CN105598786B - 用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头 - Google Patents

Abstract

用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，涉及光学冷加工技术领域，解决现有技术中存在的抛光磨头与毫米量级超大偏离度非球面工件表面不匹配的问题。包括抛光模、抛光气囊帽、特殊弹性材料、气囊骨架、磨头底座、高度调节板、高度调节螺丝、紧固螺栓和连接法兰；所述抛光模胶粘于抛光气囊表面；被抛光气囊帽、气囊骨架和高度调节板组成的密闭结构密封于其中；抛光气囊帽通过内壁上的一圈梯形凸起与气囊骨架外壁上的梯形凹陷固连；高度调节板通过顶丝调节高度；磨头底座与气囊骨架通过外螺纹实现紧固连接；磨头底座与连接法兰通过紧固螺栓紧固连接。通过特殊弹性材料的弹性变形，自动与非球面表面匹配，提高加工精度，实现非球面面形的高精度加工。

Description

用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头

技术领域

本发明涉及非球面先进光学制造技术领域，具体涉及一种用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头。

背景技术

非球面抛光是先进光学制造技术领域的难点，特别体现在如何有效去除非球面表面中频误差。在抛光过程中，通常将抛光模与工件表面贴合，同时做高速相对运动，产生切向力，使玻璃表面的微小突起被切削；由于非球面方程各点的曲率半径不同，普通的抛光磨头很难与非球面表面实现完美匹配，因此，无法获得高精度的非球面光学元件。目前普遍采用的计算机控制表面成型技术，由于主要采用小磨头抛光，抛光磨头接触区域较小且路径轨迹固定，因此，无法有效去除中频误差。

非球面光学元件的定义为：通常是一条二次曲线或高次曲线，绕曲线的对称轴旋转所形成的回转曲面。其非球面多项式方程表述为：

其中，R表示顶点曲率半径，k表示二次系数，Z(y)表示矢高大小，变量y表示口径大小。非球面光学元件加工的难点在于非球面方程表面各点曲率半径各不相同，因此普通的抛光方法如传统沥青抛光，抛光盘与工件大小基本相同，无法与非球面表面形状匹配，导致面形不可控，同时无法有效去除中频误差。如图1所示，表征非球面方程特征曲线。其中左图蓝线表示非球面方程曲线，绿线表示最佳拟合球曲线；右图表示偏离量大小与口径的关系，即在距离非球面中心大约100mm半径处，非球面偏离量最大，约1.2mm。这表示在此处进行非球面加工过程中，磨头匹配程度最差。因此，需要解决此问题，尽量提高磨头匹配程度。

申请号为201110452719.5的中国专利公开了一项名为“一种间隙自适应抛光磨头”的技术方案；该方案包括连接件、多个调整螺钉、与调整螺钉个数相同的弹簧、调整板、波纹管和磨头体，调整板上设有与调整螺钉个数相同的沉孔，调整螺钉旋入连接件上的螺纹孔并压入调整板的沉孔内，连接件通过调整螺钉外侧的弹簧与调整板连接，调整板通过波纹管与磨头体连接。使用该自适应抛光磨头时，磨头在拉簧的作用下可以自动补偿间隙，但磨头的表面为刚性体，不能很好的与非球面表面实现贴合，导致抛光过程中无法避免中频误差，无法获得高精度非球面元件。

英国Zeeko公司生产的气囊磨头，如图2所示，已经广泛用于光学元件抛光过程。但是Zeeko公司使用的进动式抛光气囊磨头虽然可以依靠不同的Offset大小获得不同的接触区域大小，但是此种方法无法实现在非球面工件表面大面积区域有效适应非球面形状，因此无法改善中频质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，解决现有技术中普遍存在的抛光磨头表面与工件表面曲率半径不匹配导致中频误差无法有效校正的问题，特别是解决0.5mm量级以上大偏离度非球面抛光过程无法有效去除中频误差的问题。

用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，包括连接法兰、高度调节板、磨头底座、气囊骨架、弹性材料、抛光气囊帽和抛光模，所述抛光模胶粘于抛光气囊帽表面；所述抛光气囊帽、气囊骨架和高度调节板组成的密闭结构，弹性材料密封于密闭结构中；所述抛光气囊帽通过内壁上的一圈梯形凸起与气囊骨架外壁上的梯形凹陷紧固连接；气囊骨架与所述磨头底座通过外螺纹实现紧固连接；所述磨头底座与连接法兰通过紧固螺栓紧固连接；所述磨头底座表面均布有螺纹通孔，顶丝通过螺纹通孔调节高度调节板的高度，通过密闭结构中的弹性材料使抛光气囊帽处于撑起状态。

本发明的有益效果是：本发明的一种用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头主要用于抛光光学元件，特别是指非球面偏离度大小超过0.5mm量级的超大偏离度非球面光学元件，以及离轴非球面元件等自由曲面光学元件，去除非球面表面中频误差，控制低频误差；所述类气囊磨头在进行超过0.5mm量级的大偏离度非球面抛光时，抛光气囊帽通过调节自身压入量，可以间接控制与非球面工件表面的接触区域，同时通过海绵材料或者橡胶材料的弹性变形保证抛光磨头与非球面表面的实时完美匹配，提高非球面中频误差的抛光质量；本发明的抛光气囊帽采用橡胶铸造技术，保证使用的所有橡胶帽的形状和特性一致；同时，通过橡胶帽内壁上的凸起与气囊骨架相连接的方法保证磨头在高速旋转过程中，橡胶帽不会意外脱落或损坏导致加工失败，此方法也大大加强磨头在制作过程中的简易性、一致性、稳定性和可靠性。

附图说明

图1为现有技术中非球面方程特征曲线示意图；

图2为现有Zeeko公司气囊抛光磨头示意图；

图3为本发明所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头的结构示意图；

图4为本发明所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头的立体示意图；

图5中图5a和图5b分别为采用本发明所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头进行抛光前后效果对比图。

图中：1、抛光模 2、抛光气囊帽，3、特殊弹性材料，4、气囊骨架，5、高度调节板，6、磨头底座，7、紧固螺栓，8、顶丝，9、连接法兰。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图3至图5说明本实施方式，用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头包括抛光模1、抛光气囊帽2、弹性材料3、气囊骨架4、高度调节板5、磨头底座6、紧固螺栓7、顶丝8和连接法兰9；

所述抛光模1胶粘于抛光气囊表面2；所述弹性材料3为一种特殊材料，被抛光气囊帽2、气囊骨架4和高度调节板5组成的密闭结构密封于其中；所述抛光气囊帽2通过内壁上的一圈梯形凸起与气囊骨架4外壁上的梯形凹陷紧固连接；所述高度调节板5通过内六角顶丝调节其高度；所述磨头底座6与气囊骨架4通过外螺纹实现紧固连接；所述磨头底座6与连接法兰9通过紧固螺栓7紧固连接。

本实施方式中所述的抛光气囊帽2由橡胶材料制成、并具有特定形状，特定形状是指气囊帽的表面设计形状具有特定的曲率半径和厚度，特定的曲率半径是指抛光气囊帽通常具有R20、R40和R80一组系列曲率半径，根据待抛光元件口径大小进行选择；特定厚度有效保证抛光气囊帽2、气囊骨架4和高度调节板5组成的密闭结构内的弹性材料3与气囊帽表面产生的弹性变化相一致，从而实现抛光过程中气囊帽与非球面元件表面形状的匹配；所述高度调节板5的形状为圆柱形或上表面具有特定的曲率半径，该曲率半径与抛光气囊帽2曲率半径一致。

本实施方式所述的弹性材料3是一种特殊的弹性可变形材料，这种材料的弹性特征决定在非球面抛光过程中，它可以缓慢变形与非球面梯度变化相适应，进行有效抛光。所述弹性材料3被密闭在由抛光气囊帽2、气囊骨架4和高度调节板5所组成的空间内，用于限制内部的特殊弹性材料运动。所述抛光气囊帽2通过内壁上的凸起与气囊骨架4外壁上的凹陷紧密相连；所述气囊骨架4的内壁与高度调节板5的外径大小基本一致，形成无缝配合。所述高度调节板5可以沿着气囊骨架4的内壁上下滑动，增大或者减小所述弹性材料3单位体积内的张力。

本实施方式所述的磨头底座6、气囊骨架4、高度调节板5的材料为硬铝合金等金属材料。所述弹性材料是一类特殊的可缓慢发生弹性变化的材料可以为海绵或者橡胶材料，能够与非球面局部形状相适应。所述的抛光模1是聚氨酯、抛光布等材料。

本实施方式中所述的气囊骨架4通过外螺纹与磨头底座6的内螺纹形成一个整体，螺纹的旋进深度与所述特殊弹性材料的张力大小相关。所述顶丝8用于调节所述高度调节板5的高度，调节高度同样与所述特殊弹性材料的张力大小相关。这样可以从两个方面保证所述特殊弹性材料处于最佳张力状态。

本实施方式所述的连接法兰9均布有沉孔；所述磨头底座6表面与连接法兰9上的沉孔相对应位置设置有螺纹孔，所述紧固螺栓7穿过沉孔与所述螺纹孔形成螺旋副，用于紧固磨头底座6与连接法兰9。所述磨头底座6表面均布有螺纹通孔，顶丝8通过螺纹通孔调节高度调节板5的高度，使抛光气囊帽2处于撑起状态。所述紧固螺栓数量为3～6个。所述连接法兰为不锈钢材料，与机床连接。

在使用时，先将本实施方式的连接法兰9与机床主轴连接，然后控制磨头下降到非球面元件表面的高度，通过调节下降高度即offset大小，间接调整所述气囊抛光帽2与非球面元件的接触区域，接触区域的大小不是随机给定，而是根据非球面面形的频率分布特征获得。

确定接触区域大小后开启抛光液供给系统进行抛光。抛光磨头在非球面元件表面的不同位置通过光栅式或者螺旋式路径方式进行扫描，保证整个元件表面都被加工；同时，通过优化磨头的旋转速度或者进给速度，优化加工效果，通过抛光气囊帽2的弹性变化使聚氨酯在非球面元件表面形成有效接触，最终通过物理化学作用去除非球面中频误差，从而保证抛光质量。

结合图5说明本实施方式，由于可以通过气囊帽内部包裹的海绵材料或者橡胶材料实现弹性变形，使接触区域大范围匹配非球面表面形状，因此最终实现非球面元件抛光。使用该专利抛光磨头抛光前后效果对比图，从图中可以看出，表面面形误差从抛光前的波纹特别明显到抛光后波纹非常弱化可知，该磨头去除波纹即去除中频误差的效果非常明显。

实际上，本实施方式所述的抛光磨头不仅仅用于抛光非球面元件，也可以用来抛光离轴非球面等自由曲面，实现类似的效果。此外，如采用现有所述Zeeko公司的气囊磨头，虽然与本实施方式的外形类似，但是无法获得相同的抛光效果。

Claims (7)

1.用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，包括连接法兰(9)、高度调节板(5)、磨头底座(6)、气囊骨架(4)、弹性材料(3)、抛光气囊帽(2)和抛光模(1)，其特征是；

所述抛光模(1)胶粘于抛光气囊帽(2)表面；所述抛光气囊帽(2)、气囊骨架(4)和高度调节板(5)组成的密闭结构，弹性材料(3)密封于密闭结构中；所述抛光气囊帽(2)通过内壁上的一圈梯形凸起与气囊骨架(4)外壁上的梯形凹陷紧固连接；

气囊骨架(4)与所述磨头底座(6)通过外螺纹实现紧固连接；所述磨头底座(6)与连接法兰(9)通过紧固螺栓(7)紧固连接；

所述磨头底座(6)表面均布有螺纹通孔，顶丝(8)通过螺纹通孔调节高度调节板(5)的高度，通过密闭结构中的弹性材料(3)使抛光气囊帽(2)处于撑起状态；所述抛光气囊帽(2)、气囊骨架(4)和高度调节板(5)组成的密闭结构内的弹性材料(3)与气囊帽表面产生的弹性变化相一致，实现抛光过程中抛光气囊帽(2)与非球面元件表面形状的匹配；

所述抛光气囊帽(2)材料为橡胶，所述高度调节板(5)的形状为圆柱形或上表面具有特定的曲率半径，该曲率半径与抛光气囊帽(2)曲率半径一致；

所述高度调节板(5)的外径与气囊骨架(4)的内壁形成无缝配合，高度调节板(5)沿着气囊骨架(4)的内壁上下滑动，增大或者减小所述弹性材料(3)单位体积内的张力。

2.根据权利要求1所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，所述连接法兰(9)上均布有沉孔；所述磨头底座(6)表面设置有螺纹孔，所述紧固螺栓(7)穿过连接法兰(9)的沉孔与磨头底座(6)的螺纹孔形成螺旋副，用于紧固磨头底座(6)与连接法兰(9)。

3.根据权利要求1或2所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，通过所述磨头底座(6)的内螺纹与气囊骨架(4)外壁下方的外螺纹连接为一个整体。

4.根据权利要求1或2所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，所述连接法兰(9)为不锈钢材料，与机床连接。

5.根据权利要求1或2所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，所述磨头底座(6)、气囊骨架(4)和高度调节板(5)的材料均为硬铝合金材料。

6.根据权利要求1所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，所述抛光模(1)为聚氨酯或抛光布。

7.根据权利要求1所述的用于抛光超大偏离度非球面的类气囊磨头，其特征在于，所述弹性材料(3)为海绵或者橡胶材料，能够与非球面局部形状相适应。