CN102179738A - 一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，适用于大口径、高轻量化、高径厚比反射镜高精度加工的抛光装置，属于光学表面加工领域，它由密封缸、顶盖、支撑座、弧形夹具、弹性密封圈、微型气泵、精密截止阀、精密泄压阀、四通体以及硅胶管组成。抛光过程中，外加压力引起轻质反射镜内腔孔对应镜面与筋粘接镜面弹性变形不连续而导致高精度抛光后，面形呈现波浪形的压印效应已成为轻质结构反射镜高精度加工的技术壁垒。本发明公开的抛光装置将反射镜浸入于由密封缸，顶盖，弹性密封圈构成的密封腔中，并对其内腔充气。轻质反射镜镜面在重力、磨头压力以及反向充气压力作用下达到平衡，消除压印效应，实现大口径，高轻量化反射镜的高精度加工。

Description

一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置

技术领域

本发明主要涉及一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，属于精密光学加工技术领域，特指一种消除大口径、高轻量化反射镜压印效应的抛光装置。

背景技术

近几年，随着航天技术的发展，具有高强度、低变形、高反射率的功能材料(如：熔石英、ULE、微晶、SiC等)在该领域得以迅速应用。为追求光学系统的集光能力和分辨能力，并节约制造与发射成本，一般通过采用轻质大尺寸非球面光学元件来提高系统成像质量，且镜面的厚度越来越薄，即主镜的径厚比越来越高。轻质结构反射镜轻量化的形式主要有三角形、扇形、蜂窝形、圆形及异性孔形等。不同的轻量化结构对轻质反射镜的减重程度、结构刚度、转动惯量、温度特性、材料去除率及自重变形等特征产生不同的影响。受大口径非球面更高轻量化趋势的影响，轻质反射镜的装卡与高精度加工方法成了亟待解决的问题。

目前，高精度轻质反射镜的光学加工方法主要有小磨头(CCOS)，磁流变(MRF)及能动磨盘(CCAL)等抛光技术。然而，小磨头(CCOS)与磁流变(MRF)抛光技术会对抛光镜产生中高频误差并在抛光轨迹上留下明显的斑痕。为减少轻质反射镜面的中高频误差，一般采用大口径磨盘，即能动磨盘抛光技术对工件进行初步抛光，再采用小磨头对工件进行局部修抛以提高面形精度。根据普林斯顿假设和线性理论推导，材料去除率函数可表达为：

在加工过程中，轻质反射镜反射面承受的压强P主要为磨头压力。相对于CCOS抛光技术，采用CCAL技术抛光时，镜面承受压力更大，弹性变形更为明显。镜面在磨头压力及重力作用下，结构内部筋支撑区域镜面的弹性变形较孔区域镜面的弹性变形较低，因此，筋支撑区域的镜面去除量较孔区域镜面更多。当镜面外力释放后，筋支撑区凹陷下去，孔区域凸起，当抛光镜面面形达到较高精度时，镜面呈现波浪形。在外加压力作用下，由于轻质反射镜镜面各点弹性变形不一致而导致抛光后高精度面形呈现波浪形的现象称之为“压印效应”。重力及磨头压力所引入的压印效应已成为轻质结构反射镜高精度加工的技术壁垒。

消除轻质反射镜压印效应的设计方法主要有内腔充气式与浸入充气式。内腔充气就是直接对轻质结构反射镜的各个蜂窝状内腔施加反向压强，反射镜面在重力，磨头压力(0.8～1.5KPa)及充气压力的作用下达到平衡，消除了磨头压力的压印效应。这种抛光装置虽然结构简单，但是内腔气体同时会对圆周壁及支撑底面产生压强，圆周壁及支撑底面的变形会对结构内部筋产生反向拉力，进而引起反射镜面的变形。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，该装置采用浸入充气式，在不引起反射镜面的变形的同时，消除了压印效应，解决了目前大口径、高量化，高径厚比的轻质反射镜高精度抛光时外加压力引入的压印效应问题。

本发明的技术解决方案：一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，由浸入式密封抛光平台与精密充气装置组成，所述浸入式密封抛光平台由密封缸、顶盖、三角形支撑座、钢球、弧形夹具和弹性密封圈构成；三个三角形支撑座置于密封缸内腔底面的三个钢球上，并在每个三角形支撑座上表面粘接三个垫片构成九点支撑座结构；顶盖通过螺栓固定于密封缸上，弹性密封圈的充气孔穿过顶盖侧面通孔，并置于顶盖与轻质反射镜间；螺栓穿过密封缸侧面螺纹孔与弧形夹具相连，通过调节螺栓移动弧形夹具，使弧形夹具对轻质反射镜进行切向约束；所述的精密充气装置由微型气泵、蓄电池、精密截止阀、精密泄压阀、膜合气压表、四通体和硅胶管组成；微型气泵通过硅胶管与精密截止阀相连，四通体四个端口分别与精密截止阀、精密泄压阀、膜合气压表和密封缸相连。

所述密封缸结构为U型，顶面及侧面分别钻螺纹孔，并在内腔底面刨半圆凹槽。

所述三角形支撑座为等腰三角形，顶角为108°，三角形支撑座底侧重心处开半圆凹槽，上侧粘接垫片。

所述顶盖为台阶形，并在顶盖上侧开沉孔，侧面开有通孔。

所述弹性密封圈为易膨胀的弹性材料，弹性模量小于1.3*10°Pa，并且弹性密封圈带有充气嘴。

所述精密截止阀能任意调节充入气体的流量，调节量程为0～5L/min，气体流量的定位精度为1mL/min。

所述精密泄压阀能对充入过大的气压进行适量减排，泄压流量控制精度达0.3mL/min。

所述直流电源采用蓄电池。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在抛光过程中，外加压力引起轻质反射镜内腔孔对应镜面与筋粘接镜面弹性变形不连续而导致高精度抛光后，面形呈现波浪形的压印效应已成为轻质结构反射镜高精度加工的技术壁垒。本发明公开的抛光装置将反射镜浸入于由密封缸，顶盖，弹性密封圈构成的密封腔中，并对其内腔充气。轻质反射镜镜面在重力、磨头压力以及反向充气压力作用下达到平衡，消除了压印效应，实现了大口径，高轻量化反射镜的高精度加工。

(2)经过有限元仿真分析，采用内腔充气式得到镜面面形精度最好为PV127.6nm，RMS64.3nm；而本发明的浸入式充气方法是将整个抛光工件浸入于密封气缸内，对轻质结构反射镜内腔、外缘及支撑底面同时施加压强，不但消除了反射镜面的压印变形，同时保持圆周壁及支撑底面的受力平衡以致进一步提高镜面面形精度。经过有限元仿真分析，本发明采用浸入充气式得到镜面面形精度最好为PV9.6nm，RMS2.2nm。

(3)此外，本发明结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、集成度高、操作方便，同时还能够实现大口径、高轻量化，高径厚比反射镜的高精度抛光。

附图说明

图1为本发明实施例的浸入充气式抛光装置结构图；

图2为本发明轻质反射镜装卡示意图；

图3为本发明的顶盖三维视图；

图4为本发明三角形支撑座示意图；

图5为本发明弹性密封圈示意图；

图6为本发明压印效应有限元分析图；

图7为现有技术内腔充气式有限元分析图；

图8为本发明浸入充气式有限元分析图；

图9为充气压强与面形精度分析图。

图中标号：

1、弹性密封圈；2、顶盖；3、弧形夹具；4、三角形支撑座；5、钢球；6、垫片；7、轻质反射镜；8、密封缸；9、气泵；10、蓄电池；11、精密泄压阀；12、膜合气压表；13、四通体；14、精密截止阀；15、硅胶管；16、转台；17、顶盖沉孔；18、顶盖侧面通孔；19、三角块半圆凹槽；20、密封缸半圆凹槽；21、密封圈充气嘴；22、密封缸上侧螺纹孔；23、密封缸侧面螺纹孔；24、内六角螺栓。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由浸入式密封抛光平台与精密充气装置组成。浸入式密封抛光平台由密封缸8、顶盖2、支撑座4、钢球5、弧形夹具3和弹性密封圈1构成，精密充气装置由微型气泵9、直流电源10、精密截止阀14、精密泄压阀11、膜合气压表12、四通体13和硅胶管15组成。

底侧重心处开半球状凹槽的三个三角形支撑座4置于密封缸8内腔底面的三个钢球5上，每个三角形支撑座4上表面粘接三个垫片6构成九点支撑座结构；轻质反射镜7置于九点支撑座4上；密封缸8结构为U型，侧面开四个螺纹孔23并在内腔底面开三个半圆凹槽20，以方便调整轻质反射镜7与转台16同轴；螺栓24穿过密封缸侧面螺纹孔23与弧形夹具3相连，通过调节螺栓24移动弧形夹具3，使弧形夹具3对轻质反射镜7构成切向约束；顶盖2通过螺栓固定于密封缸8上，弹性密封圈1的充气嘴穿过顶盖2侧面通孔，并置于顶盖2与轻质反射镜7间；微型气泵9通过硅胶管15与精密截止阀14相连，四通体13四个端口分别与精密截止阀14，精密泄压阀11，膜合气压表12，密封缸8相连；直流电源10采用蓄电池，与微型气泵9连接；将整个精密充气装置安装于转台16上，旨于避免浸入式密封抛光平台转动时产生绕线问题。

本发明的动态工作过程：

(1)将轻质反射镜7放置于九点支撑面上并调节偏心，使得轻质反射镜7与转台16同轴；

(2)通过调节螺栓24水平移动弧形夹具3，对轻质反射镜7构成切向约束，并安装顶盖2于密封缸8上；

(3)安装弹性密封圈1，通过充气嘴21对密封圈1冲入150～250ml空气。密封圈1膨胀并将轻质反射镜7与顶盖2间的空隙密封；

(4)对密封缸8内腔充入空气，充气压强为1.65～1.75KPa；通过充气嘴21充、泄气体，调节弹性密封圈1内的压强，使得该压强与密封缸8内腔压强相等，旨于保证轻质反射镜7侧面受力平衡，消除弹性形变；

如图1、图3所示，顶盖2为台阶形，并在顶盖2上侧开四个均匀的沉孔17。利用沉孔17及密封缸上侧四个螺纹孔22，可将顶盖2固定于密封缸8上。顶盖2侧面开一个通孔18，密封圈充气嘴21穿过通孔18进行充、泄气。

如图2、图4所示，每个三角形支撑座4下侧开半球凹槽19，上侧粘接3个垫片6构成九点支撑，且三角形支撑座4为等腰三角形，顶角为108，旨于保证三角形支撑座4结构最轻巧时，轻质反射镜7在九点支撑作用下，重力变形量最小。

如图5所示，弹性密封圈1为易膨胀的弹性材料，弹性模量小于1.3*10°Pa，并且，弹性密封圈1带有充气嘴21。

如图1所示，精密截止阀14、精密泄压阀11为高精度、能稳定控制气流的可调节阀门开关。精密截止阀13能任意调节充入气体的流量，准确控制充入气体的压强，调节量程为0～5L/min，气体流量的定位精度为1mL/min；精密泄压阀11能对充入过大的气压进行适量减排，泄压流量控制精度可达0.3mL/min。

图6为施加磨头头，轻质反射镜抛光面弹性形变不连续，呈现压印效应的有限元仿真分析图，加工时，磨头压力密度为15g/cm2，镜面弹性形变为PV155nm，RMS87nm；

图7所示为现有技术内腔充气式下，消除压印效应且面形精度最高时的有限元仿真分析图，充入气体压强为1.65KPa，面形精度为PV127.6nm，RMS64.3nm；

图8所示为本发明浸入充气式下，消除压印效应且面形精度最高时的有限元仿真分析图，充入气体压强为1.68KPa，面形精度为PV9.6nm，RMS2.2nm；

图9所示为采用内腔充气式与浸入充气式下，不同压强与面形精度分析图。由仿真结果表明，重力引其镜面变形后面形精度为PV16nm，RMS9.2nm；本发明采用浸入式充气方式得到镜面面形精度明显优于内腔充气式，而且，在施加1.68KPa时，得到的面形精度最高。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，由浸入式密封抛光平台与精密充气装置组成，其特征在于：所述浸入式密封抛光平台由密封缸(8)、顶盖(2)、三角形支撑座(4)、钢球(5)、弧形夹具(3)和弹性密封圈(1)构成；三个三角形支撑座(4)置于密封缸(8)内腔底面的三个钢球(5)上，并在每个三角形支撑座(4)上表面粘接三个垫片(6)；顶盖(2)通过螺栓固定于密封缸(8)上，弹性密封圈(1)的充气嘴(21)穿过顶盖侧面通孔(18)，并置于顶盖(2)与轻质反射镜(7)间；螺栓(24)穿过密封缸侧面螺纹孔(23)与弧形夹具(3)相连，通过调节螺栓(24)移动弧形夹具(3)，使弧形夹具(3)对轻质反射镜(7)进行切向约束；所述的精密充气装置由微型气泵(9)、直流电源(10)、精密截止阀(14)、精密泄压阀(11)、膜合气压表(12)、四通体(13)和硅胶管(15)组成；直流电源(10)与微型气泵(9)相连接，微型气泵(9)通过硅胶管(15)与精密截止阀(14)相连，四通体(13)四个端口分别与精密截止阀(14)、精密泄压阀(11)、膜合气压表(12)和密封缸(8)相连。

2.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述密封缸(8)结构为U型，顶面及侧面分别钻螺纹孔(22、23)，并在内腔底面刨半圆凹槽(20)。

3.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述三角形支撑座(4)为等腰三角形，顶角为108°，三角形支撑座(4)底侧重心处开半圆凹槽，上侧粘接垫片(6)。

4.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述顶盖(2)为台阶形，并在顶盖(2)上侧开沉孔(17)，侧面开有通孔(18)。

5.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述弹性密封圈(1)为易膨胀的弹性材料，弹性模量小于1.3*10°Pa，并且弹性密封圈(1)带有充气嘴(21)。

6.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述精密截止阀(14)能任意调节充入气体的流量，调节量程为0～5L/min，气体流量的定位精度为1mL/min。

7.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述精密泄压阀(11)能对充入过大的气压进行适量减排，泄压流量控制精度达0.3mL/min。

8.根据权利要求1所述的消除轻质反射镜压印效应的抛光装置，其特征在于：所述直流电源(10)采用蓄电池。

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