CN103212774B - 自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置 - Google Patents
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Abstract
自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，它属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。它是为了解决高精度大口径非球面光学零件的加工效率和表面质量问题。它的五轴联动数控机床的绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬；将待加工光学零件装卡在地电极上；大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬分别对待加工光学零件待加工表面进行大气等离子体数控加工。本发明能采用不同类型的等离子体炬进行大气等离子体加工。
Description
技术领域
本发明属于等离子体加工大口径非球面光学零件的技术领域。
背景技术
随着现代光学技术的发展，不仅对光学表面提出了超低表面粗糙度、超高面型精度以及尽量减轻表层损伤等要求，而且光学零件表面几何形状也越来越复杂。传统的接触式加工方法会在光学零件表面产生残余应力，从而造成亚表层损伤。而大气等离子体加工是基于粒子之间的化学反应，这种非接触的加工方式可以避免亚表层损伤的产生，有利于提高零件的表面质量。但是目前的大气等离子体抛光装置采用的是三轴联动控制系统，只具有水平的X向、竖直的Y向以及绕Y旋转的B向三个自由度，而且加工范围小，这使得大口径自由曲面光学零件的超精密加工受到一定的限制，因此需要一种运动更加灵活、控制更加精确、加工范围更大的加工装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，为了解决高精度大口径非球面光学零件的加工效率和表面质量问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，它由大口径的等离子体炬、中口径的等离子体炬、小口径的等离子体炬、五轴联动数控机床、射频电源、混合等离子体气源组成；
五轴联动数控机床的绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬，大口径的等离子体炬或中口径的等离子体炬或小口径的等离子体炬可与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；将待加工光学零件装卡在地电极上，地电极固定在五轴联动数控机床的水平运动工作台上；将地电极接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架上安装有大口径的等离子体炬时，大口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；当绝缘工作架上安装有中口径的等离子体炬时，中口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；当绝缘工作架上安装有小口径的等离子体炬时，小口径的等离子体炬的进气端口可通过绝缘工作架上的导气孔、气管与混合等离子体气源导气连通；大口径的等离子体炬的放电工作面或中口径的等离子体炬的放电工作面或小口径的等离子体炬的放电工作面靠近待加工光学零件的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；当中口径的等离子体炬进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-80ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-360W；所述中口径的等离子体炬由内电极、圆环形聚四氟乙烯连接块、圆环形绝缘固定套、中空圆环形外电极、圆管形陶瓷喷嘴组成；
圆环形聚四氟乙烯连接块的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块内孔连通的进气孔，圆环形绝缘固定套上设置有多个通气孔，中空圆环形外电极内部设置有冷却空腔；内电极的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块的内孔的上端中，圆环形绝缘固定套套接在内电极的中部，圆环形绝缘固定套外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块的内孔的下端处，圆管形陶瓷喷嘴的上端套接在圆环形绝缘固定套外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴的内圆面与内电极的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙，使进气孔通过内孔、通气孔与间隙导气连通，中空圆环形外电极的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块的下端连接，中空圆环形外电极的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴的外圆面上，中空圆环形外电极的下端面与圆管形陶瓷喷嘴的下端面、内电极的下端面平齐；所述内电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔与绝缘工作架上的导气孔的出气口导气连接。
本发明采用五轴联动的运动控制系统，具有X向、Y向、Z向、绕X旋转的A向以及绕Z旋转的C向五个自由度，一般情况下，等离子体炬安装在Z轴上，可以实现Z向的直线运动、A向的摆动和C向的转动；光学零件放置在水平工作台上，可以实现X向和Y向两个方向的直线运动。由此，保证等离子体炬的轴线方向与光学零件被加工表面的法线方向重合，从而实现对复杂自由曲面的大气等离子体加工。其中，X轴和Y轴的行程均为500mm，Z轴行程为300mm，可以加工口径≤450mm、厚度≤250mm的自由曲面光学零件；而由于在大气等离子体加工过程中，需要在等离子体炬上施加射频电源，为了防止射频线的缠绕和过度扭曲，并且兼顾等离子体炬的运动灵活性，A轴的摆动范围设定为±45°，C轴的转动范围设定为±90°。另外，装夹等离子体炬的夹具与A/C轴的接口设计成模块化的可拆卸式结构，可以根据不同等离子体炬的尺寸更换不同的夹具。这样，可以根据不同的加工目标，采用不同类型的等离子体炬进行大气等离子体加工。加工过程由计算机通过数控系统进行控制，并且该过程中的电流、电压以及其他与等离子体相关的各参数均由在线监测系统进行实时监测，从而保证加工的精确性、高效性和灵活性。
本发明还具有的优点为：
1.本发明采用五轴联动运动系统实现了等离子体炬与待加工光学零件表面之间灵活、精确的相对运动，实现了对复杂非回转对称自由曲面光学零件高效、高精度的大气等离子体加工，并且避免了传统接触式研抛方法造成的表面残余应力及亚表层损伤等问题；
2.通过对大气等离子体加工过程中各参数的在线监测，可以及时发现影响该加工过程的不利因素并加以调整，使得加工过程稳定可控；
3.实现了对复杂曲面光学零件大气等离子体加工过程的计算机数字控制；
4.装夹等离子体炬的夹具与A/C轴的接口设计成模块化的可拆卸式结构，可以根据不同等离子体炬的尺寸更换不同的夹具。这样，可以根据不同的加工目标，采用不同类型的等离子体炬进行大气等离子体加工；
5.该加工过程在大气条件下实现，避免了采用真空反应容器，大大降低了使用成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1时，大口径的等离子体炬1与待加工光学零件6之间的位置关系结构示意图；
图3是图1中绝缘工作架4-1上安装有中口径的等离子体炬2时，中口径的等离子体炬2与待加工光学零件6之间的位置关系结构示意图；
图4是图1中绝缘工作架4-1上安装有小口径的等离子体炬3时，小口径的等离子体炬3与待加工光学零件6之间的位置关系结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1所示，它由大口径的等离子体炬1、中口径的等离子体炬2、小口径的等离子体炬3、五轴联动数控机床4、射频电源5、混合等离子体气源7组成；
五轴联动数控机床4的绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3，大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3可与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；将待加工光学零件6装卡在地电极4-2上，地电极4-2固定在五轴联动数控机床4的水平运动工作台4-3上；将地电极4-2接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架4-1上安装有大口径的等离子体炬1时，大口径的等离子体炬1的进气端口1-1可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；当绝缘工作架4-1上安装有中口径的等离子体炬2时，中口径的等离子体炬2的进气端口2-1可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；当绝缘工作架4-1上安装有小口径的等离子体炬3时，小口径的等离子体炬3的进气端口3-2可通过绝缘工作架4-1上的导气孔4-4、气管7-1与混合等离子体气源7导气连通；大口径的等离子体炬1的放电工作面或中口径的等离子体炬2的放电工作面或小口径的等离子体炬3的放电工作面靠近待加工光学零件6的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm。
所述五轴联动数控机床4采用三个直线轴加偏置式双摆头的结构，并且具有一个密闭的工作舱，可以使加工过程中生成的有毒气体不直接排放到空气中，从而保证加工人员的人身安全。
所述射频电源5的频率为13.56MHz，最大功率为2KW。
所述混合等离子体气源7为三路气体流量控制系统，可控气体流量范围为0-40L/min。
所述混合等离子体气源5中的大气等离子体激发气体可以为氦气、氩气等惰性气体；反应气体可以为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；辅助气体可以为氧气。
所述待加工光学零件6的材质为硅基光学材料，如熔融石英、碳化硅、超低膨胀玻璃等。
具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述大口径的等离子体炬1的放电工作面为方形平面或圆形平面，其材质为铝，并与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其边侧位置设置有进气口1-1，进气口1-1与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当大口径的等离子体炬1进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-5L/min，反应气体的气体流量为20ml/min-90ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-400W。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述中口径的等离子体炬2由内电极A1、圆环形聚四氟乙烯连接块A2、圆环形绝缘固定套A3、中空圆环形外电极A4、圆管形陶瓷喷嘴A5组成；
圆环形聚四氟乙烯连接块A2的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块A2内孔A2-1连通的进气孔A2-2，圆环形绝缘固定套A3上设置有多个通气孔A3-1，中空圆环形外电极A4内部设置有冷却空腔A4-1；内电极A1的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块A2的内孔A2-1的上端中，圆环形绝缘固定套A3套接在内电极A1的中部，圆环形绝缘固定套A3外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块A2的内孔A2-1的下端处，圆管形陶瓷喷嘴A5的上端套接在圆环形绝缘固定套A3外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴A5的内圆面与内电极A1的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙A5-1，使进气孔A2-2通过内孔A2-1、通气孔A3-1与间隙A5-1导气连通，中空圆环形外电极A4的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块A2的下端连接，中空圆环形外电极A4的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴A5的外圆面上，中空圆环形外电极A4的下端面与圆管形陶瓷喷嘴A5的下端面、内电极A1的下端面平齐；所述内电极A1与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔A2-2与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当中口径的等离子体炬2进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-80ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率范围200W-360W。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
所述内电极A1的材质为铝，中空圆环形外电极A4的材质为铝，圆环形绝缘固定套A3的材质为聚四氟乙烯。
具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述小口径的等离子体炬3为细长圆柱体，其材质为铝，并与射频电源5的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其下端中心部开有通气孔3-2，通气孔3-2的进气口与绝缘工作架4-1上的导气孔4-4的出气口导气连接；当小口径的等离子体炬3进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为0.5L/min-3L/min，反应气体的气体流量为10ml/min-60ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0％-50％，所加射频功率为200W-360W。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理：由射频电源5输出端连接大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3作为大气等离子体放电的阳极，地电极4-2接地作为大气等离子体放电的阴极；由混合等离子体气源7提供激发产生等离子体的气体充满大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3和待加工光学零件6待加工表面之间的间隙，由射频电源5提供输出电能，在大口径的等离子体炬1或中口径的等离子体炬2或小口径的等离子体炬3和待加工光学零件6的放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工光学零件6的表面发生化学反应，并生成挥发性的反应产物离开零件表面，由此实现对待加工光学零件6的无损伤快速加工。综合考虑加工效率和加工精度两个方面的因素，加工时先采用大口径的大面积等离子体炬1进行大去除量的修形，然后采用中口径的同轴等离子体炬2(单位去除函数是半高宽为6mm的高斯型)进行较大空间周期面形的修形，最后再采用小口径的微孔电极炬3(单位去除函数是半高宽为0.5mm的高斯型)进行较小空间周期面形的修形，从而达到对大口径复杂曲面光学零件6进行高效精确修形的目的。
Claims (4)
1.自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，它由大口径的等离子体炬（1）、中口径的等离子体炬（2）、小口径的等离子体炬（3）、五轴联动数控机床（4）、射频电源（5）、混合等离子体气源（7）组成；
五轴联动数控机床（4）的绝缘工作架（4-1）上安装有大口径的等离子体炬（1）或中口径的等离子体炬（2）或小口径的等离子体炬（3），大口径的等离子体炬（1）或中口径的等离子体炬（2）或小口径的等离子体炬（3）可与射频电源（5）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；将待加工光学零件（6）装卡在地电极（4-2）上，地电极（4-2）固定在五轴联动数控机床（4）的水平运动工作台（4-3）上；将地电极（4-2）接地作为大气等离子体放电的阴极；当绝缘工作架（4-1）上安装有大口径的等离子体炬（1）时，大口径的等离子体炬（1）的进气端口（1-1）可通过绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）、气管（7-1）与混合等离子体气源（7）导气连通；当绝缘工作架（4-1）上安装有中口径的等离子体炬（2）时，中口径的等离子体炬（2）的进气端口（2-1）可通过绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）、气管（7-1）与混合等离子体气源（7）导气连通；当绝缘工作架（4-1）上安装有小口径的等离子体炬（3）时，小口径的等离子体炬（3）的进气端口（3-2）可通过绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）、气管（7-1）与混合等离子体气源（7）导气连通；大口径的等离子体炬（1）的放电工作面或中口径的等离子体炬（2）的放电工作面或小口径的等离子体炬（3）的放电工作面靠近待加工光学零件（6）的待加工表面，并使它们之间保持一定的放电间隙，放电距离范围为2mm-5mm；当中口径的等离子体炬（2）进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2 L/min-3 L/min，反应气体的气体流量为10 ml/min-80 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%，所加射频功率范围200W-360W；其特征在于所述中口径的等离子体炬（2）由内电极（A1）、圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）、圆环形绝缘固定套（A3）、中空圆环形外电极（A4）、圆管形陶瓷喷嘴（A5）组成；
圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）的上端面上开有与圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）内孔（A2-1）连通的进气孔（A2-2），圆环形绝缘固定套（A3）上设置有多个通气孔（A3-1），中空圆环形外电极（A4）内部设置有冷却空腔（A4-1）；内电极（A1）的上端镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）的内孔（A2-1）的上端中，圆环形绝缘固定套（A3）套接在内电极（A1）的中部，圆环形绝缘固定套（A3）外圆面的上部镶嵌在圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）的内孔（A2-1）的下端处，圆管形陶瓷喷嘴（A5）的上端套接在圆环形绝缘固定套（A3）外圆面的下部上，使圆管形陶瓷喷嘴（A5）的内圆面与内电极（A1）的外圆面下部之间有一圈均匀的间隙（A5-1），使进气孔（A2-2）通过内孔（A2-1）、通气孔（A3-1）与间隙（A5-1）导气连通，中空圆环形外电极（A4）的上端与圆环形聚四氟乙烯连接块（A2）的下端连接，中空圆环形外电极（A4）的内孔套接在圆管形陶瓷喷嘴（A5）的外圆面上，中空圆环形外电极（A4）的下端面与圆管形陶瓷喷嘴（A5）的下端面、内电极（A1）的下端面平齐；所述内电极（A1）与射频电源（5）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，进气孔（A2-2）与绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）的出气口导气连接。
2.根据权利要求1所述的自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，其特征在于所述大口径的等离子体炬（1）的放电工作面为方形平面或圆形平面，其材质为铝，并与射频电源（5）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其边侧位置设置有进气口（1-1），进气口（1-1）与绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）的出气口导气连接；当大口径的等离子体炬（1）进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为2 L/min-5 L/min，反应气体的气体流量为20 ml/min-90 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%，所加射频功率范围200W-400W。
3.根据权利要求1所述的自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，其特征在于所述小口径的等离子体炬（3）为细长圆柱体，其材质为铝，并与射频电源（5）的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极，其下端中心部开有通气孔（3-2），通气孔（3-2）的进气口与绝缘工作架（4-1）上的导气孔（4-4）的出气口导气连接；当小口径的等离子体炬（3）进行大气等离子体加工时，离子体气体的流量为0.5 L/min -3 L/min，反应气体的气体流量为10 ml/min- 60 ml/min，辅助气体与反应气体流量的比例为0%-50%，所加射频功率为200W-360W。
4.根据权利要求1所述的自由曲面光学零件的大气等离子体数控加工的装置，其特征在于所述混合等离子体气源（7）中的大气等离子体激发气体可以为氦气、氩气等惰性气体；反应气体可以为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮；辅助气体可以为氧气。
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