛光垫表面逐渐被磨损，抛光垫表面微凸体高度降低且面形恶化，导致其与工件间的摩擦力降低，进而对气囊抛光的抛光效率和稳定性产生影响，最终影响被加工产品的质量。因此，在气囊抛光技术中，如何高效率高质量实现对气囊抛光头的面形的修整显得非常重要。
4.目前，在公开的一些专利中，气囊抛光修形存在以下缺点：（1）修形装置结构复杂。如公开号为cn103624685a专利，装置为单独设计，增加了整套设备结构复杂性，增大了设备尺寸，不利于集成化；（2）修形装置成本高昂。如公开号为cn103624685a专利和cn103433849a专利，修形装置为独立设计的修整系统，设计加工成本高昂；（3）离线修形装置精度和效率低。如公开号为cn10328663a专利、cn103586775a专利及cn103433849a专利，气囊抛光头修形装置为离线形式，浪费了抛光头从抛光机主轴和修形装置拆装的时间，且修形后气囊抛光头与抛光旋转主轴后的回转精度难以保证。
5.如上述专利，还存在离线或在线修形装置均不能实时监测气囊抛光头修形效果，需不定时对气囊抛光头拆装后进行面形测量，浪费一定的人力和时间成本的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气囊抛光头修形监测装置及修形方法。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种气囊抛光头修形监测装置，包括基座、水平运动组件、气囊抛光头组件、抛光头修形组件、加工组件和监测组件，所述水平运动组件和所述气囊抛光头组件均设置在所述基座上，所述抛光头修形组件、所述加工组件和所述监测组件均固定设置在所述水平运动组件上，所述抛光头修形组件和所述加工组件均与所述气囊抛光头组件配合，所述抛光头修形组件与所述监测组件配合。
8.进一步地，所述气囊抛光头组件包括z向滑轨、定位板、第一转动驱动件、安装夹
具、抛光主轴、气囊抛光头和抛光头夹头，所述z向滑轨固定设置在所述基座上，所述定位板滑动设置在所述z向滑轨上，所述第一转动驱动件的固定垂直固定在所述定位板上，所述安装夹具固定设置在所述第一转动驱动件的输出轴上，所述抛光主轴的固定部与所述安装夹具之间固定相连，所述气囊抛光头通过所述抛光头夹头固定在所述抛光主轴的输出端上，所述安装夹具的下侧设置有压力传感器。
9.进一步地，所述水平运动组件包括x向滑轨、y向滑轨、y向移动平台和x向移动平台，所述y向滑轨水平固定设置在所述基座上，所述y向移动平台滑动设置在所述y向滑轨上，所述x向滑轨水平固定设置在所述y向移动平台上，所述x向移动平台滑动设置在所述x向滑轨上，所述抛光头修形组件、所述加工组件和所述监测组件均固定设置在所述x向移动平台上。
10.进一步地，所述抛光头修形组件包括第二转动驱动件、第一真空吸盘和碗形金刚砂轮，所述第二转动驱动件的固定部固定设置在所述水平运动组件上，所述第一真空吸盘固定设置在所述第二转动驱动件的输出轴上，所述碗形金刚砂轮水平设置在所述第一真空吸盘上，所述碗形金刚砂轮上设置有碗型凹槽，所述碗型凹槽内设置有用于修形所述气囊抛光头的金刚石磨粒。
11.进一步地，所述监测组件包括支架和高分辨率摄像机，所述支架固定设置在所述水平运动组件上，所述高分辨率摄像机设置在所述支架上且与所述碗型凹槽配合。
12.进一步地，所述加工组件包括第三转动驱动件、第二真空吸盘和工件，所述第三转动驱动件的固定部固定设置在所述水平运动组件上，所述第二真空吸盘固定设置在所述第三转动驱动件的输出轴上，所述工件设置在所述第二真空吸盘上，所述工件与气囊抛光头配合。
13.进一步地，所述基座上设置有冷却部件和润滑部件，所述冷却部件和所述润滑部件均与气囊抛光头配合。
14.一种气囊抛光头修形监测装置的修形方法，所述修形方法包括以下步骤：s1：调节第二转动驱动件、第一真空吸盘和碗形金刚砂轮的位置，使所述第二转动驱动件的轴心线、所述第一真空吸盘的轴心线和所述碗形金刚砂轮中碗型凹槽的轴心线重合；s2：将气囊抛光头通过抛光头夹头安装在抛光主轴上，将所述抛光主轴通过安装夹具安装在第一转动驱动件上，并在所述抛光主轴上安装压力传感器；s3：调整所述抛光主轴的轴心线与所述碗型凹槽的轴心线重合；s4：将所述气囊抛光头下放至所述碗型凹槽中，所述压力传感器的力信号不为零时的z向位置即为修形初始位置，导入提前准备的修形程序，开始修形；修形过程中，驱动所述碗形金刚砂轮横向往复移动，然后控制所述气囊抛光头旋转且与所述碗形金刚砂轮配合，所述气囊抛光头表面的抛光垫与所述碗型凹槽内壁不断摩擦即可实现所述抛光垫的修形；s5：待所述压力传感器的数值不再变化时停止修形；s6：停止修形后，通过高分辨率摄像机获取所述气囊抛光头的曲面轮廓图像，采用高精度轮廓提取算法提取曲面轮廓并与标准轮廓进行对比，判定修形效果。
15.进一步地，所述s6步骤中，所述气囊抛光头如果修形合格，停止修形；所述气囊抛
光头如果修形不合格，则返回所述s4步骤重复修形。
16.本发明的有益效果是：1）本发明结构简单。本发明仅依靠安装在水平移动平台的dd马达和抛光主轴配合即可实现气囊抛光头的修形，简化了修形装置的复杂度。
17.2）本发明节省设备空间，适合批量生产。本发明仅采用dd马达替换掉了现有专利中的独立修形结构或装置并实现了相同功能，节省了整套抛光系统的设计加工成本和设备尺寸空间。
18.3）本发明可兼顾在线修形，在线监测和检测。本发明提供了压力传感器，用于监测气囊抛光垫与碗形金刚石砂轮摩擦作用的力信号，可通过力信号的波动大小间接判定修形完成度；本发明提供了连接pc机的高清高分辨率摄像机，用于获取修形后抛光垫表面轮廓，通过高精度轮廓提取算法获取轮廓线与标准轮廓进行对比即可判定修形是否达标。力信号的采集和高清高分辨率摄像机的使用，保证了修形精度。
附图说明
19.图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的主视结构示意图；图3为图2的a-a剖面结构示意图；图中，1-基座，2-z向滑轨，3-定位板，4-第一转动驱动件，5-安装夹具，6-抛光主轴，7-气囊抛光头，8-抛光头夹头，9-x向滑轨，10-y向滑轨，11-y向移动平台，12-x向移动平台，13-第二转动驱动件，14-第一真空吸盘，15-碗形金刚砂轮，16-碗型凹槽，17-高分辨率摄像机，18-支架，19-第三转动驱动件，20-第二真空吸盘，21-工件，22-压力传感器。
具体实施方式
20.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种气囊抛光头修形监测装置，包括基座1、水平运动组件、气囊抛光头组件、抛光头修形组件、加工组件和监测组件，水平运动组件和气囊抛光头组件均设置在基座1上，抛光头修形组件、加工组件和监测组件均固定设置在水平运动组件上，抛光头修形组件和加工组件均与气囊抛光头组件配合，抛光头修形组件与监测组件配合。基座1上设置有冷却部件和润滑部件，冷却部件和润滑部件均与气囊抛光头7配合。其中，基座1主要用来安装所有的组件和部件，水平运动组件用来带动抛光头修形组件、加工组件和监测组件在水平面上运动，气囊抛光头组件用来带动气囊抛光头7运动、加工及修形。抛光头修形组件用来为气囊抛光头7进行修形，加工组件用来装夹需要加工的零件，监测组件用来监测气囊抛光头7的修形情况。水平运动组件、气囊抛光头组件、抛光头修形组件、加工组件和监测组件均与现有技术的控制中心相连，加工、监测和修形都可实现自动化作业。
22.在一些实施例中，气囊抛光头组件包括z向滑轨2、定位板3、第一转动驱动件4、安
装夹具5、抛光主轴6、气囊抛光头7和抛光头夹头8，z向滑轨2固定设置在基座1上，定位板3滑动设置在z向滑轨2上，第一转动驱动件4的固定垂直固定在定位板3上，安装夹具5固定设置在第一转动驱动件4的输出轴上，抛光主轴6的固定部与安装夹具5之间固定相连，气囊抛光头7通过抛光头夹头8固定在抛光主轴6的输出端上，安装夹具5的下侧设置有压力传感器22。其中，z向滑轨2不仅包括滑道，还包括带动定位板3在z向滑轨2上下移动的现有技术电机，第一转动驱动件4为现有技术中的dd马达，抛光主轴6为现有技术中的驱动电机。定位板3的作用是载着第一转动驱动件4在z向滑轨2上下滑动，第一转动驱动件4水平设置，第一转动驱动件4在竖直平面上转动，安装夹具5用来将抛光主轴6固定在第一转动驱动件4的输出轴上，抛光主轴6转动时通过抛光头夹头8带动气囊抛光头7转动，气囊抛光头7转动时对工件进行加工。压力传感器22设置在安装夹具5的内侧与第一转动驱动件4的输出轴之间，压力传感器22为现有技术，主要用来监测气囊抛光头7与碗形金刚砂轮15或者工件21之间的压力。定位板3上设置有z向滑轨2配合的凹槽。
23.在一些实施例中，水平运动组件包括x向滑轨9、y向滑轨10、y向移动平台11和x向移动平台12，y向滑轨10水平固定设置在基座1上，y向移动平台11滑动设置在y向滑轨10上，x向滑轨9水平固定设置在y向移动平台11上，x向移动平台12滑动设置在x向滑轨9上，抛光头修形组件、加工组件和监测组件均固定设置在x向移动平台12上。其中，水平运动组件为现有技术，x向滑轨9和y向滑轨10均包括滑轨和驱动其在滑轨上运动的电机，y向移动平台11在y向滑轨10上沿y向运动，x向移动平台12在x向滑轨9上沿x向运动。第二转动驱动件13、支架18和第三转动驱动件19均固定设置在x向移动平台12上。在y向移动平台11上设置有与y向滑轨10配合的凹槽，在x向移动平台12上设置有与x向滑轨9配合的凹槽。
24.在一些实施例中，抛光头修形组件包括第二转动驱动件13、第一真空吸盘14和碗形金刚砂轮15，第二转动驱动件13的固定部固定设置在水平运动组件上，第一真空吸盘14固定设置在第二转动驱动件13的输出轴上，碗形金刚砂轮15水平设置在第一真空吸盘14上，碗形金刚砂轮15上设置有碗型凹槽16，碗型凹槽16内设置有用于修形气囊抛光头7的金刚石磨粒。其中，第二转动驱动件13为现有技术中的dd马达，第一真空吸盘14为现有技术，主要用来固定碗形金刚砂轮15，在碗形金刚砂轮15上设置碗型凹槽16，碗型凹槽16的作用是用来对囊抛光头7进行修形。碗形金刚砂轮15的截面呈半圆形，碗型凹槽16呈球面状。
25.在一些实施例中，监测组件包括支架18和高分辨率摄像机17，支架18固定设置在水平运动组件上，高分辨率摄像机17设置在支架18上且与碗型凹槽16配合。高分辨率摄像机17为现有技术中的工业相机，高分辨率摄像机17通过支架18固定在x向移动平台12上。
26.在一些实施例中，加工组件包括第三转动驱动件19、第二真空吸盘20和工件21，第三转动驱动件19的固定部固定设置在水平运动组件上，第二真空吸盘20固定设置在第三转动驱动件19的输出轴上，工件21设置在第二真空吸盘20上，工件21与气囊抛光头7配合。其中，第三转动驱动件19为现有技术中的dd马达，第二真空吸盘20的作用是用来固定工件21，本技术中，需要加工的工件21为bk7玻璃。
27.一种气囊抛光头修形监测装置的修形方法，修形方法包括以下步骤：（1）调节第二转动驱动件13、第一真空吸盘14和碗形金刚砂轮15的位置，使第二转动驱动件13的轴心线、第一真空吸盘14的轴心线和碗形金刚砂轮15中碗型凹槽16的轴心线重合。
28.（2）将气囊抛光头7通过抛光头夹头8安装在抛光主轴6上，将抛光主轴6通过安装夹具5安装在第一转动驱动件4上，并在抛光主轴6上安装压力传感器22。
29.（3）调整抛光主轴6的轴心线与碗型凹槽16的轴心线重合。
30.（4）将气囊抛光头7下放至碗型凹槽16中，压力传感器22的力信号不为零时的z向位置即为修形初始位置，导入提前准备的修形程序，开始修形；修形过程中，驱动碗形金刚砂轮15横向往复移动，然后控制气囊抛光头7旋转且与碗形金刚砂轮15配合，气囊抛光头7表面的抛光垫与碗型凹槽16内壁不断摩擦即可实现抛光垫的修形。
31.（5）待压力传感器22的数值不再变化时停止修形。
32.（6）停止修形后，通过高分辨率摄像机17获取气囊抛光头7的曲面轮廓图像，采用高精度轮廓提取算法提取曲面轮廓并与标准轮廓进行对比，判定修形效果。气囊抛光头7如果修形合格，停止修形；气囊抛光头7如果修形不合格，则返回s4步骤重复修形。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。