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1、(10)申请公布号 CN 102962733 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102962733 A *CN102962733A* (21)申请号 201210549754.3 (22)申请日 2012.12.17 B24B 1/00(2006.01) (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 5 号 (72)发明人 程灏波 苏景诗 (54) 发明名称 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置 (57) 摘要 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置， 属于超精密光学表面加工领域。为解决现有的电 流变抛光装置去除效率低， 结构复杂以及参数不 可调节。
2、等问题， 设计使用了两片互相平行的形状 相似半径相同的轮状极板作为抛光轮， 并可通过 将阳极抛光轮沿主轴滑动的方式调节极板间距 ； 工作时， 阳极抛光轮固定不动， 步进电机通过传动 齿轮和主轴驱动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转 动， 带动柔性抛光模相对工件表面运动， 切削工件 表面的材料实现抛光。 该装置结构简单精巧， 阴阳 极抛光轮间距灵活可调， 抛光轮易更换， 抛光范围 广， 抛光效率高， 适用于小型自由曲面光学元件的 超光滑加工。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 。
3、4 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置， 包括紧固螺栓、 垫片、 阴极抛光轮、 阳极 抛光轮、 导线、 轴承端盖、 顶丝、 轴承、 阳极支架、 主轴、 长螺栓、 转接架、 套筒、 齿轮、 电机座和 步进电机组成 ； 上述部件的连接关系为 ： 主轴通过第三轴承固定于电机座 ； 主动齿轮通过 平键连接固定于步进电机轴， 从动齿轮套在主轴上与主动齿轮啮合 ； 利用第二轴承将主轴 与转接架连接， 第二轴承和从动齿轮之间放置套筒， 转接架通过紧固螺栓固定于电机座 ； 阳 极支架通过第一轴承与主轴连接， 轴承端盖通过紧固螺栓将轴承和阳极支架固定， 整体可 沿主轴滑。
4、动 ； 长螺栓穿过阳极支架旋入转接架的内螺纹孔内 ； 利用顶丝结构通过阳极支架 上固定孔将阳极支架相对于长螺栓固定 ； 阳极抛光轮通过过盈配合套在阳极支架上， 阴极 抛光轮通过紧固螺栓穿过垫片固定于主轴的下端， 并与阳极抛光轮保持平行 ； 工作时， 松开 顶丝， 沿主轴方向滑动阳极抛光轮， 位置调节合适后旋紧顶丝， 固定阳极抛光轮的位置 ； 阴 极抛光轮通过主轴等金属零件与电机外壳相连接地 ； 高压电源正极通过长螺栓和导线接通 阳极抛光轮 ； 通过多自由度精密数控机床将抛光装置移至抛光区域， 将混有磨料的电流变 液体加入抛光区域， 其会在电场作用下变为粘塑性固体 ； 步进电机通过齿轮驱动主轴转。
5、动， 进而带动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转动， 阴极抛光轮转动时与阳极抛光轮平行 ； 电流变 抛光液随着阴极抛光轮相对工件表面运动产生切削， 实现抛光。 2. 根据权利要求 1 所述的平行间距可调轮状集成电极电场致流变抛光装置， 其特征在 于所述抛光装置的抛光轮部分由两片形状相似半径相同的平行轮状极板组成， 阳极抛光轮 固定， 阴极抛光轮相对于阳极抛光轮转动。 3. 根据权利要求 1 所述的平行间距可调轮状集成电极电场致流变抛光装置， 其特征在 于所述阳极抛光轮、 阳极支架、 第一轴承和轴承端盖组成的整体可通过沿主轴滑动的方式 来调节阴阳极抛光轮间距。 4. 根据权利要求 1 所述的平行间距可调。
6、轮状集成电极电场致流变抛光装置， 其特征在 于所述抛光装置使用与主轴平行的长螺栓以保证阳极抛光轮固定并与阴极抛光轮平行。 5. 根据权利要求 1 所述的平行间距可调轮状集成电极电场致流变抛光装置， 其特征在 于所述阳极抛光轮垫片、 阴极抛光轮垫片、 长螺栓、 导线、 主轴和电机座须采用高电导率的 硬质材料制成。 6. 根据权利要求 1 所述的平行间距可调轮状集成电极电场致流变抛光装置， 其特征在 于所述阳极支架和转接架采用绝缘硬质材料制成。 权 利 要 求 书 CN 102962733 A 2 1/4 页 3 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置 技术领域 0001 本发明涉及一种电流变抛光工。
7、具， 特别涉及一种极板间距可调的轮式电流变抛光 装置， 属于超精密光学表面加工领域。 背景技术 0002 电流变抛光技术是一种新兴的光学表面加工技术。 该技术利用电流变液的粘度随 电场强度的变化而变化的性质， 将微细磨料混入电流变液并在电场的作用下形成柔性抛光 模， 基于普林斯顿方程对光学元件表面进行抛光。 该技术是一种结合电动力学、 流体力学以 及固体物理学的新型光学表面加工技术。 0003 电流变液由具有高介电常数的电流变粒子和低介电常数的基础液组成。 在不施加 电场的情况下， 电流变液会保持良好的流动性， 类似于牛顿流体 ； 而在电场的作用下， 电流 变液的表观粘度会急剧增加， 当电场强。
8、度超过某一临界值时， 电流变液将变为粘塑性固体， 具有了一定的抗剪切屈服强度， 即具有了宾汉液体的性质 ； 随着电场强度的增加， 电流变液 的抗剪切屈服强度还会进一步增加， 直到达到最大值为止。 0004 日本东北大学的厨川长源 （T.Kuriyagawa） 于 1999 年提出了 “电流变液辅助抛光 技术” ， 首次将 “电流变效应” 应用于光学加工领域。 他在电流变液中混入微细磨料制成电流 变抛光液， 并且在抛光工具头附近施加较高的电压， 磨料粒子被粘度增加的电流变抛光液 束缚在工具头附近， 形成柔性抛光模， 与工件表面进行相对运动去除元件表面的材料实现 抛光。 电流变液辅助抛光技术是一种。
9、微量的去除技术， 更适合于小型镜面的高精度抛光。 在 计算机的辅助下， 可以实现高精度的确定性抛光， 其具有以下几个技术特点 ： 1、 工具头体积 较小， 可以对小型光学元件进行抛光 ； 2、 柔性抛光模与工件表面吻合的同时可避免硬性接 触， 消除了光学表面被工具头划伤， 及由于摩擦生热导致抛光模变形改变去除函数的隐患 ； 3、 可以有效抑制边缘效应和亚表面损伤。4、 柔性抛光模可控性强， 电流变液对电场强度变 化的相应十分灵敏， 在毫秒量级。 0005 目前已有的电流变抛光工具存在抛光效率低， 结构复杂， 参数调节困难的问题。 早 期的点接触式电流变抛光装置虽然结构相对简单， 但是抛光接触面。
10、积很小， 抛光区域线速 度很低并且抛光区域中心处线速度为零， 由普林斯顿方程可知， 该结构材料去除效率低， 抛 光区域中心位置材料去除量为零。 近年来出现的新结构在一定程度上改善了去除效率低的 现象， 但是结构复杂， 通常需要多组齿轮或者皮带轮传动 ； 采用电刷供电有可能造成电场不 稳定 ； 工具头参数固定无法调节， 工具头不易更换。 发明内容 0006 本发明为了解决已有的电流变抛光装置抛光效率低， 结构复杂， 工具头参数无法 调节， 工具头更换困难等问题， 设计了一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置。该装置 结构简单精巧， 阴阳极抛光轮间距灵活可调， 抛光轮易更换， 抛光效率高， 供电方式。
11、稳定、 安 全。 说 明 书 CN 102962733 A 3 2/4 页 4 0007 本发明采用的技术方案是 ： 0008 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置， 包括紧固螺栓、 垫片、 阴极抛光轮、 阳 极抛光轮、 导线、 轴承端盖、 顶丝、 轴承、 阳极支架、 主轴、 长螺栓、 转接架、 套筒、 齿轮、 电机座 和步进电机。 0009 上述部件的连接关系为 ： 主轴通过第三轴承固定于电机座 ； 主动齿轮通过平键连 接固定于步进电机轴， 从动齿轮套在主轴上与主动齿轮啮合 ； 利用第二轴承将主轴与转接 架连接， 第二轴承和从动齿轮之间放置套筒， 转接架通过紧固螺栓固定于电机座 ； 阳极支架。
12、 通过第一轴承与主轴连接， 轴承端盖通过紧固螺栓将轴承和阳极支架固定， 整体可沿主轴 滑动 ； 长螺栓穿过阳极支架旋入转接架的内螺纹孔内 ； 利用顶丝结构通过阳极支架上固定 孔将阳极支架相对于长螺栓固定 ； 阳极抛光轮通过过盈配合套在阳极支架上， 阴极抛光轮 通过螺栓穿过垫片固定于主轴的下端， 并与阳极抛光轮保持平行。 0010 工作时， 松开顶丝， 沿主轴方向调节阴阳抛光轮间距， 间距调节合适后旋紧顶丝， 固定阳极极板的位置 ； 阴极抛光轮通过主轴等金属零件与电机外壳相连接地 ； 高压电源正 极通过长螺栓和导线接通阳极抛光轮 ； 通过多自由度精密数控机床将抛光装置移至抛光区 域， 将混有磨料。
13、的电流变液体加入抛光区域， 其会在电场作用下变为粘塑性固体 ； 步进电机 通过齿轮驱动主轴转动， 进而带动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转动， 阴极抛光轮转动时与 阳极抛光轮平行 ； 电流变抛光液随着抛光轮相对工件表面运动产生切削， 实现抛光。 0011 可以为该装置加工一系列直径不同的抛光轮， 针对形状不同的工件， 选择大小合 适的抛光轮。 0012 根所述抛光装置的抛光轮部分由两片相互平行的形状相似半径相同的轮状极板 组成， 阳极抛光轮固定， 阴极抛光轮相对于阳极抛光轮转动。 0013 所述阳极抛光轮、 阳极支架、 第一轴承和轴承端盖组成的整体可通过沿主轴滑动 的方式来调节阴阳极抛光轮间距。 0。
14、014 所述抛光装置使用与主轴平行的长螺栓以保证阳极抛光轮固定并与阴极抛光轮 平行。 0015 所述阳极抛光轮垫片、 阴极抛光轮垫片、 长螺栓、 导线、 主轴和电机座须采用高电 导率的硬质材料制成。 0016 所述阳极支架和转接架采用绝缘硬质材料制成。 0017 本发明有如下优点 ： 0018 该装置阴阳极抛光轮间距可调， 可以灵活改变场强分布和抛光的接触面积 ； 抛光 轮易更换， 可根据工件形状选择大小合适的抛光轮 ； 结构简单精巧， 在保证了加工效率的同 时减小了体积， 从而增强了加工能力 ； 抛光区域内， 轮状抛光工具头与工件相对速度较大， 加工效率有了很大提高 ； 集成阴阳电极于一体，。
15、 无需辅助电极， 电场施加方式安全简便 ； 相 互平行的抛光轮兼做电极使用， 发挥了抛光轮面积较大的优势， 使得电场的广度不再局限 于微小的区域， 而是广泛分布在抛光轮的周围， 电场相对于主轴旋转对称， 可以在抛光轮外 圈产生大面积电流变效应， 即电场施加的位置不再限制抛光装置的加工能力， 这一改进带 来了抛光轮灵活使用的空间。 0019 该抛光装置适用于小型自由曲面的高精度抛光。 说 明 书 CN 102962733 A 4 3/4 页 5 附图说明 0020 图 1 为本发明装置的抛光装置整体的剖面结构示意图 ； 0021 图 2 为本发明装置的电机座结构示意图 ； 0022 图 3 为本。
16、发明装置的转接架结构示意图 ； 0023 图 4 为本发明装置的阳极支架结构示意图 ； 0024 图 5 为本发明装置的轴承端盖结构示意图 ； 0025 图 6 为本发明装置的阴极抛光轮结构示意图 ； 0026 图 7 为本发明装置的阳极抛光轮结构示意图 ； 0027 图 8 为本发明装置的抛光轮附近电场矢量示意图 ； 0028 图 9 为本发明装置的抛光过程示意图 ； 0029 其中， 1- 紧固螺栓， 2- 垫片， 3- 阴极抛光轮， 4- 阳极抛光轮， 5- 导线， 6- 轴承端盖， 7- 顶丝， 8- 第一轴承， 9- 阳极支架， 10- 主轴， 11- 长螺栓， 12- 第二轴承， 。
17、13- 转接架， 14- 套 筒， 15- 主动齿轮， 16- 从动齿轮， 17- 电机座， 18- 第三轴承， 19- 步进电机， 20- 内螺纹孔， 21- 内螺纹孔， 22- 内螺纹孔， 23- 通孔， 24- 顶丝孔， 25- 阳极支架上固定孔， 26- 内螺纹孔， 27- 通孔， 28- 电流变抛光液， 29- 工件。 具体实施方式 0030 下面结合附图对本发明的具体实施方式作具体说明。 0031 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置， 如图 1 所示， 步进电机 19 通过紧固螺 栓固定于电机座上方， 电机座示意图如图 2 所示 ； 主动齿轮 15 通过平键连接方式固定于步 进电。
18、机19的转子端头 ； 主轴10上端通过第三轴承18固定于电机座17 ； 从动齿轮16固定于 主轴 10 轴环下侧， 与主动齿轮 15 啮合 ； 套筒 14， 第二轴承 12， 转接架 13 依次由主轴 10 下 端穿入 ； 转接架 13 通过紧固螺栓固定于电机座 17 ； 轴承端盖 6， 第一轴承 8， 阳极支架 9 依 次由主轴 10 下端穿入， 轴承端盖 6 通过紧固螺栓将第一轴承 8 与阳极支架 9 固定， 整体可 沿主轴上下滑动 ； 长螺栓 11 穿过阳极支架 9 的上固定孔， 旋入转接架 13 上的内螺纹孔内， 顶丝 7 旋入阳极支架 9 的内螺纹孔内使阳极支架 9 与长螺栓 11 。
19、相对固定 ； 阳极抛光轮 4 由 主轴 10 下端穿入， 通过过盈配合固定于阳极支架 9 ； 紧固螺栓 1 穿过垫片 2 与阴极抛光轮 3 旋入主轴 10 下端的内螺纹孔内， 将阴极抛光轮 3 固定于主轴 10 下端 ； 导线 5 将长螺栓 11 与阳极抛光轮 4 导通。 0032 图2为该发明装置的电机座结构示意图， 步进电机19通过紧固螺栓固定于内螺纹 孔 20 ； 转接架 13 通过紧固螺栓固定于内螺纹孔 21。 0033 图3为该发明装置的转接架结构示意图， 长螺栓11旋入内螺纹孔22 ； 转接架13通 过紧固螺栓穿过通孔 22 固定于内螺纹孔 21。 0034 图 4 为该发明装置的。
20、阳极支架结构示意图， 长螺栓 11 穿过阳极支架上固定孔 25 并旋入转接架 13 的内螺纹孔 22 ； 顶丝 7 旋入顶丝孔 24 将阳极支架 9 固定于长螺栓 11 ； 轴 承端盖 6 通过紧固螺栓固定于内螺纹孔 26。 0035 图 5 为该发明装置的轴承端盖结构示意图， 轴承端盖 6 通过紧固螺栓穿过通孔 27 固定于内螺纹孔 26。 0036 图 6 为该发明装置的阴极抛光轮结构示意图。 说 明 书 CN 102962733 A 5 4/4 页 6 0037 图 7 为该发明装置的阳极抛光轮结构示意图。 0038 图 8 为该发明装置的抛光轮附近电场矢量示意图。从微观的角度来看， 电。
21、流变粒 子会沿电场线形成许多具有一定抗剪切屈服强度的链状结构， 并将磨料粒子束缚在内。这 些粒子链与工件表面接触并有相对运动时， 就会切削去除工件表面材料， 达到抛光的目的。 0039 工作时， 根据工件形状选择大小合适的抛光轮， 按上述步骤组装抛光装置， 挂载于 多自由度高精度数控机床或机械手 ； 拧松顶丝 7， 使阳极支架 9 可以沿长螺栓 11 和主轴 10 自由滑动 ； 调节阳极抛光轮 4 与阴极抛光轮 3 之间的间距， 旋紧顶丝 9 ； 将高压电源正极与 长螺栓 11 相连 ； 接通机床电源， 将抛光装置移至工件 29 的抛光区域， 加入电流变抛光液 28 ； 旋开高压电源， 调节电。
22、压大小， 通过数控系统驱动步进电机 19 带动主轴 10 与阴极抛光 轮 3 旋转， 进行抛光。 0040 该抛光装置的工作过程如图 9 所示， 该装置在计算机的控制下可以对小型光学元 件进行确定性的高精度抛光。 说 明 书 CN 102962733 A 6 1/5 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102962733 A 7 2/5 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102962733 A 8 3/5 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102962733 A 9 4/5 页 10 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102962733 A 10 5/5 页 11 图 9 说 明 书 附 图 CN 102962733 A 11 。