CN100566935C - 用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，它包括机床、抛光装置、用来提供稳定性能抛光液的磁流变抛光液循环系统以及与以上各组件相连的控制系统，机床具有四个或四个以上的自由度，抛光装置固定于机床上并位于机床上待加工工件的正上方。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、适用范围广、加工能力强的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置。

Description

用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置

技术领域

本发明主要涉及到磁流变抛光的技术领域，特指一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置。

背景技术

大尺寸非球面光学零件的抛光是超精密加工领域中的一个关键性技术难题。非球面光学元件具有矫正像差得到比球面元件更高的成像质量，简化光学系统结构，减轻系统重量，提高系统稳定性，降低成本等优点，特别是在卫星侦察望远镜、激光武器、宇宙探测器等大型光学系统中，大尺寸高精度光学非球面元件更是发挥着极其重要的作用。现代空间光学系统对非球面光学元件的尺寸和精度提出了越来越高的要求，尺寸要求：非球面零件口径要求在300～1000mm甚至更大，相对口径(口径与顶点曲率半径之比)要求在1∶2以上。精度要求：面形精度优于1/40λrms(λ＝632.8nm，rms为误差均方根值，面形精度为材料的实际去除量与期望的去除量之差)；表面粗糙度值小于2nm。传统的手工加工方法已经不能满足航空航天、国防等工业的飞速发展对大尺寸光学非球面元件提出的高精度面形、超光滑表面及大批量要求。

磁流变抛光技术就是将电磁学、流体动力学、分析化学理论相结合提出的一种新型的光学零件加工方法，它利用磁流变抛光液在磁场中的固液相相互转化的特性，通过控制外磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制，创造一个能够与被加工光学表面相吻合的“柔性抛光模”，实现对光学玻璃等硬脆材料的研磨、抛光修形加工。相对传统抛光加工方法而言，这种技术具有抛光效率高、去除函数稳定、边缘效应小等显著的优点。如图1、2、3所示为国内现有的研究所建立的一些磁流变抛光装置的示意图，哈工大先后采用了图1和图2所示的加工方式，由于被加工光学零件固定在抛光模的上方，所以加工零件的尺寸就受到了限制；中国专利号：03153996.3，发明名称：电磁方式磁流变抛光头，就是清华大学开发的如图3所示的公自转的抛光轮装置。由于在该装置中，磁流变抛光液不能被循环使用，所以不能保证磁流变抛光液的成份在长时间里不发生变化即“抛光模”不发生变化，而大尺寸光学零件的加工时间很长，因此该系统不适应大尺寸光学零件的加工。中国专利申请号：200610043079.1，发明名称：磁流变柔性精磨抛光设备和方法，该发明也不能解决大口径光学零件加工的难题。综上所述，由于所采用的加工方式的局限或者一些技术上的难题没有解决，国内还没有对大尺寸非球面光学零件进行磁流变抛光加工的方法和设备。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、适用范围广、加工能力强的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：它包括机床、抛光装置、用来提供稳定性能抛光液的磁流变抛光液循环系统以及与以上各组件相连的控制系统，机床具有四个或四个以上的自由度，抛光装置固定于机床上并位于机床上待加工工件的正上方。

所述抛光装置包括双转轴支承机构以及安装于双转轴支承机构上的倒置式抛光头，双转轴支承机构包括转台、横梁、第一支撑臂、第二支撑臂、转台电机以及旋转电机，转台与转台电机相连，横梁安装于转台上，第一支撑臂和第二支撑臂相对安装于横梁的两端，第一支撑臂和第二支撑臂上相对位置处开设有用来安装倒置式抛光头的轴孔，装设于第一支撑臂或第二支撑臂上的旋转电机通过减速机与倒置式抛光头相连。

所述倒置式抛光头包括支架、抛光轮、悬臂、磁场发生装置以及抛光头驱动机构，支架通过转轴安装于双转轴支承机构上，支架上一侧设有悬臂，抛光轮通过抛光轮转轴装设于悬臂上，抛光轮转轴与固定于支架上的抛光头驱动机构相连，与控制系统相连的磁场发生装置安装于抛光轮内。

所述磁场发生装置包括铁芯、线圈、磁极、冷却水管以及直流稳流电源，铁芯呈“∏”字形，与直流稳流电源相连的线圈绕设于铁芯的两臂上，两个磁极分别固定于铁芯两臂的底部，冷却水管绕设于线圈的外侧。

所述抛光头驱动机构包括抛光轮驱动电机、抛光轮减速机、主动带轮、从动带轮以及同步带，抛光轮驱动电机通过抛光轮减速机与主动带轮相连，从动带轮与抛光轮转轴相连，同步带套设于主动带轮和从动带轮上。

所述磁流变抛光液循环系统包括通过管路相连的喷嘴、回收器、储液罐、输出泵、加水泵、回收泵以及用来控制输出泵的调速装置，喷嘴和回收器分别位于抛光轮的一侧，喷嘴通过输出管路和输出泵与储液罐相连组成抛光液输出回路，回收器通过回收泵和回收管路与储液罐相连组成抛光液回收回路，加水泵与储液罐相连组成粘度调节回路；所述抛光液输出回路的输出管路上装设有流量计和粘度计，输出泵、加水泵、流量计和粘度计均与控制系统相连。

所述机床包括床身以及安装于床身上的X轴向直线运动机构、Y轴向直线运动机构、Z轴向直线运动机构以及旋转工作台，所述抛光装置安装于Z轴向直线运动机构的工作台上，Z轴向直线运动机构装设于Y轴向直线运动机构上，Y轴向直线运动机构则装设于床身的龙门上，用来支承工件的旋转工作台位于抛光装置的下方。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明提供了一种加工大口径非球面光学零件的磁流变抛光方法和工具；

2、本发明采用抛光轮置于加工工件之上的加工方式，而加工工件直接置于机床工作台上，使得工件的加工尺寸不受限制，而且工件装夹简单方便；

3、本发明的磁流变抛光液循环控制系统能够提供成份、粘度、流量、温度等各项性质长时间稳定的磁流变抛光液，为大尺寸光学零件长时间加工提供了前提；

4、本发明采用电磁铁作为磁场发生装置，能够在加工区域产生适合抛光所需的“鼓包”形磁场，从而使磁流变抛光液产生缎带突，对光学工件进行抛光加工；通过控制线圈电流就能控制在抛光轮表面各处的磁场强度，在满足加工要求的同时，使得磁流变抛光液始终吸附在抛光轮外表面，并且在入口和回收处保持微弱的磁场，使得磁流变抛光液保持液体状态，解决了磁流变抛光液的回收和循环使用的难题；在磁场发生装置中通有冷却水对电磁铁进行冷却，使得磁流变抛光液温度保持在加工允许范围内，为大尺寸光学零件长时间加工提供了前提；

5、本发明采用双转轴结构的抛光装置，将倒置式抛光头安装于双转轴机构上，在满足加工能力的同时使得机床结构大大简化，减少了成本。

附图说明

图1是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图一；

图2是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图二；

图3是传统磁流变抛光加工方式的结构示意图三；

图4是本发明中机床的自由度示意图；

图5是光学零件的加工轨迹示意图；

图6是双转轴结构的抛光装置的摆动示意图；

图7是本发明实施例中加工原理示意图；

图8是本发明实施例磁流变抛光液循环系统的框架原理示意图；

图9是本发明具体实施例的结构示意图；

图10是本发明具体实施例中具有双转轴结构的磁流变抛光装置的结构示意图；

图11是本发明具体实施例中双转轴支承机构的主视结构示意图；

图12是本发明具体实施例中双转轴支承机构的侧视结构示意图；

图13是本发明具体实施例中倒置式抛光头的主视结构示意图；

图14是本发明具体实施例中倒置式抛光头的侧视结构示意图；

图15是本发明实施例磁场发生装置的结构示意图；

图16是用ANSYS软件仿真的本发明实施例在加工区域的磁力线分布示意图；

图17是用PG-5型特斯拉计在抛光轮外表面加工区域的实测磁场强度大小的示意图。

图例说明

1、机床

101、床身                  102、X轴向直线运动机构

103、Y轴向直线运动机构     104、Z轴向直线运动机构

105、旋转工作台

2、抛光装置

201、双转轴支承机构        202、倒置式抛光头

203、转台                  204、横梁

205、第一支撑臂            206、第二支撑臂

207、转台电机              208、旋转电机

209、减速机                210、轴孔

211、支架                  212、抛光轮

213、悬臂                  215、转轴

216、抛光轮转轴            217、抛光轮驱动电机

218、抛光轮减速机          219、主动带轮

220、从动带轮              221、同步带

3、磁流变抛光液循环系统

301、喷嘴                  302、回收器

303、储液罐                304、输出泵

305、加水泵                306、输出管路

307、回收泵                308、回收管路

309、流量计        310、粘度计

311、计算机        312、调速装置

4、磁场发生装置

401、铁芯          402、线圈

403、磁极          404、冷却水管

4041、输入水管     4042、输出水管

5、工件            6、加工间隙

7、磁流变抛光液

现有技术中(即图1、图2和图3中)

1、磁场发生装置    2、工件

3、旋转轴          4、抛光轮

5、磁流变抛光液    6、输出泵

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图9、图10、图11、图12、图13和图14所示，本发明的一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，它包括机床1、抛光装置2、用来提供稳定性能抛光液的磁流变抛光液循环系统3以及与以上各组件相连的控制系统，机床1具有四个或四个以上的自由度，抛光装置2固定于机床1上并位于机床1上待加工工件的正上方。

参见图10、图11和图12所示，本实施例中，抛光装置2包括双转轴支承机构201以及安装于双转轴支承机构201上的倒置式抛光头202，双转轴支承机构201包括转台203、横梁204、第一支撑臂205、第二支撑臂206、转台电机207以及旋转电机208，转台203与转台电机207相连，横梁204安装于转台203上，第一支撑臂205和第二支撑臂206用螺钉相对安装于横梁204的两端，第一支撑臂205和第二支撑臂206上相对位置处开设有用来安装倒置式抛光头202的轴孔210，装设于第一支撑臂205或第二支撑臂206上的旋转电机208通过减速机209与倒置式抛光头202相连。通过转台电机208的控制，可以使整个转台203转动，通过旋转电机208可以带动倒置式抛光头202转动。

本实施例中，参见图13和图14所示，倒置式抛光头202包括支架211、抛光轮212、悬臂213、磁场发生装置4以及抛光头驱动机构，支架211通过转轴215安装于双转轴支承机构201上，支架211上一侧设有悬臂213，抛光轮212通过抛光轮转轴216装设于悬臂213上，抛光轮转轴216与固定于支架211上的抛光头驱动机构相连，与控制系统相连的磁场发生装置4安装于抛光轮212内。本实施例中，磁场发生装置4用螺钉固定在支架211上，置于抛光轮212的内部。抛光轮212采用不锈钢材料制作，加工成一面有底的中空圆柱形状，其外表面是球形表面，可以加工高陡度的非球面光学零件。参见图13所示，本实施例中，磁场发生装置4包括铁芯401、线圈402、磁极403、冷却水管404以及直流稳流电源，铁芯401呈“∏”字形，与直流稳流电源相连的线圈402绕设于铁芯401的两臂上，两个磁极403用螺钉分别固定于铁芯401两臂的底部，冷却水管404绕设于线圈402的外侧。冷却水管404是为了满足磁流变抛光液长时间工作对温度的要求，冷却水管404经输入水管4041和输出水管4042通冷却水对整个电磁铁进行温度控制。

本实施例中，参见图13和图14所示，抛光头驱动机构包括抛光轮驱动电机217、抛光轮减速机218、主动带轮219、从动带轮220以及同步带221，抛光轮驱动电机217通过抛光轮减速机218与主动带轮219相连，从动带轮220与抛光轮转轴216相连，同步带221套设于主动带轮219和从动带轮220上。通过抛光轮驱动电机217可以驱动主动带轮219转动，再经过同步带221带动从动带轮220转动，从而使抛光轮转轴216带动抛光轮212转动。受到控制系统的控制，可以根据需要实时控制抛光轮212的转动。

本实施例中，磁流变抛光液循环系统3包括通过管路相连的喷嘴301、回收器302、储液罐303、输出泵304、加水泵305、回收泵307以及用来控制输出泵304的调速装置312，喷嘴301和回收器302分别位于抛光轮212的一侧，喷嘴301通过输出管路306和输出泵304与储液罐303相连组成抛光液输出回路，回收器302通过回收泵307和回收管路308与储液罐303相连组成抛光液回收回路，加水泵305与储液罐303相连组成粘度调节回路；抛光液输出回路的输出管路306上装设有流量计309和粘度计310，输出泵304、加水泵305、流量计309和粘度计310均与控制系统相连。输出泵304将储液罐303中的磁流变抛光液泵出，经输出管路306，通过喷嘴301将其喷射到抛光轮212的外表面。抛光轮212旋转将磁流变抛光液带入加工区域进行加工，回收器302将离开加工区域的抛光液回收，由回收泵307经回收管路308将其泵回储液罐303。在整个循环过程中，控制系统中的计算机311将处于循环通道中的流量计309和粘度计310测得的信号采回，经控制软件处理后，控制加水泵305和调速装置312对流量和粘度进行控制。同时在储液罐303中通有冷却水把磁流变抛光液的温度控制在允许的范围内。

机床1包括床身101以及安装于床身101上的X轴向直线运动机构102、Y轴向直线运动机构103、Z轴向直线运动机构104以及旋转工作台105。床身101采用龙门结构，选用花岗岩制作。抛光装置2安装于Z轴向直线运动机构104的工作台上，Z轴向直线运动机构104装设于Y轴向直线运动机构103上，Y轴向直线运动机构104则装设于床身101的龙门上，用来支承工件的旋转工作台105位于抛光装置2的下方，装设于X轴向直线运动机构102上。X轴向直线运动机构102、Y轴向直线运动机构103、Z轴向直线运动机构104都包括驱动电机、导轨、丝杠和工作台四部分，驱动电机、导轨和丝杠通过连接件安装于床身101上，工作台通过螺钉固定在丝杠的滑块上，驱动电机通过联轴器与丝杠相连，电机旋转通过丝杠传递带动工作台作直线运动。旋转工作台105由转台和驱动电机组成，安装于X轴向直线运动机构102的工作台上。

如图4所示，是本发明所采用的机床布局方式和加工光学零件时抛光模的加工轨迹。机床一共有6个自由度，分别是X，Y，Z三个直线方向的自由度和A，B，C三个转动方向的自由度，同时抛光轮以一定的转速旋转进行加工，且这个旋转速度可精确控制。如图5所示，是加工时抛光模的运动路径，有ρ-θ方式和X-Y两种，在X-Y方式下，抛光模相对工件表面沿X，Y两个直线轴做数控运动；在ρ-θ方式下，抛光模相对工件沿径向运动，同时工件本身作旋转运动。这两种加工方式的同时采用，使得加工的灵活性更大。如图6所示，是双转轴结构的抛光装置摆动示意图，根据工件的形状要求，可以调节抛光头的两个方向的角度以适应工件曲率的变化，从而可以加工任意形状的曲面。

图7是本发明实施例的加工原理示意图。将抛光轮212置于工件5的上方，在工件5和抛光轮212之间形成一个加工间隙6。磁场发生装置4被置于抛光轮212内部，处于加工间隙6的正上方。加工时，磁流变抛光液7由磁流变抛光液循环系统中泵出经喷嘴301喷射到抛光轮212的外表面上，抛光轮212旋转将磁流变抛光液带入加工间隙6。由于磁场发生装置4所产生的“鼓包”形磁场，磁流变抛光液7变硬形成“抛光模”对工件5进行加工。从加工区域出来以后，由于磁场的减弱，磁流变抛光液7重新恢复到液体状态附着在抛光轮212的外表面被带到回收器302处回收到磁流变抛光液循环系统中进行处理。

参见图16所示，是用ANSYS软件仿真出的在加工区域的磁力线分布图，根据磁流变抛光的原理，磁场发生装置4在抛光区域产生的磁场的磁力线分布是由一个磁极发散，向另一个磁极汇聚的“鼓包”形状，从而使得磁流变抛光液受到磁场作用后，变硬形成于类似的“鼓包”形状对工件进行加工。从图中可以看出，所设计的磁场发生装置4产生的磁场在两个磁极之间形成一个“鼓包”形，可以满足磁流变抛光的要求。

参见图17所示，是用PG-5型特斯拉计在加工区域的抛光轮外表面测得的磁场强度。纵坐标为磁感应强度，单位是特斯拉，横坐标是位置Z，单位是毫米。参考图6的坐标，Z方向的磁场为BZ，X方向的磁场为BX，Y方向的磁场为BY，可以看到BZ随着Z的变化是一个由小变大又由大变小的鼓包形，而BY沿Z向的变化关于BZ的最高点对称，BX基本上为零。通过对BX，BY，BZ的合成，可以得到抛光区域是在Z向上关于磁极对称的鼓包形，符合磁流变抛光的要求。

Claims (7)

1、一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：它包括机床(1)、抛光装置(2)、用来提供稳定性能抛光液的磁流变抛光液循环系统(3)以及与以上各组件相连的控制系统，机床(1)具有四个以上的自由度，抛光装置(2)固定于机床(1)上并位于机床(1)上待加工工件的正上方，所述抛光装置(2)包括双转轴支承机构(201)以及安装于双转轴支承机构(201)上的倒置式抛光头(202)，所述双转轴支承机构(201)包括转台(203)、横梁(204)、第一支撑臂(205)、第二支撑臂(206)、转台电机(207)以及旋转电机(208)，转台(203)与转台电机(207)相连，横梁(204)安装于转台(203)上，第一支撑臂(205)和第二支撑臂(206)相对安装于横梁(204)的两端，第一支撑臂(205)和第二支撑臂(206)上相对位置处开设有用来安装所述倒置式抛光头(202)的轴孔(210)，装设于第一支撑臂(205)或第二支撑臂(206)上的旋转电机(208)通过减速机(209)与倒置式抛光头(202)相连。

2、根据权利要求1所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述倒置式抛光头(202)包括支架(211)、抛光轮(212)、悬臂(213)、磁场发生装置(4)以及抛光头驱动机构，支架(211)通过转轴(215)安装于双转轴支承机构(201)上，支架(211)上一侧设有悬臂(213)，抛光轮(212)通过抛光轮转轴(216)装设于悬臂(213)上，抛光轮转轴(216)与固定于支架(211)上的抛光头驱动机构相连，与控制系统相连的磁场发生装置(4)安装于抛光轮(212)内。

3、根据权利要求2所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁场发生装置(4)包括铁芯(401)、线圈(402)、磁极(403)、冷却水管(404)以及直流稳流电源，铁芯(401)呈“∏”字形，与直流稳流电源相连的线圈(402)绕设于铁芯(401)的两臂上，两个磁极(403)分别固定于铁芯(401)两臂的底部，冷却水管(404)绕设于线圈(402)的外侧。

4、根据权利要求2或3所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述抛光头驱动机构包括抛光轮驱动电机(217)、抛光轮减速机(218)、主动带轮(219)、从动带轮(220)以及同步带(221)，抛光轮驱动电机(217)通过抛光轮减速机(218)与主动带轮(219)相连，从动带轮(220)与抛光轮转轴(216)相连，同步带(221)套设于主动带轮(219)和从动带轮(220)上。

5、根据权利要求1或2或3所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁流变抛光液循环系统(3)包括通过管路相连的喷嘴(301)、回收器(302)、储液罐(303)、输出泵(304)、加水泵(305)、回收泵(307)以及用来控制输出泵(304)的调速装置(312)，喷嘴(301)和回收器(302)分别位于抛光轮(212)的一侧，喷嘴(301)通过输出管路(306)和输出泵(304)与储液罐(303)相连组成抛光液输出回路，回收器(302)通过回收泵(307)和回收管路(308)与储液罐(303)相连组成抛光液回收回路，加水泵(305)与储液罐(303)相连组成粘度调节回路；所述抛光液输出回路的输出管路(306)上装设有流量计(309)和粘度计(310)，输出泵(304)、加水泵(305)、流量计(309)和粘度计(310)均与控制系统相连。

6、根据权利要求1或2或3所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述机床(1)包括床身(101)以及安装于床身(101)上的X轴向直线运动机构(102)、Y轴向直线运动机构(103)、Z轴向直线运动机构(104)以及旋转工作台(105)，所述抛光装置(2)安装于Y轴向直线运动机构(103)的工作台上，Y轴向直线运动机构(103)装设于Z轴向直线运动机构(104)上，Z轴向直线运动机构(104)则装设于X轴向直线运动机构(102)上，用来支承工件的旋转工作台(105)位于抛光装置(2)的下方。

7、根据权利要求5所述的用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，其特征在于：所述机床(1)包括床身(101)以及安装于床身(101)上的X轴向直线运动机构(102)、Y轴向直线运动机构(103)、Z轴向直线运动机构(104)以及旋转工作台(105)，所述抛光装置(2)安装于Z轴向直线运动机构(104)的工作台上，Z轴向直线运动机构(104)装设于Y轴向直线运动机构(103)上，用来支承工件的旋转工作台(105)位于抛光装置(2)的下方，装设于X轴向直线运动机构(102)上。

Images