CN103056744B - 用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，包括双摆轴机构和双转子抛光机构，所述双摆轴机构包括偏摆组件和俯仰组件，所述俯仰组件装设于所述偏摆组件的偏摆运动输出端，所述双转子抛光机构装设于所述俯仰组件的俯仰运动输出端。该用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置能够在任何时段提供压力更恒定、去除性能更稳定的高斯去除函数，对于加工高陡度的非球面光学零件效率更高、精度更易实现。

Description

用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置

技术领域

本发明涉及光学零件加工技术领域，尤其涉及用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置。

背景技术

光学系统中，球面光学零件是不能理想聚焦成像的。传统球面光学零件具有曲率半径确定，弧度统一，价格便宜以及制造简单等特点，但是光路构造中存在原理性像差，容易造成成像变形、模糊以及视场狭小等不良现象。较之球面和平面光学零件而言，非球面光学零件在光学系统中引入了更多的设计参数，因此使得光学系统的设计具有更大的灵活性，能够校正像差、改善像质、扩大视场，并使光学系统结构简化、重量减轻。非球面光学零件的优点使得其在空间望远镜、地基望远镜、空间高分辨率光电侦察相机等众多领域中得到了越来越广泛的应用，已经发展成为现代光学系统中不可或缺的关键部件。

现代光学系统的发展对于非球面光学零件的加工精度、加工效率等均提出了越来越严格的要求，传统光学加工手段已经无法满足非球面光学零件的加工需求。随着计算机技术的高速发展，20世纪70年代初期美国Itek公司的W.J.Rupp提出将计算机技术引入光学制造领域以提高加工精度和加工效率，从而建立了计算机控制光学表面成形的概念。随后世界各国相继对该技术进行了深入研究，其中具有代表性的包括美国Perkin-Elmer公司、Arizona大学光学科学中心、Rochester大学光学制造中心、Tinsley公司、柯达公司、美国LLNL实验室、法国REOSC公司、俄罗斯Vavilov国家光学研究所及中国科学院长春光机所等。计算机控制光学表面成形技术（Computer-ControlledOpticalSurfacing,简称CCOS）的基本思想，是采用一个尺寸远小于被加工工件的抛光工具（该抛光工具的运动能够产生类似高斯形状的去除函数模型），在计算机的控制下沿特定的加工路径在光学零件表面运动，同时根据测量得到的面形误差分布控制不同位置时的运动速度、加工压力等参数，精确实现光学零件表面的材料量去除，从而得到满足使用要求的光学零件。

利用CCOS技术实现高精度加工，在满足测量精度和工艺参数稳定性要求的条件下，去除函数的稳定性起着至关重要的作用。CCOS中去除函数的稳定性由加工压力的稳定性、相对运动速度的稳定性以及抛光工具同工件之间的适应性共同决定的。由于加工压力和相对运动速度的控制一般都能满足使用要求，因此最终决定去除函数是否稳定不变的因素在于抛光工具同工件之间的适应特性。通常情况下，抛光工具同机床磨头轴之间是“柔性”连接的，从而使得其能够吸收抛光工具表面同工件表面之间的间隙，同时还能有效适应光学零件表面一定量陡度的变化。CCOS产生类高斯去除函数模型的方式主要有两种：平转动方式和行星运动方式。虽然平转动方式和行星运动方式均具有多种机构组成形式，但是它们的磨头（即抛光工具）同自转轴的“柔性”连接主要有两种结构形式，即万向轴连接和球铰链加拨销。比如：中国科学院长春光学精密机械研究所的王权陡研究的行星运动磨头机构，中国科学院光电技术研究所研制的“XGJ1600”型抛光机上采用的抛光模结构，以及公开号为CN101088705的中国专利文献公开的平转动式研磨抛光机构均采用球铰链加拨销的结构来实现“柔性”连接；而公开号为CN1490125的中国专利文献公开的行星轮式双转子研抛机构的研抛盘同自转轴轴端则采用万向联轴节连接，达到适应非球面光学零件面形变化的目的。由于球铰的运动范围受拨销尺寸限制，因此球铰链加拨销的这种结构形式所能够“柔性”适应的非球面光学零件的陡度是有限的；而万向联轴节的适应陡度虽然不受限制，但是由于磨头工作过程中需要保持恒定的加工压力输出，在加工高陡度非球面光学零件时可能引起加压失稳或者受力不均匀等现象，不利于去除函数的稳定控制。

综上所述，现在典型的“柔性”连接形式虽然能够一定程度上满足低陡度非球面光学零件的应用需求，但是在加工高陡度非球面光学零件时表现出适应性不足、加工压力波动大、去除函数不稳定等缺点，难以满足高陡度非球面光学零件加工的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够在任何时段提供压力更恒定、去除性能更稳定的高斯去除函数，对于加工高陡度的非球面光学零件效率更高、精度更易实现的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，包括双摆轴机构和双转子抛光机构，所述双摆轴机构包括偏摆组件和俯仰组件，所述俯仰组件装设于所述偏摆组件的偏摆运动输出端，所述双转子抛光机构装设于所述俯仰组件的俯仰运动输出端。

所述偏摆组件包括偏摆电机、偏摆转台和偏摆输出法兰，所述偏摆电机和偏摆输出法兰均装设于偏摆转台上，所述偏摆电机驱动偏摆输出法兰作偏摆旋转运动，所述俯仰组件装设于偏摆输出法兰上。

所述俯仰组件包括俯仰电机、俯仰基座、俯仰转轴和俯仰连接板，所述俯仰基座与所述偏摆输出法兰连接，所述俯仰电机和俯仰转轴均装设于俯仰基座上，所述俯仰连接板与俯仰转轴连接，所述俯仰电机驱动俯仰转轴带动俯仰连接板作俯仰旋转运动。

所述俯仰组件还包括俯仰减速器、俯仰联轴器和连接座，所述俯仰电机与俯仰减速器连接，所述俯仰减速器的输出端通过俯仰联轴器与俯仰转轴连接，所述连接座与俯仰基座固接，所述俯仰减速器、俯仰联轴器和俯仰电机通过连接座支撑。

所述俯仰基座上设有定心孔，所述偏摆输出法兰上设有定心轴，所述定心轴与所述定心孔插接配合。

所述偏摆组件的偏摆轴旋转线与所述俯仰组件的俯仰旋转轴线正交。

所述双转子抛光机构包括公转轴系、自转轴系、研抛盘、偏心调整机构、平动保持机构和基板，所述公转轴系装设于基板上，公转轴系的输出端连接于偏心调整机构上方，所述自转轴系装设于偏心调整机构下方，所述平动保持机构连接于自转轴系与基板之间，所述研抛盘装设于自转轴系下端。

所述公转轴系包括公转电机、公转传动机构、公转轴、公转轴基座和公转电机基座，所述公转电机通过公转电机基座装设于基板上，所述公转轴通过公转轴基座装设于基板上，所述公转电机输出端通过公转传动机构与公转轴连接。

所述偏心调整机构包括上滑座、下滑块和偏心调整栓，所述上滑座上部与公转轴连接，并于下部设有燕尾槽；所述下滑块下部与自转轴系连接，并于上部设有燕尾台，所述燕尾台滑设于所述燕尾槽中，所述偏心调整栓连接于上滑座和下滑块之间，并驱动下滑块相对于上滑座滑动。

所述自转轴系包括自转轴、自转电机、自转传动机构、自转轴基座和自转电机基座，所述自转轴基座内套设有一传动轴，所述传动轴上端连接于下滑块上，所述自转轴装设于自转轴基座内，所述自转电机固定于自转电机基座上，自转电机的输出端经自转传动机构与自转轴连接，所述自转轴与传动轴之间装设有可调节压力的气缸，所述研抛盘装设于自转轴下端；所述平动保持机构包括固定于基板上的横导轨、垂直于基板和横导轨的竖导轨、设于自转电机基座上的横滑块和设于自转轴基座上的竖滑块，所述横滑块滑设于横导轨上，所述竖滑块滑设于竖导轨上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，由偏摆组件和俯仰组件提供二维旋转功能，由双转子抛光机构产生高斯去除函数，通过偏摆组件和俯仰组件的二维旋转调整可以使双转子抛光机构的轴线始终与被加工表面的法线方向重合，双转子抛光机构能够在任何时段提供压力更恒定、去除性能更稳定的高斯去除函数，对于加工高陡度的非球面光学零件效率更高、精度更易实现。

附图说明

图1是本发明的双摆轴抛光装置加工方式示意图。

图2是本发明的双摆轴抛光装置的结构示意图。

图3是本发明中双摆轴机构的结构示意图。

图4是本发明中俯仰组件的结构示意图。

图5是本发明中双转子抛光机构的立体结构示意图。

图6是本发明中双转子抛光机构另一视角的立体结构示意图。

图7是本发明中自转轴系的剖视结构示意图。

图中各标号表示：

1、双摆轴机构；2、双转子抛光机构；11、偏摆组件；12、俯仰组件；21、公转轴系；22、自转轴系；23、研抛盘；24、偏心调整机构；25、平动保持机构；26、基板；111、偏摆电机；112、偏摆转台；113、偏摆输出法兰；121、俯仰电机；122、俯仰基座；123、俯仰转轴；124、俯仰连接板；125、俯仰减速器；126、俯仰联轴器；127、连接座；211、公转电机；212、公转传动机构；213、公转轴；214、公转轴基座；215、公转电机基座；221、自转轴；222、自转轴基座；223、自转电机；224、自转传动机构；225、气缸；226、自转电机基座；227、传动轴；241、上滑座；242、下滑块；243、偏心调整栓；244、燕尾槽；245、燕尾台；251、横导轨；252、竖导轨；253、横滑块；254、竖滑块；1221、定心孔；1222、定心轴。

具体实施方式

图1至图7示出了本发明的一种用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置实施例，包括双摆轴机构1和双转子抛光机构2，双摆轴机构1包括偏摆组件11和俯仰组件12，俯仰组件12装设于偏摆组件11的偏摆运动输出端，双转子抛光机构2装设于俯仰组件12的俯仰运动输出端，偏摆组件11的偏摆轴旋转线与俯仰组件12的俯仰旋转轴线正交。由偏摆组件11和俯仰组件12提供二维旋转功能，由双转子抛光机构2产生高斯去除函数，通过偏摆组件11和俯仰组件12的二维旋转调整可以使双转子抛光机构2的轴线始终与被加工表面的法线方向重合，双转子抛光机构2能够在任何时段提供压力更恒定、去除性能更稳定的高斯去除函数，对于加工高陡度的非球面光学零件效率更高、精度更易实现。

本实施例中，偏摆组件11包括偏摆电机111、偏摆转台112和偏摆输出法兰113，偏摆电机111和偏摆输出法兰113均装设于偏摆转台112上，偏摆电机111驱动偏摆输出法兰113作偏摆旋转运动，俯仰组件12装设于偏摆输出法兰113上，偏摆输出法兰113作偏摆旋转运动时，俯仰组件12以及其上的双转子抛光机构2随之作偏摆旋转运动。

本实施例中，俯仰组件12包括俯仰电机121、俯仰基座122、俯仰转轴123、俯仰连接板124、俯仰减速器125、俯仰联轴器126和连接座127，俯仰基座122与偏摆输出法兰113连接，俯仰连接板124与俯仰转轴123连接，俯仰电机121与俯仰减速器125连接，俯仰减速器125的输出端通过俯仰联轴器126与俯仰转轴123连接，连接座127与俯仰基座122固接，俯仰减速器125、俯仰联轴器126和俯仰电机121通过连接座127支撑于俯仰基座122上，俯仰电机121驱动俯仰转轴123带动俯仰连接板124作俯仰旋转运动；俯仰基座122上设有定心孔1221，偏摆输出法兰113上设有定心轴1222，定心轴1222与定心孔1221插接配合，以保证偏摆旋转运动的稳定性。

本实施例中，双转子抛光机构2包括公转轴系21、自转轴系22、研抛盘23、偏心调整机构24、平动保持机构25和基板26，公转轴系21装设于基板26上，公转轴系21的输出端连接于偏心调整机构24上方，自转轴系22装设于偏心调整机构24下方，平动保持机构25连接于自转轴系22与基板26之间，研抛盘23装设于自转轴系22下端，研抛盘23在自转轴系22的驱动下自转，在公转轴系21、偏心调整机构24和平动保持机构25的作用下以平动的形式公转。

本实施例中，公转轴系21包括公转电机211、公转传动机构212、公转轴213、公转轴基座214和公转电机基座215，公转电机211通过公转电机基座215装设于基板26上，公转轴213通过公转轴基座214装设于基板26上，公转电机211输出端通过公转传动机构212与公转轴213连接。偏心调整机构24包括上滑座241、下滑块242和偏心调整栓243，上滑座241上部与公转轴213连接，并于下部设有燕尾槽244；下滑块242下部与自转轴系22连接，并于上部设有燕尾台245，燕尾台245滑设于燕尾槽244中，偏心调整栓243连接于上滑座241和下滑块242之间，并驱动下滑块242相对于上滑座241滑动，用以调整公转半径。自转轴系22包括自转轴221、自转电机223、自转传动机构224、自转轴基座222和自转电机基座226，自转轴基座222内套设有一传动轴227，传动轴227上端连接于下滑块242上，自转轴221装设于自转轴基座222内，自转电机223固定于自转电机基座226上，自转电机223的输出端经自转传动机构224与自转轴221连接，自转轴221与传动轴227之间装设有可调节压力的气缸225，研抛盘23装设于自转轴221下端，气缸225用于调整加工压力；平动保持机构25包括固定于基板26上的横导轨251、垂直于基板26和横导轨251的竖导轨252、设于自转电机基座226上的横滑块253和设于自转轴基座222上的竖滑块254，横滑块253滑设于横导轨251上，竖滑块254滑设于竖导轨252上，在平动保持机构25的作用下，自转轴系22以平动的形式完成公转。本实施例中的公转传动机构212和自转传动机构224均为皮带转动机构。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，包括双摆轴机构（1）和双转子抛光机构（2），其特征在于：所述双摆轴机构（1）包括偏摆组件（11）和俯仰组件（12），所述俯仰组件（12）装设于所述偏摆组件（11）的偏摆运动输出端，所述双转子抛光机构（2）装设于所述俯仰组件（12）的俯仰运动输出端，所述偏摆组件（11）包括偏摆电机（111）、偏摆转台（112）和偏摆输出法兰（113），所述偏摆电机（111）和偏摆输出法兰（113）均装设于偏摆转台（112）上，所述偏摆电机（111）驱动偏摆输出法兰（113）作偏摆旋转运动，所述俯仰组件（12）装设于偏摆输出法兰（113）上。

2.根据权利要求1所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述俯仰组件（12）包括俯仰电机（121）、俯仰基座（122）、俯仰转轴（123）和俯仰连接板（124），所述俯仰基座（122）与所述偏摆输出法兰（113）连接，所述俯仰电机（121）和俯仰转轴（123）均装设于俯仰基座（122）上，所述俯仰连接板（124）与俯仰转轴（123）连接，所述俯仰电机（121）驱动俯仰转轴（123）带动俯仰连接板（124）作俯仰旋转运动。

3.根据权利要求2所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述俯仰组件（12）还包括俯仰减速器（125）、俯仰联轴器（126）和连接座（127），所述俯仰电机（121）与俯仰减速器（125）连接，所述俯仰减速器（125）的输出端通过俯仰联轴器（126）与俯仰转轴（123）连接，所述连接座（127）与俯仰基座（122）固接，所述俯仰减速器（125）、俯仰联轴器（126）和俯仰电机（121）通过连接座（127）支撑。

4.根据权利要求2所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述俯仰基座（122）上设有定心孔（1221），所述偏摆输出法兰（113）上设有定心轴（1222），所述定心轴（1222）与所述定心孔（1221）插接配合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述偏摆组件（11）的偏摆轴旋转线与所述俯仰组件（12）的俯仰旋转轴线正交。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述双转子抛光机构（2）包括公转轴系（21）、自转轴系（22）、研抛盘（23）、偏心调整机构（24）、平动保持机构（25）和基板（26），所述公转轴系（21）装设于基板（26）上，公转轴系（21）的输出端连接于偏心调整机构（24）上方，所述自转轴系（22）装设于偏心调整机构（24）下方，所述平动保持机构（25）连接于自转轴系（22）与基板（26）之间，所述研抛盘（23）装设于自转轴系（22）下端。

7.根据权利要求6所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述公转轴系（21）包括公转电机（211）、公转传动机构（212）、公转轴（213）、公转轴基座（214）和公转电机基座（215），所述公转电机（211）通过公转电机基座（215）装设于基板（26）上，所述公转轴（213）通过公转轴基座（214）装设于基板（26）上，所述公转电机（211）输出端通过公转传动机构（212）与公转轴（213）连接。

8.根据权利要求7所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述偏心调整机构（24）包括上滑座（241）、下滑块（242）和偏心调整栓（243），所述上滑座（241）上部与公转轴（213）连接，并于下部设有燕尾槽（244）；所述下滑块（242）下部与自转轴系（22）连接，并于上部设有燕尾台（245），所述燕尾台（245）滑设于所述燕尾槽（244）中，所述偏心调整栓（243）连接于上滑座（241）和下滑块（242）之间，并驱动下滑块（242）相对于上滑座（241）滑动。

9.根据权利要求8所述的用于高陡度非球面光学零件的双摆轴抛光装置，其特征在于：所述自转轴系（22）包括自转轴（221）、自转电机（223）、自转传动机构（224）、自转轴基座（222）和自转电机基座（226），所述自转轴基座（222）内套设有一传动轴（227），所述传动轴（227）上端连接于下滑块（242）上，所述自转轴（221）装设于自转轴基座（222）内，所述自转电机（223）固定于自转电机基座（226）上，自转电机（223）的输出端经自转传动机构（224）与自转轴（221）连接，所述自转轴（221）与传动轴（227）之间装设有可调节压力的气缸（225），所述研抛盘（23）装设于自转轴（221）下端；所述平动保持机构（25）包括固定于基板（26）上的横导轨（251）、垂直于基板（26）和横导轨（251）的竖导轨（252）、设于自转电机基座（226）上的横滑块（253）和设于自转轴基座（222）上的竖滑块（254），所述横滑块（253）滑设于横导轨（251）上，所述竖滑块（254）滑设于竖导轨（252）上。