CN104034284A - 大型环抛机抛光胶盘面形检测装置 - Google Patents

Abstract

一种大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，包括平直导轨、激光器、透镜组、照明狭缝、分光棱镜、五角棱镜、直角棱镜、底座、CCD、位移调节装置、移动台和可伸缩套筒，本发明可对大型环抛机抛光胶盘面形进行检测，该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

Description

大型环抛机抛光胶盘面形检测装置

技术领域

本发明涉及大型环形抛光机，特别是一种大型环抛机抛光胶盘面形的检测装置。

背景技术

环形抛光机是目前世界上几乎唯一可以全局化加工大口径平面光学元件的加工设备，它是将待抛光工件在自身重力和抛光液的作用下相对于抛光胶盘做旋转运动，借助磨粒的机械磨削作用和溶液的理化作用来完成对工件表面的材料去除并获得光洁表面。与其它技术相比，这种技术可以同时实现大口径工件的全局平面化，能够消除工件表面的高点和波浪形等不平度外，尚能消除高频缺陷，使表面加工质量能够达到超光滑的程度；平面化速度快，加工精度高，应用范围广，生产成本低，适合工业大规模推广。环抛机是这种技术的主要载体。随着现代科学技术的飞速发展，光学元件的通光口径和加工精度要求越来越高，因此环抛机也向大型化、自动化的方向发展，台面直径由原来的1m、1.2m逐渐发展到目前的2.4m，2.8m甚至4m以上等，而且机械化、自动化程度越来越高。一般来说，环抛机主要包括一个由电机驱动旋转的大理石抛光盘，该抛光盘的上表面浇注一层均匀的抛光胶盘，抛光胶盘上还有调节抛光胶盘面形的校正盘。当环抛机开始工作时，首先将一个用于工件限位的辅助抛光工件环放置在抛光盘上，然后将待加工工件平放在该工件环里，这样工件只能在工件环内运动，便于实时控制和操作，同时开动电机驱动抛光盘以一定的速度绕中心旋转，同时在抛光胶盘上喷洒一定量的抛光液，抛光液中含有按一定比例和粒径要求的抛光粉颗粒。当抛光盘以一定的速度转动时，工件在抛光胶盘上同时做自转运动，并与抛光胶盘上的抛光粉颗粒产生摩擦作用，从而对工件与抛光胶盘的接触面进行材料去除以获得光滑表面。由上述可知，抛光胶盘的平整度和质量性能对工件最终的抛光效果影响极大。

一般来说，加工工件的面形精度主要取决于抛光胶盘的面形精度，其精度靠校正盘在抛光胶盘径向移动来控制。由于抛光胶盘由沥青制作，具有一定的弹性 和韧性并刻有一定的图形，在加工过程中容易发生变化，其面形的变化情况，如高圈(面形的感性认知，即元件中间部分高，四周部分低)与低圈(面形的感性认知，与高圈相反，即元件中间部分低，四周部分高)变化直接影响到最终的加工精度。如果能够监测抛光胶盘的变化情况，则可以很大程度上提高工件的加工效率和加工精度。另外，环抛加工目前还处于比较依赖人工经验的状态，光学元件加工过程中的变化，如：面形变化(即高圈与低圈变化)还不能实时监控，而这却是控制光学元件面形精度的重要依据。目前的处理方法只能是首先将环抛机停机，然后通过人工方式把半加工态的光学元件搬至干涉仪上进行观察以得到工件的面形情况，进而推断抛光胶盘的面形变化情况，观察完毕后，再通过人工方式搬至环抛机上进行再加工。这种方法既费时又费力，而且还增加了工件搬运过程中的危险性。再者，由于大型环抛机加工的工件尺寸较大，重量也很大，而且表面光滑，无处把握，因此工人搬运起来十分不便，劳动强度比较大，非常容易造成工人受伤。另外，鉴于目前对工件光洁度的要求，工件的检测要尽量避免人为参与，因此迫切需要自动化的面形检测方式。

基于以上论述，如果能够实现抛光胶盘面形检测，即能够监测抛光胶盘的面形变化(高低圈变化)，则可以及时了解工件的面形情况并做出及时的后续加工方式，不仅可以在很大程度上提高工件的加工效率，而且也可以提高工件的加工精度和光洁度等指标。

发明内容

本发明的目的是提出一种大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，该装置可以对大型环抛机抛光胶盘的面形检测，减轻了工作人员的劳动强度。另外，采用该装置可以及时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

本发明的技术解决方案如下：

一种大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，其特点在于该装置包括固定在抛光机机架上的带有光尺的平直导轨，固定在平直导轨上的位移调节装置及其驱动沿所述的平直导轨移动的移动台，依次封装的激光器、透镜组、狭缝光阑、分光棱镜和准直棱镜固定地悬挂在所述的平直导轨的下方，所述的狭缝光阑的中心位于 透镜组的焦点，五角棱镜或反射镜通过夹持装置固定在移动台内，一可伸缩套筒和所述的移动台的下方刚性连接，一底座和所述的可伸缩套筒铰接后放置在抛光胶盘上；一直角棱镜安放在所述的底座的直角棱镜槽内，所述的直角棱镜的直角棱贴合在所述的抛光胶盘上，沿所述的激光器发出的激光束方向，依次经所述的透镜组、狭缝光阑、分光棱镜、准直透镜、五角棱镜或反射镜，经五角棱镜或反射镜的反射光投射到所述的直角棱镜上，经该直角棱镜的反射光返回，再经五角棱镜或反射镜、分光棱镜反射后成像在CCD上。

所述的五角棱镜或反射镜和直角棱镜的透射面镀有增透膜，反射面镀有反射膜。

该装置的工作原理如下：

固定在平直导轨上的激光器发出的激光束通过透镜组，会聚到狭缝光阑的中心；由狭缝光阑发出的光束经分光棱镜后，再经准直透镜变为平行光，该平行光经过五角棱镜(或反射镜)反射后垂直射到直角棱镜上，由直角棱镜(或反射镜)反射的光束沿原路返回，经五角棱镜(或反射镜)反射后，穿过准直透镜，经分光棱镜后投射到CCD上形成一线像。同理，当再次移动直角棱镜(或反射镜)到另一处，则在CCD上形成一新线像，通过观察或记录，计算CCD上两次线像之间的距离，除以准直透镜的焦距即可得到该两处抛光胶盘之间的微小楔角的大小。若沿抛光胶盘径向移动直角棱镜和五角棱镜(或反射镜)，同时利用位移调节装置，记录其位置，进而可以得到大型环抛机抛光胶盘的母线在抛光中的变化情况。

该装置的初始化如下：首先将直角棱镜连同底座放置在抛光胶盘上。调节整机位置，使经直角棱镜返回的线像位于屏幕(或CCD)的中央即可，然后，记录下位移调节装置和线像的位置，就可开始沿径向测量了。

本发明专利的优点是：

本发明大型环抛机抛光胶盘面形检测装置基本上实现了大型环抛机抛光胶盘的面形检测，减轻了工作人员的劳动强度。另外，采用该装置可以及时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。

本发明的一个优点：在准直棱镜后，使用五角棱镜，这是因为五角棱镜具 有一维转角不变性的特点，只要入射光线的方向固定，即使五角棱镜在主截面内有些偏转，出射光线方向仍将始终保持与入射光线成90度偏转角，达到精确垂直转向。因此最大限度的降低了五角棱镜在移动采样过程中对测试装置的精度要求。

本发明的另一个优点：直角棱镜是单向敏感的反射镜，反射光束始终和入射光束保持平行，避免外界杂散光的影响。当直角棱镜水平放置时，对抛光胶盘面形的径向变化敏感，轴向变化不敏感。轴向只需光束能射至直角棱镜即可，径向对抛光胶盘面形起伏反应灵敏，适合抛光胶盘面形的高精度、高灵敏度测量。

本发明的第三个优点：可以消除位移调节装置移动导轨的固定误差对测量精度的影响。只要将直角棱镜脱离抛光胶盘，将移动台在导轨上走一遍，并同时记录下导轨移动位置和CCD上的线像偏移距离，保存此数据与以后测量值相减即得真值。

附图说明

图1为本发明大型环抛机抛光胶盘面形检测装置最佳实施例的结构示意图；

图2为五角棱镜的测量原理图；

图3为该装置的底座及安放直角棱镜俯视图；

图4为该装置的底座及安放直角棱镜在AA’处剖视图；

图中：1-平直导轨，2-激光器，3-透镜组，4-狭缝光阑，5-光尺，6-CCD，7-分光棱镜，8-准直透镜，9-入射光束，10-出射返回光束，11-位移调节装置，12-移动台，13-五角棱镜或反射镜，14-可伸缩套筒，15-底座，16-直角棱镜，17-抛光胶盘，18-抛光盘19-铰性连接槽，20-直角棱镜的直角棱与抛光胶盘贴合槽，21-凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图1为本发明大型环抛机抛光胶盘面形检测装置最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，包括固定在抛 光机机架上的带有光尺5的平直导轨1，固定在平直导轨1上的位移调节装置11及其驱动沿所述的平直导轨1移动的移动台12，依次封装的激光器2、透镜组3、狭缝光阑4、分光棱镜7和准直棱镜8固定地悬挂在所述的平直导轨的下方，所述的狭缝光阑4的中心位于透镜组3的焦点，五角棱镜或反射镜13通过夹持装置固定在移动台12内，一可伸缩套筒14和所述的移动台12的下方刚性连接，一底座15和所述的可伸缩套筒14铰接后放置在抛光胶盘17上；一直角棱镜16安放在所述的底座15的直角凹槽21内，所述的直角棱镜16的直角棱贴合在所述的抛光胶盘17上，沿所述的激光器2发出的激光束方向，依次经所述的透镜组3、狭缝光阑4、分光棱镜7、准直透镜8、五角棱镜或反射镜13，经五角棱镜或反射镜13的反射光投射到所述的直角棱镜16上，经该直角棱镜16的反射光返回，再经五角棱镜或反射镜13、分光棱镜7反射后成像在CCD6上。

所述的五角棱镜或反射镜13和直角棱镜16的透射面镀有增透膜，反射面镀有反射膜。

移动台12由位移调节装置11驱动，可以在带有光尺5的平直导轨1上移动；五角棱镜或反射镜13固定在移动台12内，可伸缩套筒14和移动台12刚性连接，底座15和可伸缩套筒14铰性连接后放置在抛光胶盘17上，可以沿抛光胶盘17径向移动；移动台12与平直导轨1刚性连接。抛光胶盘17均匀浇注在大理石抛光盘18上，抛光盘由驱动电机驱动。

该装置的工作原理如下：固定在平直导轨1上的激光器2发出的激光束通过透镜组3，会聚到狭缝光阑4的中心；由狭缝光阑4发出的光束经分光棱镜7后，再经准直透镜8变为平行光，该平行光经过五角棱镜或反射镜13反射后垂直射到直角棱镜16上，由直角棱镜16反射的光束沿原路返回，经五角棱镜或反射镜13反射后，穿过准直透镜8，经分光棱镜7后投射到CCD6上形成一线像。同理，当再次移动直角棱镜16到另一处，则在CCD6上形成一新线像，通过观察或记录，计算CCD上两次线像的距离，除以准直透镜8的焦距即可得到该两处抛光胶盘17之间的微小楔角的大小。利用位移调节装置11，沿抛光胶盘径向移动直角棱镜16和五角棱镜或反射镜13，同时，记录其位置，进而可以得到大型环抛机抛光胶盘的母线在抛光中的变化情况。

该装置的初始化如下：将直角棱镜16连同底座放置在抛光胶盘17上。调节整机位置，使经直角棱镜16返回的线像位于CCD6屏幕的大致中央即可，然后， 记录下位移调节装置和线像的位置，就可开始沿径向测量了。

参阅图2，利用该装置的测量原理如下所述：

经分光棱镜7后的另一光束，穿过准直透镜8，投射向五角棱镜或反射镜13，如图2所示，光束经五角棱镜或反射镜13折反射后，射向带有倾角的直角棱镜16，根据五角棱镜的性质，入射光束和出射光束的夹角始终为90度，光束经过直角棱镜16，出射光束9方向和入射10光束相同。若直角棱镜和水平面的夹角为θ，根据光的反射原理，反射光束和入射光束的夹角为2θ，即由图2中，直角棱镜和水平面夹角为α，则出射光束2和入射光束1的夹角为2α，准直透镜8的焦距为f，CCD6上光斑偏移距离为Δx，由三角关系得

Δx＝f·tan(2α)≈f·2α

故可以得到抛光胶盘和绝对水平面的楔角大小为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{2f}$

由上述分析表明，通过测量两束光反射光斑的中心偏移Δx，可以十分灵敏的测量光学平行平晶的极微小的楔角至一秒甚至更小的数量级。

此外，由图2还可以看出，反射光斑的位置正好是背离抛光胶盘楔角的方向，由此，也可以依据反射光斑在CCD上偏移的方向，很快的判断出抛光胶盘楔角张角的方向。

参阅图3和图4，底座和直角棱镜的放置如下所述：

直角棱镜16安放在底座15内，其直角棱和抛光胶盘贴合；凹槽21是为了方便安放和更换直角棱镜。底座15和可伸缩套筒14铰性连接，铰性连接槽19一方面可以使可伸缩套筒14连接底座15作上下提升，另一方面在移动台12在位移驱动装置15驱动时，使底座15保持与移动台同步移动。直角棱镜16的直角棱和抛光胶盘17紧密贴合。直角棱镜是单向敏感的反射镜，反射光束始终和反射光束保持平行。当直角棱镜水平放置时，对抛光胶盘面形的径向变化敏感，轴向变化不敏感。轴向只需光束能射至直角棱镜即可，径向对抛光胶盘面形起伏反应灵敏，适合抛光胶盘面形的高精度、高灵敏度测量。

从以上分析可以得到抛光胶盘与绝对水平面之间的微小楔角以及高低圈情况。

本发明提出了一种大型环抛机抛光胶盘面形检测装置。利用光反射原理，激光器发射的激光束经过透镜组、狭缝光阑、分光棱镜、准直透镜后得到一平行光束，该平行光束经一五角棱镜(或反射镜)反射后，投射到直角棱镜，反射光束按原路返回，再次经分光棱镜后，投射到CCD上形成一线像。移动直角棱镜，会在CCD上形成一新的线像。根据两线像间距离，得到抛光胶盘面上两小块面形不平的微小楔角。通过位移调节装置，沿径向改变五角棱镜(或反射镜)和直角棱镜的位置，从而确定抛光胶盘的面形形状变化，即高低圈变化情况。该装置基本上实现了大型环抛机抛光胶盘的面形检测，减轻了工作人员的劳动强度。另外，采用该装置可以及时的了解抛光胶盘的面形情况，尤其是高低圈状况，大大提高了工作效率。该装置结构简单，操作方便，稳定可靠，精度较高，不仅大大消除了工件搬运过程的安全性，而且避免了外界杂质的引入而对工件表面造成损伤。实验表明，本发明实现了大型环抛机抛光胶盘的面形检测，减轻了工人劳动强度，避免了工件损伤，保证了工件的表面光洁度，提高了工件的加工效率和安全性。

Claims (2)

1.一种大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，其特征在于该装置包括固定在抛光机机架上的带有光尺(5)的平直导轨(1)，固定在平直导轨(1)上的位移调节装置(11)及其驱动沿所述的平直导轨(1)移动的移动台(12)，依次封装的激光器(2)、透镜组(3)、狭缝光阑(4)、分光棱镜(7)和准直棱镜(8)固定地悬挂在所述的平直导轨的下方，所述的狭缝光阑(4)的中心位于透镜组(3)的焦点，五角棱镜或反射镜(13)通过夹持装置固定在移动台(12)内，一可伸缩套筒(14)和所述的移动台(12)的下方刚性连接，一底座(15)和所述的可伸缩套筒(14)铰接后放置在抛光胶盘(17)上；一直角棱镜(16)安放在所述的底座(15)的直角棱镜槽内，所述的直角棱镜(16)的直角棱贴合在所述的抛光胶盘(17)上，沿所述的激光器(2)发出的激光束方向，依次经所述的透镜组(3)、狭缝光阑(4)、分光棱镜(7)、准直透镜(8)、五角棱镜或反射镜(13)，经五角棱镜或反射镜(13)的反射光投射到所述的直角棱镜(16)上，经该直角棱镜(16)的反射光返回，再经五角棱镜或反射镜(13)、分光棱镜(7)反射后成像在CCD(6)上。

2.根据权利要求1所述的大型环抛机抛光胶盘面形检测装置，其特征在于所述的五角棱镜或反射镜(13)和直角棱镜(16)的透射面镀有增透膜，反射面镀有反射膜。