CN104589184B - 用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，包括主轴、工件电机、工件盘、修整电机、支架、修整盘、抛光模、能动磨盘、回转电机和底座等；主轴和回转电机分别固定于底座；支架通过轴承安装于主轴，并通过传动系统和回转电机转轴连接；能动磨盘安装于主轴顶端，抛光模贴附于能动磨盘盘面；工件电机和修整电机安装于支架，且转轴分别安装有工件盘和修整盘；工件安装于工件盘底面。工作时，工件被加工面、修整盘底面与抛光模表面贴合，回转电机带动支架旋转，工件电机和修整电机带动工件和修整盘旋转；调整能动磨盘，使抛光模在与工件接触区域随工件面形实时变化，同时在与修整盘接触区域实现平面变形，完成精密去除。本发明在使用较少运动轴情况下，能够实现多类型元件形面的精密加工。

Description

用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置

技术领域

本发明涉及一种抛光装置，尤其是涉及用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。

技术背景

进入新世纪，航空航天行业迅速发展，对光学元器件的精度和尺寸要求越来越高，这给先进光学制造行业带来了巨大的挑战，同时诱使各种加工工艺的产生。

环形抛光技术(Continuous Polishing)主要应用于大口径平面光学元件的超精密加工。相比于其他加工工艺，如磁流变抛光技术、离子束抛光技术、激光抛光技术等新型高精密抛光技术，环形抛光技术由于原理比较简单，设备较为成熟从而广泛应用于光学元器件的大批量生产加工中。环形抛光装置一般由环形加工磨盘(常用沥青盘)、转台、圆形玻璃校正盘、套圈和分离器构成；其中加工磨盘一般具有较大的平面盘面，校正盘一般为尺寸稍大于沥青盘环宽的平面盘，分离器安置于套圈内实现工件和校正盘的位置束缚，多组套圈分布于加工磨盘表面的不同位置。工作时，加工磨盘由电机驱动以稳定速度旋转，套圈位置相对于加工盘面以一定的方式变化，施加有一定压力的工件和校正盘由放置在不同位置套圈内的分离器游离分置于加工磨盘表面的不同位置，在摩擦力作用下，校正盘和工件在不同的套圈内以一定速度自转，因此由于运动效果的叠加导致工件和校正盘相对于加工磨盘以复合轨迹运动；另外此过程中工件和校正盘在环状抛光模上做自由浮动式抛光。环形抛光过程中，由于大尺寸加工磨盘以及复合轨迹运动的使用，使其具有较强的均化抛光能力，从而在有效提高面形低频精度的同时降低表面高频误差；由于浮动式接触，外加压力调控方式灵活，可获得极低表面粗糙度和较高平面面形精度；由于加工中同时使用校正盘和工件，使得磨盘在加工的过程中实现修整，有效的提高了加工的鲁棒性。正是由于这些优点，使得环抛技术在大孔径、高精度的光学元件制造技术中占有重要位置；但是，由于运动机构和磨盘形状的约束(目前实际中常用的加工磨盘为平面)，此技术主要应用于平面的高精度加工，严重束缚了加工的范畴。

应力盘抛光技术(stressed lap polishing)是基于薄板应力变形原理的新型非球面加工技术，该技术的产生是为了满足大口径小F数高陡度非球面的研磨和抛光要求。在加工过程中，工件安置于应力盘底面，安装于应力盘上的驱动器根据计算机发出的改变镜面位置和方向指令改变应力盘边缘力矩大小，使应力盘能够实时地保持与被抛光玻璃的非球面光学表面相匹配，从而实现对光学元件的非球面加工。由于该系统能够主动控制形变，且柔性退让现象较为轻微，使其可优先去除表面高点，修正平滑局部中高频误差效果显著；此外，在选取不同口径抛光盘以完成对工件形状精度及表面粗糙度有效控制的同时，可有效地提高加工效率。正是由于这些优点，使得应力盘抛光技术在非球面光学元件制造技术中占有重要位置。但是，由于应力盘抛光技术面对系统不确定性模型时，往往难以取得理想的面形控制效果；加上应力盘控制系统过于复杂，也严重制约了应力盘抛光技术在非球面光学元件制造中的应用。

发明内容

本发明是为了弥补环形抛光技术只能应用于平面光学元件抛光加工的不足，提出用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置；该装置将结合环形抛光和应力盘抛光的技术特点，能够根据被加工工件的面形实时控制改变能动磨盘与之接触区域的盘面面形，实现被加工工件表面与抛光模接触区域的良好吻合，从而达到精密去除的目的；同时控制能动磨盘使抛光模与修整盘接触区域快速恢复为平面状态，达到抛光模面形修整的效果；该装置能够实现多类型形面的精密加工。

本发明的目的是通过以下技术实现的。

用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于，包括主轴、工件电机、工件盘、修整电机、支架、修整盘、抛光模、能动磨盘、回转电机和底座等。

上述组成部分的连接关系为：

形变系统组包括多个形变系统，每个形变系统包括形变驱动器、立柱和拉绳；形变驱动器是由步进电机、螺纹丝杆、螺纹丝扣、连接杆、短连杆、长连杆、活动铰链、滑槽和绳槽构成；拉绳的一端固定在立柱上，另一端固定在长连杆上。

所述的主轴和回转电机固定于底座；支架通过轴承安装于主轴，并通过传动系统和回转电机转轴连接；能动磨盘安装于主轴顶端，抛光模贴附于能动磨盘盘面；形变系统组和能动磨盘盘面构成能动磨盘，且形变系统组位于能动磨盘盘面底部；工件电机和修整电机安装于支架，工件电机转轴与工件盘固定，修整电机转轴与修整盘固定；工件固定于工件盘底面。

所述装置能实时改变抛光模与工件接触区域的面形，实现多类型形面的环抛去除。

所述修整盘由刚性材料制成，该材料的刚性强度要大于抛光模刚性强度，并且修整面为平面。

所述安装能动磨盘的主轴保持静止，支架在回转电机的带动下相对于主轴旋转。

所述用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置的工作过程如下：

工作前，能动磨盘处于自由状态；工作时，工件被加工面、修整盘底面与抛光模表面贴合，回转电机带动支架旋转，支架带动工件和修整盘公转；工件电机和修整电机带动工件和修整盘自转；根据被加工工件面形，控制能动磨盘实时改变能动磨盘盘面的面形，使与工件接触区域的抛光模实时变化，从而提高抛光模与工件面形的吻合程度，实现高精密加工；同时控制能动磨盘使抛光模与修整盘接触区域快速恢复为平面状态，达到抛光模面形修整的效果。

有益效果

本发明是为了弥补环形抛光技术只能应用于平面加工的不足，提出用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，该装置将环形抛光技术和应力盘抛光技术进行改进式结合。加工过程中，由于大尺寸加工磨盘以及复合轨迹运动的使用，使其具有较强的均化抛光能力，从而在有效提高面形低频精度的同时降低表面高频误差；该装置能够根据工件被加工面面形实时改变能动磨盘盘面面形，实现抛光模与工件被加工面较好的吻合，从而达到精密去除的目的；同时控制能动磨盘使抛光模与修整盘接触区域快速恢复为平面状态，达到抛光模面形修整的效果；该装置能够实现多类型形面的精密加工，具有易于调节、加工效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明形变驱动器的剖面结构示意图。

图4为本发明能动磨盘的仰视结构示意图。

图中，1-工件电机、2-工件盘、3-工件、4-修整电机、5-修整盘、6-抛光模、7-能动磨盘盘面、8-主轴、9-轴承、10-主皮带轮、11-皮带、12-回转电机、13-从皮带轮、14-立柱、15-形变驱动器、16-拉绳、17-支架、18-底座、19-步进电机、20-螺纹丝杆、21-螺纹丝扣、22-连接杆、23-短连杆、24-活动铰链、25-长连杆、26-滑槽、27-绳槽。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明一下本发明的具体实施方式。

如图1，为本发明用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置的剖面结构示意图。由工件电机1、工件盘2、工件3、修整电机4、修整盘5、抛光模6、能动磨盘盘面7、主轴8、轴承9、主皮带轮10、皮带11、回转电机12、从皮带轮13、立柱14、形变驱动器15、拉绳16、支架17、底座18构成；回转电机12和主轴8分别固定在底座18；主皮带轮10固定于回转电机12转轴上，支架17通过轴承9旋转安装于主轴8上；从皮带轮13安装于支架17上，从皮带轮13和主皮带轮10通过皮带11连接，构成传动系统；能动磨盘盘面7定于主轴8上端面；形变系统组和能动磨盘盘面构成能动磨盘，且形变系统组位于能动磨盘盘面底部；抛光模6贴附于能动磨盘盘面7；工件电机1安装于支架17左侧悬臂，工件盘2与工件电机1转轴固定，工件3固定于工件盘2底面，工件3被加工面与抛光模6贴合；修整电机4安装于支架17右侧悬臂，修整盘5与修整电机4转轴固定。工作时，回转电机12转轴带动主皮带轮10旋转，通过皮带11使从皮带轮13旋转，从皮带轮13带动支架17绕主轴8旋转；从而使工件3和修整盘5绕能动磨盘盘面7公转；在工件电机1和修整电机4的驱动下，工件3和修整盘5进行自转；根据工件3被加工面，形变系统组实时调整能动磨盘盘面7的面形，提高能动磨盘盘面7和工件3被加工面的吻合程度，实现高精密去除；同时控制能动磨盘使抛光模6与修整盘5接触区域快速恢复为平面状态，便于抛光模6的面形修复。

图2为本发明的俯视结构示意图。该装置的修整盘5、抛光模6、支架17均为圆盘形；工件电机1和修整电机4安装于支架17相对的两悬臂上。

图3为本发明形变驱动器的剖面结构示意图。主要是由拉绳16、步进电机19、螺纹丝杆20、螺纹丝扣21、连接杆22、短连杆23、活动铰链24、长连杆25、滑槽26、绳槽27构成；步进电机19转轴与螺纹丝杆20固定，螺纹丝扣21套装于螺纹丝杆20上，通过连接杆22与短连杆23一端连接，短连杆23另一端通过活动铰链24与长连杆25一端连接，构成一个连杆结构；绳槽27将拉绳16固定于长连杆25另一端，长连杆25通过滑槽26固定于形变驱动器15外壳上；在步进电机19的驱动下，螺纹丝杆20绕轴旋转，带动螺纹丝扣21轴向移动，通过连接杆22带动短连杆23绕活动铰链24运动，牵动长连杆25进行移动，从而使长连杆25在滑槽26上滑动，给拉绳16施加拉力，达到使能动磨盘盘面7形变的效果。

图4为本发明能动磨盘的仰视结构示意图。能动磨盘盘面7为圆盘形，圆盘中心为主轴8；在步进电机19的驱动下，形变驱动器组通过相互之间的作用力来改变能动磨盘盘面7的面形。

Claims (4)

1.用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于，包括主轴、工件电机、工件盘、修整电机、支架、修整盘、抛光模、能动磨盘、回转电机和底座；

上述组成部分的连接关系为：

形变系统组包括多个形变系统，每个形变系统包括形变驱动器、立柱和拉绳；形变驱动器是由步进电机、螺纹丝杆、螺纹丝扣、连接杆、短连杆、长连杆、活动铰链、滑槽和绳槽构成；拉绳的一端固定在立柱上，另一端固定在长连杆上；

所述主轴和回转电机固定于底座；支架通过轴承安装于主轴，并通过传动系统和回转电机转轴连接；能动磨盘安装于主轴顶端，抛光模贴附于能动磨盘盘面；形变系统组和能动磨盘盘面构成能动磨盘，且形变系统组位于能动磨盘盘面底部；工件电机和修整电机安装于支架，工件电机转轴与工件盘固定，修整电机转轴与修整盘固定；工件固定于工件盘底面；

所述用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置的工作过程如下：

工作前，能动磨盘处于自由状态；工作时，工件被加工面、修整盘底面与抛光模表面贴合，回转电机带动支架旋转，支架带动工件和修整盘公转；工件电机和修整电机分别带动工件和修整盘自转；根据被加工工件面形，控制能动磨盘实时改变能动磨盘盘面的面形，使与工件接触区域的抛光模实时变化，从而提高抛光模与工件面形的吻合程度，实现高精密加工；同时控制能动磨盘使抛光模与修整盘接触区域快速恢复为平面状态，达到抛光模面形修整的效果。

2.根据权利要求1所述的用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于：所述装置能实时改变抛光模与工件接触区域的面形，实现多类型形面的环抛去除。

3.根据权利要求1所述的用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于：所述修整盘由刚性材料制成，该材料的刚性强度要大于抛光模刚性强度，并且修整面为平面。

4.根据权利要求1所述的用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于：所述安装能动磨盘的主轴保持静止，支架在回转电机的带动下相对于主轴旋转。