CN103286659A

CN103286659A - 一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置

Info

Publication number: CN103286659A
Application number: CN2013101905393A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 董志超; 刘杨; 吴恒宇; 杨昊; 谭汉元
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: CN103286659B

Abstract

本发明公开了属于超精密光学表面加工领域的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置。包括电机、旋转接头、套筒、主轴、活塞、球头、抛光盘、卡圈、非牛顿流体、保形膜；抛光盘采用偏心自转式结构，能够产生具有中心峰值的类高斯去除函数；气体通过旋转接头、中空的主轴，进入主轴末端的气缸，推动活塞对抛光盘施加确定性的压力；非球面的加工过程中，在抛光盘下表面安装的非牛顿流体能够根据当前接触区域的面形实时的变形，保证聚氨酯与非球面表面紧密贴合，产生稳定的去除函数；本发明适用于大口径非球面光学元件的超精密表面加工。

Description

一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置

技术领域

本发明涉及一种非球面的抛光装置，尤其是涉及一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，属于超精密光学非球面表面加工领域。

技术背景

近年来，光学非球面在新一代的光学系统中得到了广泛的应用，比如航天相机、光刻机、激光点火等；非球面的应用为光学设计人员提供了更大的设计自由度，优化了系统结构，并且能够更好的矫正像差，提高成像质量；同时，有效的降低了光学系统的有效载荷，节约了成本，特别是在空基光学系统中具有重要的意义。然而，由于非球面的非一致曲率的特点，其超精密加工及检测技术一直制约非球面的进一步发展及应用，如何大幅度的提高光学非球面的面形误差收敛速度是一项亟待解决的关键问题。

目前，计算机控制光学表面成形技术被广泛应用在非球面加工领域，该技术是一种子孔径式的确定性的表面加工方法，利用检测过程得到的定量面形误差数据，结合预设的加工路径，按照一定的算法求得驻留时间，通过数控抛光装置将驻留时间“复制”到光学表面上，使得面形误差逐步的收敛，最终达到加工要求。

该技术根据加工工具的不同，分为很多种形式，主要包括小工具、磁流变、气囊、离子束、磁射流等；其中，传统的小工具技术利用沥青抛光模对非球面表面进行加工，然而由于沥青的流动性较低，不能实时的跟随非球面的曲率变化，造成了抛光模与非球面面型不吻合，降低了面形误差收敛效率，在非球面的加工中遇到了很大的困难；磁流变、气囊、离子束、磁射流都属于柔性抛光技术，其抛光介质能在瞬间适应非球面的曲率变化，适用于非球面的加工，然而不具有自然的表面中高频误差平滑作用，加工之后的非球面容易产生中高频误差，增大了光学系统的散射，降低了成像质量；并且其产生的去除函数口径较小，体积去除效率较低，不适用于大口径光学非球面的加工。因此，有必要对现有的抛光装置进一步的改造，使之更加适合超精密非球面的加工。

发明内容

本发明针对现有的数控公自转式抛光装置结构复杂、扭矩不足、加工口径较小，以及传统沥青抛光模与非球面表面吻合差等问题，提出了一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，通过采用偏心自转式结构，获得了类高斯去除函数；并采用非牛顿流体作为辅助介质，使得聚氨酯抛光模能够根据非球面的面形实时的变形，结合气体施压方式，获得了非球面加工中的稳定的去除函数；是一种结构精巧、集成化程度高、稳定性好的精密光学表面加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明是属于超精密光学表面加工领域的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置。包括电机、电机座、电机皮带轮、皮带、主轴皮带轮、旋转接头、主轴、轴承、套筒、转接板、活塞、活塞挡板、球头、销子、抛光盘、卡圈、非牛顿流体、保形膜。

所述的抛光装置采用偏心自转式运动形式获得类高斯的去除函数。

所述的气压施力是通过旋转接头、中空的主轴、主轴末端的气缸、活塞配合完成的。

所述的抛光盘通过采用非牛顿流体辅助聚氨酯抛光模根据非球面的面形而实时变形，是一种保形抛光装置。

所述的抛光装置安装在非球面数控加工机床上，用于对非球面表面进行超精密抛光，特别是高陡度非球面。

本发明所述的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置的工作过程如下：

加工过程中，通过精密数控机床将该抛光装置移动到工件上待加工点的位置，开启气泵，气体通过旋转接头进入该装置，通过中空的主轴进入主轴末端的气缸，进而推动活塞和球头向下对抛光盘施加压力；电机利用皮带和带轮的传递，依次带动主轴、活塞挡板、活塞、球头转动，最终由球头带动抛光盘旋转；通过选择不同偏心量的球头固定孔，获得不同形状的类高斯去除函数，结合各种加工路径和驻留时间，对光学元件的表面进行确定性的加工。

有益效果：本发明的优点在于避免了传统公自转结构抛光转置的复杂结构、需要大口径轴承、扭矩不足等问题，简化了结构，节约了成本；并有效的避免了传统的沥青抛光非球面时，抛光模与光学表面贴合不稳定的现象，同时能很好的抑制中高频误差；结合高精度的数控机床，能够实现对大口径光学元件的快速、高质量的确定性表面加工。

附图说明

图1为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置在偏心量为零时的剖面视图；

图2为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置在偏心量不为零时的剖面视图；

图3为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置侧面视图；

图4为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置的抛光盘上表面结构图；

图5为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置的抛光头三维结构图；

其中：1-电机，2-电机座，3-皮带，4-电机皮带轮，5-转接板，6-旋转接头，7-主轴皮带轮，8-主轴上轴承，9-主轴，10-套筒，11-主轴下轴承，12-活塞，13-球头，14-活塞挡板，15-抛光盘，16-非牛顿流体，17-卡圈，18-保形膜，19-球头固定孔1，20-球头固定孔2，21-球头固定孔3，22-球头固定孔4，23-球头固定孔5，24-球头固定孔6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置在偏心量为零时的剖面视图，包括：1-电机，2-电机座，3-皮带，4-电机皮带轮，5-转接板，6-旋转接头，7-主轴皮带轮，8-主轴上轴承，9-主轴，10-套筒，11-主轴下轴承，12-活塞，13-球头，14-活塞挡板，15-抛光盘，16-非牛顿流体，17-卡圈，18-保形膜。

其中，电机1通过螺钉固定在电机座2上，电机座2固定在转接板5上，电机1的主轴连接电机皮带轮4，电机皮带轮4通过皮带3与主轴皮带轮7连接；主轴皮带轮7与主轴上端固定连接，主轴9通过主轴上轴承8和主轴下轴承11旋转安装在套筒10中，套筒10通过螺钉固定在转接板5上，旋转接头6安装在主轴9的顶端的螺纹孔中，活塞挡板14通过螺钉固定在主轴9的末端，活塞挡板14通过键槽结构与活塞12相连，活塞12的下端固定在球头13上端的螺纹孔中，球头13的下端沉入抛光盘15上表面的球头固定孔（19、20、21、22、23、24）中，球头13通过销子带动抛光盘15转动；非牛顿流体16安装在抛光盘15的下表面，其上覆盖一层保形膜18，卡圈17紧紧压住保形膜18的边缘，并通过螺钉固定在抛光盘15上。

图2为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置在偏心量不为零时的剖面视图，相比图1所述的偏心量为零的状态，通过选择不同偏心量的球头固定孔（19、20、21、22、23、24）来实现抛光盘15的偏心量调节。

图3为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置侧面视图，套筒10通过螺钉固定在转接板5上，整个抛光装置通过转接板5固定在数控机床上。

图4为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置的抛光盘上表面结构图，球头13的下端沉入抛光盘15的上表面的球头固定孔（19、20、21、22、23、24）中，通过销子带动抛光盘15转动。通过选择不同的球头固定孔来选择合适的偏心量，其中，球头固定孔1的偏心率为0，球头固定孔2的偏心率为0.3，球头固定孔3的偏心率为0.4，球头固定孔4的偏心率为0.5，球头固定孔5的偏心率为0.6，球头固定孔6的偏心率为0.7。

图5为本发明的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置的抛光头三维结构图，其中，非牛顿流体16安装在抛光盘15的下表面，其上覆盖一层保形膜18，卡圈17紧紧压住保形膜18的边缘，并通过螺钉固定在抛光盘15上。

Claims

1.一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，包括电机、电机座、电机皮带轮、皮带、主轴皮带轮、旋转接头、主轴、轴承、套筒、转接板、活塞、活塞挡板、球头、销子、抛光盘、卡圈、非牛顿流体、保形膜；

上述组成部分的连接关系为：

电机通过螺钉固定在电机座上，电机座固定在转接板上；电机主轴连接电机皮带轮，其通过皮带与主轴皮带轮连接；主轴皮带轮与主轴上端固定连接，主轴通过轴承旋转安装在套筒中，套筒通过螺钉固定在转接板上；旋转接头旋转安装在主轴顶端的螺纹孔中，气体通过该接头进入中空的主轴，最后进入主轴末端的气缸，推动活塞向下施加压力；活塞挡板通过螺钉固定在主轴末端，活塞挡板通过键槽结构带动活塞转动；活塞下端固定在球头上端的螺纹孔中；球头下端沉入抛光盘上表面的球头固定孔中，通过销子带动抛光盘转动；非牛顿流体安装在抛光盘的下表面，其上覆盖一层保形膜，卡圈紧紧压住保形膜的边缘，并通过螺钉固定在抛光盘上；之后，在保形膜上粘贴聚氨酯抛光模，对光学元件进行确定性的表面加工；

2.根据权利要求1所述的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，其特征在于：所述的抛光装置采用偏心自转式运动形式获得类高斯的去除函数。

3.根据权利要求1所述的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，其特征在于：所述的气压施力是通过旋转接头、中空的主轴、主轴末端的气缸、活塞配合完成的。

4.根据权利要求1所述的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，其特征在于：所述的抛光盘通过采用非牛顿流体辅助聚氨酯抛光模根据非球面的面形而实时变形，是一种保形抛光装置。

5.根据权利要求1所述的一种偏心自转式气压施力大口径保形抛光装置，其特征在于：所述的抛光装置安装在非球面数控加工机床上，用于对非球面表面进行超精密抛光，特别适用于高陡度非球面的超精密抛光。