CN102756316B - 大口径光学镜面超精密加工集成平台 - Google Patents

Abstract

一种大口径光学镜面超精密加工集成平台，解决了现有光学加工技术领域在大口径光学镜面的加工中没有考虑加工与检测集成的问题。本发明集大口径光学镜面的磨削、检测及研磨为一体，包括：底座，水平移动装置、旋转装置、超精密磨削装置、镜面检测装置以及研磨装置。水平移动装置驱动所述旋转装置可沿水平方向移动至工件安装位置、磨削位置、面形检测位置及研磨位置；竖直移动装置驱动主轴系统及金刚石砂轮沿竖直方向上下移动；主轴系统可以调节金刚石砂轮的倾斜角度；金刚石砂轮具有弧面；旋转装置位于工件安装位置时可对工件进行弧面磨削；当旋转装置位于所述面形检测位置时可对工件进行面形检测；当旋转装置位于研磨位置时可对工件进行研磨。

Description

大口径光学镜面超精密加工集成平台

技术领域

本发明涉及一种光学加工技术领域的装置，尤其涉及一种大口径光学镜面超精密加工集成平台。

背景技术

天文学仪器、卫星、天基监视器等空间技术的发展，对空间光学系统提出了越来越高的要求。为增加分辨率，光学系统需要使用大口径反射镜，在天文光学冷加工中，习惯把φ300mm以上的镜面称为大口径镜面，反射镜的表面及亚表面的质量对光学系统的观测效果具有决定性影响。光学镜面加工一般分为磨削、研磨和抛光等阶段，其中磨削和研磨属于成形加工，对光学镜面的表面及亚表面质量影响很大，其效果直接影响到后续处理的可行性及加工效率。超精密加工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级，对工件材质、加工设备、工具、测量和环境等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术。所以研制大口径光学镜面超精密磨削及研磨设备就成为提高大口径反射镜制造能力的关键因素之一。

目前国内外有多家高校、科研机构都在该领域进行研究。其中英国的Cranfield精密工程研究所(CUPE)研制了0AGM 2500大型非球面光学零件超精密磨床，最大加工尺寸为2.5m×2.5m×0.6m。2006年CUPE又设计研制了Big OptiX大型超精密磨床，可加工最大直径2米的自由曲面光学镜面。国内哈尔滨工业大学、西安交通大学等高校和研究所也在进行相关方面的研究，其中，哈尔滨工业大学研制的磨削系统可加工小口径超精密光学非球面，参考文献为：陈明君《中国机械工程》2000年第8期《超精密光学非球曲面磨削系统的研制》；国防科技大学研制的AOCMT六轴大型非球面光学加工机床，参考文献为：国防科技大学康念辉2004年硕士论文《大中型非球面磨削成形的理论与实验研究》。

然而，这些研究都是在现有设备基础上进行的设计，系统刚性较差且没有考虑加工与检测的集成问题，从而限制和降低了大口径光学镜面的制造精度和效率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种将大口径光学镜面的磨削、研磨及检测集成于一体的加工集成平台。

发明内容

有鉴于现有技术的上述不足，本发明提供了一种大口径光学镜面超精密加工集成平台，将大口径光学镜面的磨削、研磨及检测集成于一体，提高了加工的精度和效率，实现了最大直径2米的大口径光学镜面的高效超精密微磨加工。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种大口径光学镜面超精密加工集成平台，包括：底座、设置在所述底座上的水平移动装置、设置在水平移动装置上的旋转装置、超精密磨削装置、镜面检测装置以及研磨装置，水平移动装置驱动所述旋转装置可沿水平方向移动至工件安装位置、磨削位置、面形检测位置及研磨位置，超精密磨削装置具有立柱、竖直移动装置、主轴系统及金刚石砂轮，金刚石砂轮连接到所述主轴系统，主轴系统设置在竖直移动装置上，竖直移动装置设置在立柱上，立柱固定连接在底座前端并驱动主轴系统及金刚石砂轮沿竖直方向上下移动，主轴系统可以调节金刚石砂轮的倾斜角度，金刚石砂轮具有弧面，当旋转装置位于所述工件安装位置时可对工件进行弧面磨削；镜面检测装置设置在超精密磨削装置和研磨装置之间的位置，即面形检测位置，当旋转装置位于面形检测位置时可对工件进行面形检测；研磨装置设置在底座尾端，当旋转装置位于研磨位置时对工件进行研磨。

进一步地，水平移动装置包括：水平直线导轨、水平直线电机、水平光栅尺、水平移动工作台。水平直线电机固定设置于底座上，水平直线导轨固定设置于底座上，水平移动工作台底部分别与水平直线电机滑块、水平直线导轨滑块连接，可沿水平直线导轨在水平方向上移动，水平光栅尺光栅读数头设置在底座上，标尺光栅设置在水平移动工作台上，检测和反馈水平位移数据。

进一步地，旋转装置包括：旋转平台、转台力矩电机、旋转编码器、转台液体静压轴承、夹紧装置。转台力矩电机定子固定设置于水平移动工作台上，转子与旋转平台固定连接，转台液体静压轴承分别于水平移动工作台及旋转平台连接，旋转编码器设置在转台力矩电机转子上，检测和反馈旋转平台角度数据，夹紧装置设置在旋转平台上，用于固定工件。

进一步地，竖直移动装置包括：竖直直线导轨、竖直直线电机、竖直光栅尺、竖直移动工作台、连接装置。竖直直线电机固定设置于立柱上，竖直直线导轨固定设置于立柱上，连接装置固定在竖直移动工作台上，竖直移动工作台底部分别与竖直直线电机滑块、竖直直线导轨滑块连接，可沿竖直直线导轨在竖直方向上移动，竖直光栅尺光栅读数头设置在立柱上，标尺光栅设置在竖直移动工作台上，检测和反馈竖直位移数据。

进一步地，主轴系统包括：静压主轴、主轴箱、主轴倾斜角度调整装置。静压主轴由主轴力矩电机直接驱动，采用液体静压轴承支承，固定设置在主轴箱中，主轴箱设置在主轴倾斜角度调整装置上，可以根据不同镜面的面形状况调整主轴倾斜角度。主轴倾斜角度调整装置上端固定设置于连接装置底部。

进一步地，镜面检测装置包括：三坐标测量仪、测量仪支承座、测量仪横梁、测量仪光栅尺。测量仪支承座底部设置于底座上，位于超精密磨削装置和研磨装置之间，测量仪横梁设置于测量仪支承座顶部，三坐标测量仪设置在横梁上，测量仪光栅尺光栅读数头设置在横梁上，标尺光栅设置在三坐标测量仪上，检测三坐标测量仪的位移数据。

进一步地，研磨装置包括：气体恒压研磨装置、研磨盘、研磨机器人、研磨基座。研磨基座设置在底座尾端，研磨机器人连接于研磨基座上，研磨盘连接在气体恒压研磨装置上，并通过其设置于研磨机器人执行端。

本发明具有以下所述的诸多特点和有益效果：本发明可以通过水平移动装置将旋转平台方便地移动至工件安装位置，将工件放置于旋转平台上，并用夹紧装置固定；主轴倾斜角度调整装置可适当调整磨削装置的砂轮的倾斜角度，以便可以适应不同工件的不同面形状况；在磨削加工过程中，水平移动装置通过旋转平台将工件移动至磨削位置，竖直直线电机通过竖直移动工作台驱动主轴箱竖直移动，水平直线电机通过水平移动工作台驱动旋转装置水平移动，转台力矩电机直接驱动旋转平台转动，通过相应的编码器或光栅尺，检测、反馈及控制相应方向的运动，通过与系统配套的数控系统可实现多轴超精密磨削；在面形检测过程中，水平移动装置通过旋转平台将工件移动至面形检测位置，三坐标测量仪沿测量仪横梁在水平方向上移动，转台力矩电机驱动旋转平台转到不同的角度，完成工件表面形貌检测；在研磨过程中，水平移动装置通过旋转平台将工件移动至研磨位置，转台力矩电机驱动旋转平台使工件转动，研磨机器人控制气体恒压研磨装置按照设定的研磨路径进行恒压研磨。

此外，本发明集大口径光学镜面的磨削、检测及研磨为一体，如此可避免工件反复安装与卸载，消除中间过程带来的误差和影响，有利于提高制造精度和效率，解决了现有光学加工技术领域在大口径光学镜面的加工中没有考虑加工与检测集成的问题；磨削平台通过磨削过程中砂轮13接触点131的变化(即弧面磨削，如图3所示)，实现五轴磨削功能，有效增强了系统的结构刚性，弧面磨削有效避免了定点磨削方式砂轮局部位置的快速磨损，同时提供了磨削路径规划的新方法的基础；本发明针对光学镜面的几何特征，合理采用旋转平台，减小移动运动距离，有利于提高系统结构紧凑性和刚性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为高刚性磨削平台示意图

图3为弧面磨削原理图

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的大口径光学镜面超精密加工集成平台包括：底座1、水平移动装置、旋转装置、超精密磨削装置、镜面检测装置以及研磨装置。其中，水平移动装置设置在底座1上，旋转装置设置在水平移动装置上。

水平移动装置包括：水平直线导轨24、水平直线电机22、水平光栅尺23、水平移动工作台27。水平直线电机22固定设置于底座1上，水平直线导轨24固定设置于底座1上，水平移动工作台27底部分别与水平直线电机滑块26、水平直线导轨滑块25连接，可沿水平直线导轨24在水平方向上移动，水平光栅尺23光栅读数头设置在底座1上，标尺光栅设置在水平移动工作台27上，检测和反馈水平位移数据。

旋转装置包括：旋转平台31、转台力矩电机29、旋转编码器30、转台液体静压轴承28、夹紧装置32，转台力矩电机29定子固定设置于水平移动工作台27上，转子与旋转平台31固定连接，转台液体静压轴承28分别于水平移动工作台27及旋转平台31连接，旋转编码器30设置在转台力矩电机29转子上，检测和反馈旋转平台角度数据，夹紧装置32设置在旋转平台31上，用于固定工件。

超精密磨削装置包括：立柱2、竖直移动装置、主轴系统、金刚石砂轮13，立柱2与底座1前端固定连接，竖直移动装置设置在立柱2上，金刚石砂轮13连接到主轴系统，并设置在竖直移动装置上。

竖直移动装置包括：竖直直线导轨8、竖直直线电机3、竖直光栅尺5、竖直移动工作台7、连接装置9。竖直直线电机3固定设置于立柱2上，竖直直线导轨8固定设置于立柱2上，连接装置9固定在竖直移动工作台7上，竖直移动工作台底部分别与竖直直线电机滑块4、竖直直线导轨滑块6连接，可沿竖直直线导轨在竖直方向上移动，竖直光栅尺5光栅读数头设置在立柱2上，标尺光栅设置在竖直移动工作台7上，检测和反馈竖直位移数据。

主轴系统包括：静压主轴12、主轴箱11、主轴倾斜角度调整装置10，静压主轴12由主轴力矩电机直接驱动，采用液体静压轴承支承，固定设置在主轴箱11中，主轴箱11设置在主轴倾斜角度调整装置10上，可以根据不同镜面的面形状况调整主轴倾斜角度。主轴倾斜角度调整装置10上端固定设置于连接装置9底部。

镜面检测装置包括：三坐标测量仪17、测量仪支承座14、测量仪横梁15、测量仪光栅尺16，测量仪支承座14底部设置于底座1上，位于超精密磨削装置和研磨装置之间，测量仪横梁15设置于测量仪支承座14顶部，三坐标测量仪17设置在横梁15上，测量仪光栅尺16光栅读数头设置在横梁15上，标尺光栅设置在三坐标测量仪17上，检测三坐标测量仪的位移数据。

研磨装置包括：气体恒压研磨装置18、研磨盘19、研磨机器人20、研磨基座21，研磨基座21设置在底座1的尾端，研磨机器人20连接于研磨基座21上，研磨盘19连接在气体恒压研磨装置18上，并通过其设置于研磨机器人20执行端。

水平直线电机22驱动旋转平台31沿水平直线导轨24朝安装位置方向水平移动，将旋转平台31移动到工件安装位置。将工件放置于旋转平台31上，并用夹紧装置32固定。水平直线电机22驱动旋转平台沿水平直线导轨24朝磨削位置方向水平移动，将旋转平台31移动到磨削位置。根据不同工件的面形状况，通过主轴倾斜角度调整装置10将砂轮调整到适当角度。转台力矩电机29驱动旋转平台31转动，水平直线电机22驱动旋转平台31沿水平直线导轨24向前或向后水平移动，此两个方向运动保证镜面上每个位置都能被加工到；竖直直线电机3通过竖直移动平台7驱动主轴箱11沿竖直直线导轨8上下竖直移动，调节砂轮的磨削深度。通过与本发明的大口径光学镜面超精密加工集成平台相配套的控制系统在线或离线规划磨削路径，并将实时检测的磨削力和位移值等信息反馈到控制系统中，调整和修正磨削路径，完成对大口径光学镜面的超精密磨削加工。

面形检测过程中，水平直线电机22驱动旋转平台31将工件移动至检测位置，三坐标测量仪17沿测量仪横梁水平移动，转台力矩电机29驱动旋转平台转到不同的角度，完成工件表面形貌检测。

研磨过程中，水平直线电机22驱动旋转平台31将工件移动至研磨位置，转台力矩电机驱动旋转平台使工件转动，面形检测数据输入研磨控制系统中以生成规划研磨路径，研磨机器人20控制气体恒压研磨装置18带动研磨盘按照研磨路径进行恒压研磨。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大口径光学镜面超精密加工集成平台，包括： 

底座； 

设置在所述底座上的水平移动装置； 

设置在所述水平移动装置上的旋转装置； 

超精密磨削装置，所述超精密磨削装置具有立柱、竖直移动装置、主轴系统及金刚石砂轮，所述金刚石砂轮连接到所述主轴系统，所述主轴系统设置在所述竖直移动装置上； 

镜面检测装置；及 

研磨装置； 

其特征在于，所述水平移动装置可驱动所述旋转装置沿水平方向移动至工件安装位置、磨削位置、面形检测位置及研磨位置，所述超精密磨削装置的所述竖直移动装置通过所述立柱固定在所述底座前端并驱动所述主轴系统及所述金刚石砂轮沿竖直方向上下移动，所述主轴系统包括：静压主轴、主轴箱、主轴倾斜角度调整装置，其中，所述静压主轴由主轴力矩电机直接驱动，采用液体静压轴承支承，固定设置在所述主轴箱中，所述主轴箱设置在所述主轴倾斜角度调整装置上，用于根据不同镜面的面形状况调整主轴倾斜角度，所述主轴系统可以调节金刚石砂轮的倾斜角度，所述金刚石砂轮具有弧面，当所述旋转装置位于所述磨削位置时可对工件进行弧面磨削；所述镜面检测装置设置在所述超精密磨削装置和所述研磨装置之间的位置，即所述面形检测位置，当所述旋转装置位于所述面形检测位置时，所述镜面检测装置可对工件进行面形检测；所述研磨装置设置在所述底座尾端，即所述研磨位置，当所述旋转装置位于所述研磨位置时，所述研磨装置可对工件进行研磨。 

2.根据权利要求1所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述水平移动装置包括：水平直线导轨、水平直线电机、水平光栅尺及水平移动工作台，所述水平直线电机和所述水平直线导轨固定设置于所述底座上，所述水平移动工作台底部分别与所述水平直线电机的滑块、所述水平直线导轨的滑块连接，可沿所述水平直线导轨在水平方向上移动，所述水平光栅尺的光栅读数头设置在所述底座上，标尺光栅设置在所述水平移动工作台上。 

3.根据权利要求1所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述旋转装置包括：旋转平台、转台力矩电机、旋转编码器、转台液体静压轴承及夹紧装置，所述转台力矩电机的定子设置于水平移动工作台上，转子 与所述旋转平台固定连接，所述转台液体静压轴承分别与所述水平移动工作台及所述旋转平台连接，所述旋转编码器设置在所述转台力矩电机转子上，检测和反馈旋转平台角度数据，所述夹紧装置设置在所述旋转平台上。 

4.根据权利要求1所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述竖直移动装置包括：竖直直线导轨、竖直直线电机、竖直光栅尺、竖直移动工作台、连接装置，所述竖直直线电机固定设置于所述立柱上，所述竖直直线导轨固定设置于所述立柱上，所述连接装置固定在所述竖直移动工作台上，所述竖直移动工作台底部分别与所述竖直直线电机的滑块、所述竖直直线导轨的滑块连接，可沿所述竖直直线导轨在竖直方向上移动，所述竖直光栅尺的光栅读数头设置在所述立柱上，标尺光栅设置在竖直移动工作台上。 

5.根据权利要求4所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述主轴倾斜角度调整装置的上端固定设置于所述连接装置的底部。 

6.根据权利要求1所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述镜面检测装置包括：三坐标测量仪、测量仪支承座、测量仪横梁、测量仪光栅尺，所述测量仪支承座底部设置于所述底座上，所述测量仪横梁设置于所述测量仪支承座顶部，所述三坐标测量仪设置在所述测量仪横梁上，所述测量仪光栅尺的光栅读数头设置在所述测量仪横梁上，标尺光栅设置在所述三坐标测量仪上。 

7.根据权利要求1所述的大口径光学镜面超精密加工集成平台，其特征在于，所述研磨装置包括：气体恒压研磨装置、研磨盘、研磨机器人及研磨基座，所述研磨机器人连接于所述研磨基座上，所述研磨盘连接在所述气体恒压研磨装置上，并通过所述气体恒压研磨装置设置于所述研磨机器人的执行端。