CN104942678B - 一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，基于摆架式传统古典法加工原理的基础上，对摆架顶针进行了相关改造，该装置包括计算机系统及电控机构、支撑架子、传动轴、45度齿轮、摆架顶针轴、磨盘；计算机系统与电控机构相连接，根据镜面检测的面形进行仿真计算加工，由安装在计算机系统上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机转动，通过伺服电机带动传动轴、45度齿轮、摆架顶针轴、磨盘转动，从而实现可控磨盘主动旋转，同时需要一般数控机床工作台的配合，本发明为高精度大口径光学元件提供摆架式主动磨盘加工的装置，从而消除由于磨盘旋转不均而造成镜面不对称去除现象，避免给加工带来不利的影响，具有重大的实际工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于先进光学制造领域，涉及高精度大口径光学元件加工装置，特别涉及一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置。
背景技术
随着天文光学的发展，对于光学系统的角分辨率要求越来越高，而提高角分辨率的有效手段是增加光学系统的口径。因此，现代光学系统的主镜口径越来越大。相应的，随着计算机技术的发展，出现了许多新的应用于大口径光学元件光学加工技术，如数控小工具技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)、应力盘抛光技术(StressedLap Polishing)、磁流变抛光技术(Magnetorheological Finishing,MRF)、离子束抛光技术(Ion Beaming Polishing)、射流抛光技术(Fluid Jet Polishing)等，这些技术都是基于数控加工技术上发展而来的，同时这些技术在大口径非球面加工中取得了广泛的应用。
摆架式磨盘加工技术是工件主动旋转，磨盘在自重和压头的压力作用下随动的传统加工方式，磨盘转动速度是变化的。因为在加工过程中磨盘口径大小可选，故加工效率高，常用于研磨和粗抛阶段的去除大余量、去除次表面破坏层以及精抛光阶段对镜面的平滑。
被动式摆架式数控加工技术是基于经典光学加工方法改进的主要用于大口径非球面加工中的一种光学加工方法。被动式摆架式数控加工技术是通过工件主动旋转带动磨盘从动旋转，同时磨盘相对于工件沿其径向移动，从而实现了工件全口径的加工。工件固定于主工作台上，主工作台由电机驱动匀速旋转，而磨盘则是置于工件之上，通过两个机械臂自重与配重相互平衡作用，根据磨盘所需要摆架顶针作用下的压力，使得磨盘与工件之间无圆周方向的相对的滑动，同时工件的旋转与磨盘产生摩擦力的形式带动磨盘旋转，磨盘旋转是一种随动，在工件不同位置上其旋转角速度是变化的。
主动式摆架式数控加工技术是通过工件主动旋转和摆架式主动可控磨盘旋转加工大口径光学元件，同时磨盘相对于工件沿其径向移动，即是固定磨盘位置不动，数控机床上的工作台相对于磨盘在做径向移动，从而实现了工件全口径的加工。本文主要介绍实现可控磨盘主动慢速旋转的装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种基于一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置。
在光学大镜面加工中，经常要对整个镜面进行平滑整体性加工，传统的做法是：利用工作台的数控轴，使工作台带动旋转的镜面前后移动，同时利用机床摆架上的顶针，压在磨盘上的顶针孔上，磨盘在镜面旋转的作用下，产生从动旋转，从而达到抛光的作用。由于磨盘在镜面不同位置，与镜面吻合度不同，由从动产生的转速是不均匀的，有的位置会发生不转，有的位置转的很快，这样长时间加工累积作用，镜面就会产生不对称去除现象，从而给加工带来不利的影响。
为此我们对摆架式传统机床顶针进行了相关改造，使顶针带动磨盘主动旋转，并能根据需要，通过安装在计算机系统上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机控制程序，在不同的位置自动变换不同的转速，消除由于磨盘旋转不均而造成镜面不对称去除现象，避免给加工带来不利的影响，有效的解决加工中大口径光学元件困难等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，包括计算机系统及电控装置，伺服电机，传动轴，45度齿轮，摆架顶针轴，磨盘和支撑架子；计算机系统及电控装置与伺服电机相连接，伺服电机放在右侧支撑架子上，支撑架子一端放在立柱上，另一端与左侧机械臂通过销子与摆架顶针轴相连接，其中左侧机械臂的另一端放在左侧立柱上，开启计算机系统及电控装置，由安装在计算机系统及电控装置上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机转动，通过伺服电机的旋转轴带动传动轴、45度齿轮、摆架顶针轴转动，从而带动磨盘主动转动，可以正、反转动，根据作用于磨盘的压力需要，通过悬挂在支撑架子上的配重调节摆架顶针轴作用于磨盘的作用力。
进一步的，所述大口径光学元件是指口径为800-3000mm，厚度为10-350mm，所述磨盘口径是指口径为150-600mm。
进一步的，所述计算机系统及电控装置对所得到的磨盘转速进行控制过程为：开启计算机系统及电控装置，打开由安装在计算机系统及电控装置上的控制磨盘速度处理软件，并设置相关参数，等待准备好后启动。
进一步的，所述光学元件既可以是非球面，也可以是平面、球面。
进一步的，所述摆架顶针轴能够自由上下运动。
本发明另外提供一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置操作方法，其特征在于步骤如下：
第一步：做好准备，打开数控机床，将磨盘放在已涂有均匀氧化铈溶液的光学元件镜面上，根据镜面面形在数控机床上编程，使光学元件相对于摆架顶针轴做相对径向移动，同时数控机床的工作台自转，即光学元件也同步自传，从而实现光学元件全口径加工；
第二步：打开计算机系统及电控装置；
第三步：启动数控机床运行程序，光学元件相对于摆架顶针轴做相对径向移动，同时光学元件自转；
第四步：启动安装在计算机系统上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机转动，通过伺服电机的旋转轴带动传动轴、45度齿轮、摆架顶针轴转动，从而带动磨盘主动转动，可以正、反转动；
第五步：在整个加工过程中，注意观察该装置运行是否正常，做好应急准备，随时做好紧急安全停止的准备，慢慢等待数控机床的程序运行完毕；
第六步：将安装在计算机系统上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机逐步缓慢直至停止转动，通过伺服电机的旋转轴带动传动轴、齿轮、摆架顶针轴转动，从而带动磨盘停止转动；
第七步：停止数控机床的工作台转动和移动；
第八步：安全停止收尾工作。升起保护装置，将支撑架子、机械臂和摆架顶针轴托起，手动移动数控机床的工作台将光学元件远离摆架顶针轴，取下磨盘，擦净光学元件镜面；
第九步：关闭数控机床及计算机系统及电控装置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的加工装置实现磨盘主动旋转，在不同的位置自动变换不同的转速，消除由于磨盘旋转不均而造成镜面不对称去除现象，避免给加工带来不利的影响，有效的解决加工中大口径光学元件困难等问题。
(2)本发明既可以用于大口径非球面加工，也可以用于大口径平面、球面加工。
(3)本发明与专业数控机床相比具有成本低、操作简单、使用性强、加工的口径更大等特点。
附图说明
图1为本发明摆架式主动磨盘加工大口径光学元件装置示意图；
图2为本发明加工装置整体示意图，数控机床工作台的配合；
图3为本发明摆架式加工技术的运动模型图。
图4为本发明实施例中非球面抛物面石英轻质镜实验件抛光终检结果。
图中：1为计算机系统及电控装置，2为伺服电机，3为传动轴，4为45°齿轮，5为摆架顶针轴，6为磨盘，7为右侧支撑架子，8为左侧机械臂，9为右侧立柱，10为左侧立柱，11为保护支撑架，12为大口径光学元件，13为数控机床，14为配重，15为配重。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1-3所示，一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，包括计算机系统及电控装置1，伺服电机2，传动轴3，45度齿轮4，摆架顶针轴5，磨盘6和支撑架子7；计算机系统及电控装置1与伺服电机2相连接，伺服电机2放在右侧支撑架子7上，支撑架子7一端放在立柱9上，另一端与左侧机械臂通过销子与摆架顶针轴5相连接，其中左侧机械臂的另一端放在左侧立柱10上，开启计算机系统及电控装置1，由安装在计算机系统及电控装置1上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机2转动，通过伺服电机2的旋转轴带动传动轴3、45度齿轮4、摆架顶针轴5转动，从而带动磨盘6主动转动，可以正、反转动，根据作用于磨盘6的压力需要，通过悬挂在支撑架子7上的配重14调节摆架顶针轴5作用于磨盘6的作用力。其中，所述大口径光学元件是指口径为2000mm，环口处厚度为340mm，所述磨盘口径是指口径为300mm；其中，所述计算机系统及电控装置1对所得到的磨盘转速进行控制过程为：开启计算机系统及电控装置1，打开由安装在计算机系统及电控装置1上的控制磨盘速度处理软件，并设置相关参数，等待准备好后启动；其中，所述光学元件是非球面抛物面镜。所述摆架顶针轴5能够自由上下运动。
本发明的一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置操作方法，其特征在于步骤如下：
第一步：做好准备，打开数控机床，将磨盘6放在已涂有均匀氧化铈溶液的光学元件12镜面上，根据镜面面形在数控机床13上编程，使光学元件12相对于摆架顶针轴5做相对径向移动，同时数控机床13的工作台自转，即光学元件12也同步自传，从而实现光学元件12全口径加工；
第二步：打开计算机系统及电控装置1；
第三步：启动数控机床13运行程序，光学元件12相对于摆架顶针轴5做相对径向移动，同时光学元件12自转；
第四步：启动安装在计算机系统及电控装置1上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机2转动，通过伺服电机2的旋转轴带动传动轴3、45度齿轮4、摆架顶针轴5转动，从而带动磨盘6主动转动，可以正、反转动；
第五步：在整个加工过程中，注意观察该装置运行是否正常，做好应急准备，随时做好紧急安全停止的准备，慢慢等待数控机床13的程序运行完毕；
第六步：将安装在计算机系统及电控装置1上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机2逐步缓慢直至停止转动，通过伺服电机2的旋转轴带动传动轴3、齿轮4、摆架顶针轴5转动，从而带动磨盘6停止转动；
第七步：停止数控机床13的工作台转动和移动；
第八步：安全停止收尾工作。升起保护装置11，将支撑架子7、机械臂8和摆架顶针轴5托起，手动移动数控机床13的工作台将光学元件12远离摆架顶针轴5，取下磨盘6，擦净光学元件镜面12；
第九步：关闭数控机床13及计算机系统及电控装置1。
成功完成非球面φ2000mm/F1.3抛物面石英轻质镜加工，研磨镜面面形达到PV值10.6μm，RMS值1.6μm，最后抛光面形达到PV值0.31λ，RMS值0.028λ，如图4所示，其中1λ＝0.6328μm，通过zygo4英寸平面干涉仪和补偿器检测实际最大能获得口径为1980mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，其特征在于：包括计算机系统及电控装置(1)，伺服电机(2)，传动轴(3)，45度齿轮(4)，摆架顶针轴(5)，磨盘(6)和支撑架子(7)；计算机系统及电控装置(1)与伺服电机(2)相连接，伺服电机(2)放在右侧支撑架子(7)上，支撑架子(7)一端放在立柱(9)上，另一端与左侧机械臂通过销子与摆架顶针轴(5)相连接，其中左侧机械臂的另一端放在左侧立柱(10)上，开启计算机系统及电控装置(1)，由安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机(2)转动，通过伺服电机(2)的旋转轴带动传动轴(3)、45度齿轮(4)、摆架顶针轴(5)转动，从而带动磨盘(6)主动转动，可以正、反转动，根据作用于磨盘(6)的压力需要，通过悬挂在支撑架子(7)上的配重(14)调节摆架顶针轴(5)作用于磨盘(6)的作用力；工作方式如下：
第一步：做好准备，打开数控机床，将磨盘(6)放在已涂有均匀氧化铈溶液的光学元件(12)镜面上，根据镜面面形在数控机床(13)上编程，使光学元件(12)相对于摆架顶针轴(5)做相对径向移动，同时数控机床(13)的工作台自转，即光学元件(12)也同步自传，从而实现光学元件(12)全口径加工；
第二步：打开计算机系统及电控装置(1)；
第三步：启动数控机床(13)运行程序，实现光学元件(12)相对于摆架顶针轴(5)做相对径向移动，同时光学元件(12)自转；
第四步：启动安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机(2)转动，通过伺服电机(2)的旋转轴带动传动轴(3)、45度齿轮(4)、摆架顶针轴(5)转动，从而带动磨盘(6)主动转动，可以正、反转动；
第五步：在整个加工过程中，注意观察该装置运行是否正常，做好应急准备，随时做好紧急安全停止的准备，慢慢等待数控机床(13)的程序运行完毕；
第六步：将安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机(2)逐步缓慢直至停止转动，通过伺服电机(2)的旋转轴带动传动轴(3)、齿轮(4)、摆架顶针轴(5)转动，从而达到磨盘(6)停止转动；
第七步：停止数控机床(13)的工作台转动和移动；
第八步：安全停止收尾工作，升起保护装置(11)，将支撑架子(7)、机械臂(8)和摆架顶针轴(5)托起，手动移动数控机床(13)的工作台将光学元件(12)远离摆架顶针轴(5)，取下磨盘(6)，擦净光学元件镜面(12)；
第九步：关闭数控机床(13)及计算机系统及电控装置(1)。
2.根据权利要求1所述的一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，其特征在于：所述大口径光学元件是指口径为800-3000mm，厚度为10-350mm，所述磨盘口径是指口径为150-600mm。
3.根据权利要求1所述的一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，其特征在于：所述计算机系统及电控装置(1)对所得到的磨盘转速进行控制过程为：开启计算机系统与电控机构(1)，打开由安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件，并设置相关参数，等待准备好后启动。
4.根据权利要求1所述的一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置，其特征在于：所述光学元件既可以是非球面，也可以是平面、球面。
5.根据权利要求1所述的一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件装置，其特征在于：摆架顶针轴(5)能够自由上下运动。
6.一种摆架式主动磨盘加工大口径光学元件的装置操作方法，其特征在于步骤如下：
第一步：做好准备，打开数控机床，将磨盘(6)放在已涂有均匀氧化铈溶液的光学元件(12)镜面上，根据镜面面形在数控机床(13)上编程，使光学元件(12)相对于摆架顶针轴(5)做相对径向移动，同时数控机床(13)的工作台自转，即光学元件(12)也同步自传，从而实现光学元件(12)全口径加工；
第二步：打开计算机系统及电控装置(1)；
第三步：启动数控机床(13)运行程序，实现光学元件(12)相对于摆架顶针轴(5)做相对径向移动，同时光学元件(12)自转；
第四步：启动安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机(2)转动，通过伺服电机(2)的旋转轴带动传动轴(3)、45度齿轮(4)、摆架顶针轴(5)转动，从而带动磨盘(6)主动转动，可以正、反转动；
第五步：在整个加工过程中，注意观察该装置运行是否正常，做好应急准备，随时做好紧急安全停止的准备，慢慢等待数控机床(13)的程序运行完毕；
第六步：将安装在计算机系统及电控装置(1)上的控制磨盘速度处理软件控制伺服电机(2)逐步缓慢直至停止转动，通过伺服电机(2)的旋转轴带动传动轴(3)、齿轮(4)、摆架顶针轴(5)转动，从而达到磨盘(6)停止转动；
第七步：停止数控机床(13)的工作台转动和移动；
第八步：安全停止收尾工作，升起保护装置(11)，将支撑架子(7)、机械臂(8)和摆架顶针轴(5)托起，手动移动数控机床(13)的工作台将光学元件(12)远离摆架顶针轴(5)，取下磨盘(6)，擦净光学元件镜面(12)；
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170801 |
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