Автоматизированные станки с компьютерным управлением по 5-ти координатам для формообразования высокоапертурных поверхностей крупногабаритных зеркал
УДК 681.7.023.72; 681.7.053.35
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО 5-ти КООРДИНАТАМ ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗЕРКАЛ
© 2011 г. Ю. Б. Лямин Научно-производственное объединение “Оптика”, Москва Е-mail: optikal@npooptica.ru
На базе разработанных ранее прогрессивных технологий и средств автоматизированного формообразования крупногабаритной астрооптики созданы 5-координатные автоматизированные станки. Полировально-доводочный станок модели АПД-600 для обработки высокоапертурной оптики и доводочный станок модели АД1-К для формообразования зеркал из карбида кремния с компьютерным управлением позволяют повысить производительность и качество обработки оптических поверхностей.
Ключевые слова: формообразование асферических поверхностей, крупногабаритные оптические детали, полирование, доводка.
Коды OCIS: 220.4610
Поступила в редакцию 27.10.2010
Для автоматизированного формообразования высокоапертурных асферических поверхностей высокоточных крупногабаритных оптических деталей [1, 2] с большим отступлением (более 100 мкм) от ближайшей сферы созданы
автоматизированные компьютеризированные станки с расширенными технологическими возможностями – полировально-доводочный станок модели АПД-600 для полировки и доводки методом малого инструмента (рис. 1) и доводоч-
Рис. 1. Автоматизированный полировально-доводочный станок модели АПД-600. “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
21
ный станок модели АД1-К для тонкой шлифовки, полировки и доводки деталей как из традиционных материалов, так и деталей из материалов типа карбида кремния, обладающих высокой поверхностной прочностью (рис. 2).
На станках реализуется принцип автоматизированного формообразования поверхности с помощью обрабатывающего инструмента, осуществляющего съем материала при программируемых относительных перемещениях детали и инструмента по заданной траектории с заданной скоростью. При этом постоянными на весь сеанс обработки остаются размер инструмента, усилие нагрузки на инструмент, а также размах и частота осцилляции при полировании и частота вращения шпинделя при тонком шлифовании.
Полировка и доводка выполняются полировальником ограниченного размера (не более 0,25 от диаметра обрабатываемой детали), совершающим плоскопараллельное осциллирующее движение.
Тонкое шлифование проводится периферией вращающегося дискообразного инструмента, выполненного в виде металлической ступицы с закрепленным на ней слоем абразивного композитного материала.
Станки скомпонованы по портальной схеме и состоят из основания, наклонно-поворотного стола, траверсы, каретки, имеют полировальнодоводочный шпиндель, насадку, шлифовальную головку (только в станке АД1-К), пневмооборудование системы нагружения, электрооборудование и систему управления.
Компоновка станка АПД-600 позволяет обеспечивать программируемые движения инструмента в прямоугольной системе координат: перемещение каретки в горизонтальной плоскости по направляющим траверсы (координата X), перемещение траверсы в горизонтальной плоскости по направляющим основания (координата Y), перемещение салазок каретки со шпинделем инструмента в вертикальной плоскости (координата Z). Кроме того, программируются вращение планшайбы стола (координата С), наклон оси планшайбы стола в вертикальной плоскости X–Z (координата В), вращение шпинделя инструмента (координата S).
Основание станка АПД-600 представляет собой станину с закрепленными на ней направляющими скольжения в виде двух параллельно расположенных труб, по которым перемещается подвижная траверса с установленной на ее направляющих подвижной кареткой. Движе-
Рис. 2. Автоматизированный доводочный станок модели АД1-К. 22
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
ние на траверсу и каретку передается с помощью зубчатой реечной передачи.
В отличие от станка АПД-600 на станке АД1-К отсутствует подвижная траверса (координата Y) и программирование в этом случае осуществляется в полярной системе координат. Перемещение каретки в горизонтальной плоскости по направляющим неподвижной траверсы (координата X), вращение планшайбы стола (координата С) программируются в полярной системе координат, остальные движения (координаты Z, B, S) те же, что и в станке АПД-600. На станке АД1-К направляющие для перемещения траверсы отсутствуют, а для перемещения по неподвижной траверсе каретки применены направляющие качения и шариковая винтовая пара фирмы HIWIN.
Полировально-доводочные шпиндели одинаковы на обоих станках, но на станке АД1-К шпиндель является сменным узлом и может быть заменен на шлифовальную головку для выполнения операции тонкого шлифования.
Закрепляемая на полировальном шпинделе насадка обеспечивает осциллирующее движение инструменту и одновременно выполняет функции силового узла, нагружающего инструмент с помощью пневмоцилиндра, расположенного в корпусе насадки.
Технические характеристики станков приведены в таблице.
Управление процессом обработки, контроль технологических режимов, расчет и вывод управляющих воздействий и служебной информации на дисплей осуществляются системой
Технические характеристики станков
Наименование параметра
наружный диаметр обрабатываемой детали, мм отношение диаметра детали к радиусу кривизны обрабатываемой поверхности, не более наибольшее перемещение по линейным координатам:
по Х (ход каретки), мм по Y (ход траверсы), мм по Z (ход салазок), мм наибольший угол наклона оси вращения планшайбы стола, град скорости линейных перемещений по координатам Х, Y, Z мм/мин угловая скорость наклона планшайбы стола, град/с частота вращения планшайбы стола, об/мин частота вращения шпинделя полировального инструмента, об/мин частота вращения шпинделя шлифовальной головки, об/мин усилие нагружения на инструмент, кгс: полировальный шлифовальный амплитуда осцилляции полировального инструмента, мм допуск позиционирования по линейным координатам, мм допуск позиционирования по угловым координатам, град суммарная установленная мощность электродвигателей, кВт габаритные размеры станка без шкафов управления, мм: длина ширина высота масса станка без шкафов управления, кг
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Значение параметра
АПД-600
АД1-К
250–600
250–600
1,25
1,25
750 800 300 45 1,2–1200 0,012–12,0 0,03–56 5–250 —
0,4–25,0 —
0–35 0,6 0,2 8,7
2140 1890 1900 1900
1050 — 400 45
1,2–1200 0,012–12,0
0,03–56 5–250 50–1000
0,4–25,0 0,5–60,0
0–35 0,5 0,2 8,3
2000 1100 1900 1500
23
управления, включающей промышленную рабочую станцию (ПРС), модули связи и средства локальной автоматики. Предусмотрены автоматический режим управления станка и при наладке – управление с клавиатуры ПРС.
Установка амплитуды осцилляции и усилия нагрузки на инструмент в процессе работы не программируются и проводятся до сеанса обработки.
Для отработки перемещений рабочих органов станка в соответствии с выходными сигналами системы управления применены блоки управления, серводвигатели и сервомоторредуктор фирмы LENZE.
В настоящее время изготовлены три станка АПД-600, которые находятся в эксплуата-
ции на ряде предприятий отрасли, изготовлен и проходит приемо-сдаточные испытания опытный образец станка АД1-К.
ЛИТЕРАТУРА
1. Walker D.D., Beaucamp A.T.H., Doubrovski V., Dunn C., Evans R., Freeman R., Kelchner J., McCavana G., Morton R., Riley D., Simms J., Yu G., Wei X. Automated optical fabrication-first results from the new “Precessions” 1,2m CNC polishing machine // Proc. SPIE. 2006. V. 6273. 627309; doi:10.1117/12. 671098.
2. Walker D.D., Brooks D., King A., Freeman R., Morton R., McCavana G., Kim S.-W. The Precessions tooling for polishing and figuring Flat, Spherical and Aspheric Surfaces // Optics Express. 2003. V. 11. № 8. P. 958–964.
24 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО 5-ти КООРДИНАТАМ ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗЕРКАЛ
© 2011 г. Ю. Б. Лямин Научно-производственное объединение “Оптика”, Москва Е-mail: optikal@npooptica.ru
На базе разработанных ранее прогрессивных технологий и средств автоматизированного формообразования крупногабаритной астрооптики созданы 5-координатные автоматизированные станки. Полировально-доводочный станок модели АПД-600 для обработки высокоапертурной оптики и доводочный станок модели АД1-К для формообразования зеркал из карбида кремния с компьютерным управлением позволяют повысить производительность и качество обработки оптических поверхностей.
Ключевые слова: формообразование асферических поверхностей, крупногабаритные оптические детали, полирование, доводка.
Коды OCIS: 220.4610
Поступила в редакцию 27.10.2010
Для автоматизированного формообразования высокоапертурных асферических поверхностей высокоточных крупногабаритных оптических деталей [1, 2] с большим отступлением (более 100 мкм) от ближайшей сферы созданы
автоматизированные компьютеризированные станки с расширенными технологическими возможностями – полировально-доводочный станок модели АПД-600 для полировки и доводки методом малого инструмента (рис. 1) и доводоч-
Рис. 1. Автоматизированный полировально-доводочный станок модели АПД-600. “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
21
ный станок модели АД1-К для тонкой шлифовки, полировки и доводки деталей как из традиционных материалов, так и деталей из материалов типа карбида кремния, обладающих высокой поверхностной прочностью (рис. 2).
На станках реализуется принцип автоматизированного формообразования поверхности с помощью обрабатывающего инструмента, осуществляющего съем материала при программируемых относительных перемещениях детали и инструмента по заданной траектории с заданной скоростью. При этом постоянными на весь сеанс обработки остаются размер инструмента, усилие нагрузки на инструмент, а также размах и частота осцилляции при полировании и частота вращения шпинделя при тонком шлифовании.
Полировка и доводка выполняются полировальником ограниченного размера (не более 0,25 от диаметра обрабатываемой детали), совершающим плоскопараллельное осциллирующее движение.
Тонкое шлифование проводится периферией вращающегося дискообразного инструмента, выполненного в виде металлической ступицы с закрепленным на ней слоем абразивного композитного материала.
Станки скомпонованы по портальной схеме и состоят из основания, наклонно-поворотного стола, траверсы, каретки, имеют полировальнодоводочный шпиндель, насадку, шлифовальную головку (только в станке АД1-К), пневмооборудование системы нагружения, электрооборудование и систему управления.
Компоновка станка АПД-600 позволяет обеспечивать программируемые движения инструмента в прямоугольной системе координат: перемещение каретки в горизонтальной плоскости по направляющим траверсы (координата X), перемещение траверсы в горизонтальной плоскости по направляющим основания (координата Y), перемещение салазок каретки со шпинделем инструмента в вертикальной плоскости (координата Z). Кроме того, программируются вращение планшайбы стола (координата С), наклон оси планшайбы стола в вертикальной плоскости X–Z (координата В), вращение шпинделя инструмента (координата S).
Основание станка АПД-600 представляет собой станину с закрепленными на ней направляющими скольжения в виде двух параллельно расположенных труб, по которым перемещается подвижная траверса с установленной на ее направляющих подвижной кареткой. Движе-
Рис. 2. Автоматизированный доводочный станок модели АД1-К. 22
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
ние на траверсу и каретку передается с помощью зубчатой реечной передачи.
В отличие от станка АПД-600 на станке АД1-К отсутствует подвижная траверса (координата Y) и программирование в этом случае осуществляется в полярной системе координат. Перемещение каретки в горизонтальной плоскости по направляющим неподвижной траверсы (координата X), вращение планшайбы стола (координата С) программируются в полярной системе координат, остальные движения (координаты Z, B, S) те же, что и в станке АПД-600. На станке АД1-К направляющие для перемещения траверсы отсутствуют, а для перемещения по неподвижной траверсе каретки применены направляющие качения и шариковая винтовая пара фирмы HIWIN.
Полировально-доводочные шпиндели одинаковы на обоих станках, но на станке АД1-К шпиндель является сменным узлом и может быть заменен на шлифовальную головку для выполнения операции тонкого шлифования.
Закрепляемая на полировальном шпинделе насадка обеспечивает осциллирующее движение инструменту и одновременно выполняет функции силового узла, нагружающего инструмент с помощью пневмоцилиндра, расположенного в корпусе насадки.
Технические характеристики станков приведены в таблице.
Управление процессом обработки, контроль технологических режимов, расчет и вывод управляющих воздействий и служебной информации на дисплей осуществляются системой
Технические характеристики станков
Наименование параметра
наружный диаметр обрабатываемой детали, мм отношение диаметра детали к радиусу кривизны обрабатываемой поверхности, не более наибольшее перемещение по линейным координатам:
по Х (ход каретки), мм по Y (ход траверсы), мм по Z (ход салазок), мм наибольший угол наклона оси вращения планшайбы стола, град скорости линейных перемещений по координатам Х, Y, Z мм/мин угловая скорость наклона планшайбы стола, град/с частота вращения планшайбы стола, об/мин частота вращения шпинделя полировального инструмента, об/мин частота вращения шпинделя шлифовальной головки, об/мин усилие нагружения на инструмент, кгс: полировальный шлифовальный амплитуда осцилляции полировального инструмента, мм допуск позиционирования по линейным координатам, мм допуск позиционирования по угловым координатам, град суммарная установленная мощность электродвигателей, кВт габаритные размеры станка без шкафов управления, мм: длина ширина высота масса станка без шкафов управления, кг
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Значение параметра
АПД-600
АД1-К
250–600
250–600
1,25
1,25
750 800 300 45 1,2–1200 0,012–12,0 0,03–56 5–250 —
0,4–25,0 —
0–35 0,6 0,2 8,7
2140 1890 1900 1900
1050 — 400 45
1,2–1200 0,012–12,0
0,03–56 5–250 50–1000
0,4–25,0 0,5–60,0
0–35 0,5 0,2 8,3
2000 1100 1900 1500
23
управления, включающей промышленную рабочую станцию (ПРС), модули связи и средства локальной автоматики. Предусмотрены автоматический режим управления станка и при наладке – управление с клавиатуры ПРС.
Установка амплитуды осцилляции и усилия нагрузки на инструмент в процессе работы не программируются и проводятся до сеанса обработки.
Для отработки перемещений рабочих органов станка в соответствии с выходными сигналами системы управления применены блоки управления, серводвигатели и сервомоторредуктор фирмы LENZE.
В настоящее время изготовлены три станка АПД-600, которые находятся в эксплуата-
ции на ряде предприятий отрасли, изготовлен и проходит приемо-сдаточные испытания опытный образец станка АД1-К.
ЛИТЕРАТУРА
1. Walker D.D., Beaucamp A.T.H., Doubrovski V., Dunn C., Evans R., Freeman R., Kelchner J., McCavana G., Morton R., Riley D., Simms J., Yu G., Wei X. Automated optical fabrication-first results from the new “Precessions” 1,2m CNC polishing machine // Proc. SPIE. 2006. V. 6273. 627309; doi:10.1117/12. 671098.
2. Walker D.D., Brooks D., King A., Freeman R., Morton R., McCavana G., Kim S.-W. The Precessions tooling for polishing and figuring Flat, Spherical and Aspheric Surfaces // Optics Express. 2003. V. 11. № 8. P. 958–964.
24 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011