CN102284890A

CN102284890A - 面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置

Info

Publication number: CN102284890A
Application number: CN2011102880286A
Authority: CN
Inventors: 郭隐彪; 潘日; 王振忠; 姜晨
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2011-12-21

Abstract

面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，涉及一种光学元件抛光装置。设有连接轴、底盘、永磁体、磁流变液槽、工作台、区域磁场调节装置以及嵌入式控制装置；所述连接轴一端通过键连接固定在底盘上表面，连接轴另一端与机床抛光旋转轴连接；底盘下表面设有工件固定台、永磁体座以及导轨，工件倒置固定在工件固定台上，永磁体座固定在导轨上，所述永磁体固定在永磁体座上；载有磁流变液的磁流变液槽置于工作台上方，抛光时，将工件浸入磁流变液内；所述区域磁场调节装置固定在工作台内，区域磁场调节装置布满工作台内部；所述工作台底面中心设有导线通孔，区域磁场调节装置内连接线圈的导线穿过导线通孔与嵌入式控制装置连接。

Description

面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置

技术领域

本发明涉及一种光学元件抛光装置，尤其是涉及一种面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置。

背景技术

磁流变抛光技术(Magnetorheological Finishing)，简称MRF技术，出现于20世纪90年代初期，由W.I.Kordanski，I.V.Prokhorov及其合作者将电磁学与流体动力学理论相结合并应用于光学加工中。1995年美国Rochester大学的光学加工中心(COM)利用MRF技术开始研制具有实用性、商业型的MRF光学加工设备。

磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光，在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的Bingham介质.并形成缎带凸起。当这种介质流经工件与运动盘形成的很小空隙时，在工件表面与其接触的区域上产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。所谓数控磁流变抛光技术就是通过计算机控制抛光轨迹、抛光驻留时间以磁流变液在磁场中形成的缎带凸起为抛光头来完成对面形误差的修正。(参见文献：程灏波，大口径离轴非球面制造技术——研磨、抛光技术[J]光机电信息，2003，2)。

与现有的抛光方法相比，磁流变抛光技术具有以下优点：

1)抛光精度高；

2)抛光盘无磨损，抛光特性稳定；

3)可以制造复杂形状的表面，如球面、非球面及非对称的自由曲面。

但是，MRF技术也存在明显的缺点：

1)现有的MRF技术加工设备大多采用点加工的方式，加工效率低下；

2)MRF技术可以抛光任意曲率半径的凸曲面，但不能加工曲率半径较小的凹曲面，例如当前COM制造的MRF数控抛光机的抛光毂轮最小直径为25mm；

3)应用MRF技术抛光时，由于材料的抛去量较小，对被修正表面的面形精度要求较高，一般精度在1～2波长，因此在应用MRF技术前，被抛光表面需采用传统工艺进行预抛光处理。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的磁流变抛光技术中存在的加工效率低下、无法加工曲率半径较小的凹曲面以及应用MRF技术进行抛光前，被抛光表面需要采用传统工艺进行预抛光处理的情况，提供一种可实现任意面形回转轴对称光学元件的高效率整面抛光及抛光去除量控制的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置。

本发明设有连接轴、底盘、永磁体、磁流变液槽、工作台、区域磁场调节装置以及嵌入式控制装置；

所述连接轴一端通过键连接固定在底盘上表面，连接轴另一端与机床抛光旋转轴连接；底盘下表面设有工件固定台、永磁体座以及导轨，工件倒置固定在工件固定台上，永磁体座固定在导轨上，所述永磁体固定在永磁体座上；载有磁流变液的磁流变液槽置于工作台上方，抛光时，将工件浸入磁流变液内；所述区域磁场调节装置固定在工作台内，区域磁场调节装置布满工作台内部；所述工作台底面中心设有导线通孔，区域磁场调节装置内连接线圈的导线穿过导线通孔与嵌入式控制装置连接。

所述永磁体座可设至少2个，所有永磁体座最好对称分布，所述永磁体座可通过螺纹固定在导轨上，位置可调节；抛光时将永磁体固定在永磁体座上。

所述区域磁场调节装置在工作台内可环状排列，所述区域磁场调节装置可通过螺栓连接固定在工作台内；每个区域磁场调节装置可设有支座、隔磁套、磁芯对、线圈、丝杆组和微型电机，支座设在隔磁套内底部，磁芯对、线圈、丝杆组和微型电机设在支座上，线圈设在磁芯对内，磁芯对设在丝杆组上，调节区域磁场调节装置内的线圈电流通断、线圈电流大小以及磁芯对间距离都可以改变相应区域内磁场的强度，区域磁场调节装置布满工作台内部以保证工作台上方的磁流变液槽内任何区域竖直方向的磁场都能控制。

本发明采用两步抛光的方案：首先，利用嵌入式控制装置控制工作台内部各个区域的区域磁场调节装置中线圈电流通断、电流大小调节以及磁芯对间距离，改变工作台上方竖直方向各个区域的磁场，使得磁流变液在磁场作用下形成与被加工光学元件面形相适应的磁流变抛光模；然后让底盘带动工件旋转，使固定在底盘上的永磁体产生与工件旋转方向相反的旋转磁场，磁流变抛光模在旋转磁场的作用下沿工件旋转方向的相反方向旋转，实现高效率的整面抛光。其次，由于旋转永磁体产生的旋转磁场有中间区域强度大外围区域强度小的特点，经过第一步抛光后，工件会存在边缘效应，需进行第二步抛光：给永磁体套上隔磁套，旋转磁场消失，再调节工作台内部各个区域的区域磁场调节装置参数生成与此时工件面形相适应的磁流变抛光模，对工件边缘进行精修，此步骤中磁流变抛光模不动只有工件旋转，工件每旋转一周的去除量较小，抛光精度高。

与现有的磁流变抛光技术相比，本发明具有以下突出优点：

1)抛光效率高：通过形成与工件表面相适应的磁流变抛光模抛光工件表面，实现工件的整面加工，并且，抛光时工件与磁流变抛光模旋转方向相反，提高去除效率，因此与传统磁流变抛光装置相比该装置抛光效率有显著提高。

2)面形适应性好：利用嵌入式控制装置控制工作台内部各个区域的区域磁场调节装置中线圈电流通断、电流大小调节以及磁芯对间距离，改变工作台上方竖直方向各个区域的磁场，使得磁流变液在磁场作用下形成与被加工光学元件面形相适应的磁流变抛光模，适合任意面形的回转轴对称光学元件的抛光。

3)精确度高、稳定性好：通过嵌入式控制装置控制区域磁场调节装置，精确度高，用直流电来形成磁场，稳定性好。

4)操作简单：可以通过连接轴实现面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置与抛光机床的连接，操作简单、方便。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成及工作示意图。

图2为本发明实施例的底盘结构图。

图3为本发明实施例的区域磁场调节装置排列图。

图4为本发明实施例的区域磁场调节装置结构图。

图5为本发明实施例的旋转磁场分布示意图。

以下给出图中主要配件的标记：

1、磁流变液，2、磁流变液槽，3、永磁体，4、底盘，5、连接轴，6、工件固定台，7、工件，8、工作台，9、区域磁场调节装置，10、嵌入式控制装置，11、导轨，12、永磁体座，13、支座14、线圈，15、磁芯对，16、隔磁套，17、丝杆组，18、微型电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述：

参见图1～4，本发明实施例设有连接轴5、底盘4、永磁体3、磁流变液槽2、工作台8、区域磁场调节装置9以及嵌入式控制装置10；

所述连接轴5一端通过键连接固定在底盘4上表面，连接轴5另一端与机床抛光旋转轴连接；底盘4下表面设有工件固定台6、永磁体座12以及导轨11，工件7倒置固定在工件固定台6上，永磁体座12固定在导轨11上，所述永磁体3固定在永磁体座12上；载有磁流变液1的磁流变液槽2置于工作台8上方。抛光时，将工件7浸入磁流变液1内；工作台8内有环状排列的若干区域磁场调节装置9，区域磁场调节装置9通过螺栓连接固定在工作台8内，每个区域磁场调节装置由支座13、隔磁套14、磁芯对15、线圈16、丝杆组17和微型电机18构成，支座13设在隔磁套14内底部，磁芯对15、线圈16、丝杆组17和微型电机18设在支座13上，线圈16设在磁芯对15内，磁芯对15设在丝杆组17上。调节区域磁场调节装置内的线圈16电流通断、线圈16电流大小以及磁芯对15间距离都可以改变相应区域内磁场的强度，区域磁场调节装置9布满工作台8内部以保证工作台8上方的磁流变液槽2内任何区域竖直方向的磁场都能控制，工作台8底面中心开有一个导线通孔，连接线圈16的导线穿过导线通孔与嵌入式控制装置10连接。将工件7固定在工件固定台6上，根据加工需要将若干对数的永磁体3安装在永磁体座12上，永磁体座12通过螺纹固定在导轨11上，永磁体3之间的距离可以调节，改变永磁体3之间的距离可以改变旋转永磁体3间旋转磁场的强度。

安装完毕后，采取两步抛光的策略：第一步，通过连接轴5将装置的上部分连接到机床抛光旋转轴上，调节机床抛光旋转轴让工件7浸入放置好在工作台8上的磁流变液1里，利用嵌入式控制装置10控制工作台8内部各个区域的区域磁场调节装置9中线圈16电流通断、电流大小调节以及磁芯对15间距离，改变工作台8上方竖直方向各个区域的磁场，使得磁流变液1在磁场作用下形成与工件7面形相适应的磁流变抛光模，然后让机床抛光旋转轴带动底盘4旋转，工件7、永磁体3及底盘4旋转方向相同，而永磁体3中间区域产生了与其旋转方向相反的旋转磁场，永磁体3旋转时产生旋转磁场的分布图如附图5所示，此时，上述由工作台8内的区域磁场调节装置9控制形成的与工件7面形相适应的磁流变抛光模在旋转磁场的作用下绕与工件7旋转的相反方向旋转，利用两者之间的相对运动对工件7进行整面抛光，加工效率高。至此，第一步抛光完成，由附图5可以看出，由于旋转永磁体3产生的旋转磁场有中间区域强度大外围区域强度小的特点，经过第一步抛光后，由于工件7边缘分布的旋转磁场强度小，去除量也相对较少，工件7会存在边缘效应，因此引入第二步抛光。

第二步：给永磁体3套上隔磁套16，旋转磁场消失，此时，再调节工作台8内部各个区域的区域磁场调节装置9参数生成与此时工件7面形相适应的磁流变抛光模，对工件7边缘进行精修，此步骤中磁流变抛光模不动只有工件7旋转，工件7每旋转一周的去除量较小，抛光精度高。

Claims

1.面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于设有连接轴、底盘、永磁体、磁流变液槽、工作台、区域磁场调节装置以及嵌入式控制装置；

2.如权利要求1所述的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于所述永磁体座设至少2个，所有永磁体座对称分布。

3.如权利要求1所述的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于所述永磁体座通过螺纹固定在导轨上。

4.如权利要求1所述的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于所述区域磁场调节装置在工作台内环状排列。

5.如权利要求1或4所述的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于所述区域磁场调节装置通过螺栓连接固定在工作台内。

6.如权利要求1或4所述的面形自适应回转轴对称光学元件抛光装置，其特征在于所述区域磁场调节装置设有支座、隔磁套、磁芯对、线圈、丝杆组和微型电机，支座设在隔磁套内底部，磁芯对、线圈、丝杆组和微型电机设在支座上，线圈设在磁芯对内，磁芯对设在丝杆组上。