CN101862989B - 一种非球面光学零件的研抛方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学零件的研抛方法，优点是通过本方法在加工过程中可直接控制研抛法向力，克服了由于柔顺机械系统力/位耦合问题导致的力控制不准确难题，有利于获得稳定、一致的曲面轮廓，提高了零件表面的精整加工质量；而且以柔顺控制的方式对非球面光学零件进行加工，避免了精密加工对机械系统精度的高要求，降低了设备的制造成本，有利于推广应用；此外，本方法的加工原理简单，有利于硬件设计和软件开发。

Description

一种非球面光学零件的研抛方法

技术领域

本发明涉及一种机械领域中零件的加工方法，尤其涉及一种非球面光学零件的研抛方法。 

背景技术

非球面光学零件因具有良好的光学特性而受到研究者的广泛关注。近年来，非球面光学零件研抛技术与装备的研究开发一般利用超精密多轴数控机床为平台，以多轴数控插补运动伺服的方式进行加工，以实现非球面研抛过程的数控化、精量化，一定程度上提高了研抛的加工效率。但是利用上述设备加工存在以下技术缺陷：(1)由于在加工过程中只是通过数控机床切削加工的位置伺服控制对零件进行加工，而无法对作用在零件上的研抛力进行实时控制，从而使得曲面研抛过程的研抛力不确定、不一致，导致零件表面的精整加工质量不确定、不一致；(2)设备成本高，一般每台数控机床的价值在数百万甚至上千万，极大的阻碍了非球面零件加工的生产普及化。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种可提高曲面精加工质量的非球面光学零件的研抛方法。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种非球面光学零件的研抛方法，包括以下具体步骤： 

(1)、在工作台上安装第一电机和第一传动轴，并在第一电机上连接第一传动机构以带动第一传动轴转动，然后在第一传动轴上同轴套设转盘，并在转盘与第一传动轴之间设置由至少一根弹簧组成的柔顺控制装置，将转盘与转动臂的一端固定连接，在转动臂的另一端固定连接研磨工具； 

(2)、在第二电机上连接第二传动机构以带动第二传动轴转动，将用于安装待加工零件的夹具固定连接在第二传动轴上； 

(3)、将待加工的非球面光学零件安装在夹具上； 

(4)、设定工作台在X方向的进给位移即转动臂在第一传动轴上的回转中心在X方向的进给位移，记为x_p，设定工作台在Y方向的进给位移即转动臂在第一传动轴上的回转中心在Y方向的进给位移，记为y_p，设定转动臂的角位移变化值为Δθ，并设定x_p和y_p为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_p=x+l_1\sin \mathrm{\θ}+l_2\cos \mathrm{\θ}\\ y_p=y+l_1\cos \mathrm{\θ}-l_2\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ $\mathrm{\Δ\θ}=\arcsin \frac{F_n}{k\·l_2}$

其中：x、y表示研磨工具在非球面光学零件上加工点的位置，l₁表示研磨工具在非球面光学零件上的加工点到研磨工具与转动臂的连接点的垂直距离，l₂表示转动臂的回转中心到研磨工具与转动臂的连接点的垂直距离，θ表示研磨工具在非球面光学零件上加工点的切线与X方向所成的夹角，Fn表示研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛法向力，k表示柔顺控制装置的弹性系数； 

(5)、根据步骤(4)中设定的关系式通过控制系统控制工作台在X、Y方向的进给运动以及第一电机的转动，实现控制转动臂在X、Y方向的进给位移x_p、y_p以及转动臂绕回转中心转动的角度Δθ，以保证研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛力始终为研抛法向力，同时通过控制第一电机和柔顺控制装置实时控制研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛法向力Fn，实现对非球面光学零件的研抛加工。 

所述的弹簧的一端与所述的转盘连接，所述的弹簧的另一端与所述的第一传动轴连接。 

所述的弹簧为至少两根，且绕着所述的第一传动轴均匀分布。 

所述的工作台为数控机床中的伺服工作台。 

与现有技术相比，本发明的优点是通过本方法在加工过程中可直接控制研抛法向力，克服了由于柔顺机械系统力/位耦合问题导致的力控制不准确难题，有利于获得稳定、一致的曲面轮廓，提高了零件表面的精整加工质量；而且以柔顺控制的方式对非球面光学零件进行加工，避免了精密加工对机械系统精度的高要求，降低了设备的制造成本，有利于推广应用；此外，本方法的加工原理简单，有利于硬件设计和软件开发。 

附图说明

图1为本发明中所使用的装置的俯视图； 

图2为本发明的第一传动轴的剖视图； 

图3为本发明的运动轨迹的原理图。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 

如图所示，一种非球面光学零件的研抛方法，包括以下具体步骤： 

(1)、在数控机床中的伺服工作台1上安装第一电机11和第一传动轴12，并在第一电机11上连接第一传动机构7以带动第一传动轴12转动，然后在第一传动轴12上同轴套设转盘8，并在转盘8与第一传动轴12之间连接由三根均匀分布的弹簧13组成的柔顺控制装置，将转盘8与转动臂2的一端固定连接，在转动臂2的另一端固定连接研磨工具9； 

(2)、在第二电机3上连接第二传动机构6以带动第二传动轴14转动，将用于安装待加工零件5的夹具4固定连接在第二传动轴14上； 

(3)、将待加工的非球面光学零件5安装在夹具4上； 

(4)、设定伺服工作台1在X方向的进给位移即转动臂2在第一传动轴12上的回转中心在X方向的进给位移，记为x_p，设定伺服工作台1在Y方向的进给位移即转动臂2在第一传动轴12上的回转中心在Y方向的进给位移，记为y_p，设定转动臂2的角位移变化值为Δθ，并设定x_p和y_p为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_p=x+l_1\sin \mathrm{\θ}+l_2\cos \mathrm{\θ}\\ y_p=y+l_1\cos \mathrm{\θ}-l_2\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ $\mathrm{\Δ\θ}=\arcsin \frac{F_n}{k\·l_2}$

其中：x、y表示研磨工具9在非球面光学零件5上加工点的位置，l₁表示研磨工具9在非球面光学零件5上的加工点到研磨工具9与转动臂2的连接点的垂直距离，l₂表示转动臂2的回转中心到研磨工具9与转动臂2的连接点的垂直距离，θ表示研磨工具9在非球面光学零件5上加工点的切线与X方向所成的夹角，Fn表示研磨工具9作用在非球面光学零件5上的研抛法向力，k表示柔顺控制装置的弹性系数； 

(5)、根据步骤(4)中设定的关系式通过控制系统控制伺服工作台1在X、Y方向的进给运动以及第一电机11的转动，实现控制转动臂2在X、Y方向的进给位移x_p、y_p以及转动臂2绕回转中心转动的角度Δθ，以保证研磨工具9作用在非球面光学零件5上的研抛力始终为研抛法向力，同时通过控制第一电机11和柔顺控制装置实时控制研磨工具9作用在非球面光学零件5上的研抛法向力Fn，实现对非球面光学零件5的研抛加工。 

对上述加工方法中步骤(4)中的关系式的设定依据解释如下： 

1、确定二轴平动数控伺服工作台1的运动轨迹： 

非球面光学零件5可以看做在数控二维平面中轴截面绕着第二传动轴14旋转而成，因此，非球面光学零件5的轴截面可以详细地表现出零件的轮廓特征，轴截面可以表示为一条平面曲线：f(x，y)＝0。设转动臂2和转盘8共同的回转中心坐标为(x_p，y_p)，非球面光学零件5上被加工点坐标为(x，y)，定义研磨工具9与转动臂2连接的中心点为点P；设(x，y)与点P的连线为l1，(x_p，y_p)与点P的连线为l₂；设定l₁与l₂的夹角为直角，则系统简化为图3所示，并从图3中可以得出： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_p=x+l_1\sin \mathrm{\θ}+l_2\cos \mathrm{\θ}\\ y_p=y+l_1\cos \mathrm{\θ}-l_2\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中θ表示为非球面光学零件5上被加工点处切线的斜率反正切函数，即 

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan \left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)$

所以，转动臂2和转盘8共同的回转中心(x_p，y_p)的运动轨迹为： 

f(x_p-l₁sinθ-l₂cosθ，y_p-l₁cosθ+l₂sinθ)＝0 

2、转动臂6的角位移变化值： 

设研抛工具12与非球面工件5研抛法向力为Fn，旋转系统弹性系数为k，则因为产生法向力所致的确定转动臂6的角位移变化值Δθ为： 

3、控制系统对系统的控制： 

当研磨工具9沿非球面光学零件5的表面作进给运动由(x₁，y₁)点运动至(x₂，y₂)点、研抛法向力由Fn₁变化成Fn₂时，由以上公式可以求得x_p、y_p和(θ+Δθ) 的变化，根据这三个位移的变化，控制第一电机11作插补运动，即可完成系统的进给运动。 

上述实施例中，第一传动机构7和第二传动机构6为机械领域中常用的传动机构，如皮带轮和皮带组合的传动机构、齿轮传动机构等；研磨工具9为机械领域中常用的研磨工具，如砂轮等，控制系统控制伺服工作台1和第一电机11的运动与现有数控加工领域中的控制方式相同。 

Claims (4)

1.一种非球面光学零件的研抛方法，其特征在于包括以下具体步骤：

(1)、在工作台上安装第一电机和第一传动轴，并在第一电机上连接第一传动机构以带动第一传动轴转动，然后在第一传动轴上同轴套设转盘，并在转盘与第一传动轴之间设置由至少一根弹簧组成的柔顺控制装置，将转盘与转动臂的一端固定连接，在转动臂的另一端固定连接研磨工具；

(2)、在第二电机上连接第二传动机构以带动第二传动轴转动，将用于安装待加工零件的夹具固定连接在第二传动轴上；

(3)、将待加工的非球面光学零件安装在夹具上；

(4)、设定工作台在X方向的进给位移即转动臂在第一传动轴上的回转中心在X方向的进给位移，记为x_p，设定工作台在Y方向的进给位移即转动臂在第一传动轴上的回转中心在Y方向的进给位移，记为y_p，设定转动臂的角位移变化值为Δθ，并设定x_p和y_p为：

其中：x、y表示研磨工具在非球面光学零件上加工点的位置，l₁表示研磨工具在非球面光学零件上的加工点到研磨工具与转动臂的连接点的垂直距离，l₂表示转动臂的回转中心到研磨工具与转动臂的连接点的垂直距离，θ表示研磨工具在非球面光学零件上加工点的切线与X方向所成的夹角，Fn表示研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛法向力，k表示柔顺控制装置的弹性系数；

(5)、根据步骤(4)中设定的关系式通过控制系统控制工作台在X、Y方向的进给运动以及第一电机的转动，实现控制转动臂在X、Y方向的进给位移x_p、y_p以及转动臂绕回转中心转动的角度Δθ，以保证研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛力始终为研抛法向力，同时通过控制第一电机和柔顺控制装置实时控制研磨工具作用在非球面光学零件上的研抛法向力Fn，实现对非球面光学零件的研抛加工。

2.如权利要求1所述的一种非球面光学零件的研抛方法，其特征在于所述的弹簧的一端与所述的转盘连接，所述的弹簧的另一端与所述的第一传动轴连接。

3.如权利要求1或2所述的一种非球面光学零件的研抛方法，其特征在于所述的弹簧为至少两根，且绕着所述的第一传动轴均匀分布。 

4.如权利要求1所述的一种非球面光学零件的研抛方法，其特征在于所述的工作台为数控机床中的伺服工作台。 

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