CN107283260A - 一种轮式抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种轮式抛光装置，包括安装法兰，所述安装法兰上安装有支架，所述支架的上部安装有驱动电机，下部安装有长度调节装置，所述长度调节装置远离所述驱动电机的一端安装有可转动的弹性橡胶轮，一抛光带的一端和所述驱动电机的输出轴连接，另一端和所述弹性橡胶轮连接。本发明提供了一种轮式抛光装置，具有高斯型去除函数，去处特性稳定，去除效率高，该装置采用传统磨削原理，成本低廉，可以广泛运用到光学元件抛光过程中。

Description

一种轮式抛光装置

技术领域

本发明属于光学元件抛光技术领域，尤其涉及一种轮式抛光装置。

背景技术

随着光学应用领域的不断扩展，对光学元件的需求量不断增加，如何高效、低廉地满足光学元件的质量指标和数量要求，一直是精密光学制造领域的发展趋势。光学元件的加工和传统的金属机械元件加工有很大不同，传统的车削，铣磨等加工方法难以保证光学元件的质量。光学元件的加工一般经过铣磨成型、粗磨、精磨、抛光等工序，当前光学元件的加工方法绝大部分都以抛光来收尾，抛光作为元件加工的最后一步，直接决定了元件的面形精度。

目前光学加工领域发展起来的先进加工方法包括金刚石车削技术、粒子束技术[1]、磁流变技术[2]、数控小工具技术[3]等。金刚石车削适用于硬度较低的晶体，且加工表面粗糙度较低，需要结合抛光来改进车削留下的高频误差。粒子束抛光技术将中性离子在电场中加速冲击工件表面原子或者分子，使其逸出表面，可以达到原子级的表面去除率，但其缺点明显，去除加工效率低，且工作时的离子流量、加速电压、真空度等需要精确控制同样代价极高。磁流变抛光技术精度虽然高表面粗糙度可以达到纳米级，但加工效率低，需要的外磁场控制复杂，且使用的磁性抛光液需及时更换，设备维护成本较高，难以大规模推广[4]。相对于前几种加工方式，加工质量高、成本低廉的当属数控小工具技术，它利用小工具磨头做成抛光模贴合在元件表面进行抛光，利用数控设备实现抛光头在元件表面的移动使之覆盖到预加工区域，通过精确控制停留时间控制材料去除量，从而得到需要的光学表面。数控小工具抛光技术使用的小工具通常有：带偏心调整机构的行星式抛光头[5]，采用进动式运动的气囊抛光头[6]。行星式抛光和气囊抛光利用了抛光液中的磨料粒子和元件表面的磨削作用实现材料去除，但带偏心结构的行星式抛光头工作时既要自传又要公转，难以承载较高的转速(公转轴转速一般仅为20r/min)，导致加工效率低同时在加工元件边缘时由于抛光模尺寸较大会产生边缘效应，造成塌边或者翘边。气囊抛光的进动式抛光方式同样不能承载较高的转速，且在边缘处同样产生明显的边缘效应[7]。因此，这两种方法在一定程度上可以实现元件的加工但是仍然在抛光头结构稳定性和抛光效率上存在缺点。

参考文献：

[1]唐瓦,邓伟杰,郑立功,张学军.离子束抛光去除函数计算与抛光实验[J].光学精密工程,2015,01:31-39.

[2]彭小强,戴一帆,李圣怡.磁流变抛光工艺参数的正交实验分析[J].光学技术,2006,06:886-888+892.

[3]钟波,陈贤华,王健,邓文辉,谢瑞清,袁志刚,廖德锋.400mm口径平面窗口元件中频误差控制技术[J].强激光与粒子束,2013,12:3287-3291.

[4]袁巨龙,吴喆,吕冰海,阮德南,陆惠宗,赵萍.非球面超精密抛光技术研究现状[J].机械工程学报,2012,23:167-177.

[5]王权陡,刘民才,张洪霞.数控抛光技术中抛光盘的去除函数[J].光学技术,2000,01:32-34.

[6]倪颖,李建强,王毅,黄启泰,余景池.一种高效率小口径非球面数控抛光方法[J].光学技术,2008,01:33-35+40.

[7]张毅,张学军,李锐钢,李英杰.具有公自转运动模式的高效轮式抛光工具设计[J].中国光学,2016,01:155-166.

[8]牟志超,郑子文,王贵林.确定性球形抛光工具的加工特点和去除能力研究[J].航空精密制造技术,2011,03:12-15+27.

[9]Yang M Y,Lee H C,“Local material removal mechanism consideringcurvature effect in the polishing process of the small aspherical lens die,”Journal of Materials Processing Technology,116(2),298-304(2001).

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种轮式抛光装置，在保证加工精度的同时提高加工效率，降低加工成本。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种轮式抛光装置，包括安装法兰，所述安装法兰上安装有支架，所述支架的上部安装有驱动电机，下部安装有长度调节装置，所述长度调节装置远离所述驱动电机的一端安装有可转动的弹性橡胶轮，一抛光带的一端和所述驱动电机的输出轴连接，另一端和所述弹性橡胶轮连接。

进一步的，所述长度调节装置包括用于调节长度的弹簧阻尼。

进一步的，所述弹性橡胶轮的内部为轴承，所述弹性橡胶轮的外表面包胶处理。

进一步的，所述抛光带的内表面为柔软布基层，所述抛光带的外表面粘贴了一圈聚氨酯抛光垫或柔软阻尼布。

进一步的，所述抛光垫的截面呈表面中心高、边缘低的圆弧形。

本发明的突出效果为：本发明提供了一种轮式抛光装置，具有高斯型去除函数，去处特性稳定，去除效率高，该装置采用传统磨削原理，成本低廉，可以广泛运用到光学元件抛光过程中。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是轮式抛光和传统抛光运动方式对比图；

图3是接触模型有限元模拟应力图；

图4是接触模型有限元模拟应力压力图；

图5是抛光时抛光轮和工件的接触区细节图；

图6是轮式接触有限元分析与赫兹理论对比图；

图7是本实施例激光干涉仪获取的轮式抛光去除实验采样分布图；

图8是本实施例轮式抛光后的样品表面形貌图；

图9是本实施例轮式抛光样品细节图；

图10是本实施例轮式抛光不同时间去除函数分布图；

图11是本实施例轮式抛光的线性去除特点图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本实施例的一种轮式抛光装置，包括安装法兰1，安装法兰1上安装有支架2，支架2的上部安装有驱动电机3，下部安装有长度调节装置4，长度调节装置4远离驱动电机3的一端安装有可转动的弹性橡胶轮5，抛光带6的一端和驱动电机3的输出轴连接，另一端和弹性橡胶轮5连接，负责将驱动电机3的动力传送至弹性橡胶轮5。其中，长度调节装置4包括用于调节长度的弹簧阻尼，长度调节装置4通过弹簧阻尼调节伸长量，使抛光带6紧绷，并且防止其脱落。弹性橡胶轮5的内部为轴承，弹性橡胶轮5的外表面包胶处理，以增加其弹性。抛光带6的内表面为柔软布基层，抛光带6的外表面粘贴了一圈聚氨酯抛光垫或柔软阻尼布。抛光垫的截面呈表面中心高、边缘低的圆弧形。

加工时，将待加工元件7放置在工作台上。待加工元件7选择了口径80mm的平面微晶玻璃，经过预加工后运用激光干涉仪检测初始面型误差PV：0.172λ，RMS：0.032λ，波长λ＝632.8nm(以下采用的波长均为632.8nm)。本实施例的轮式抛光装置通过安装法兰1安装在机器人末端，对机器人输入指令，首先控制轮式抛光装置移动至待加工元件7表面，使抛光带6与待加工元件7表面贴合，然后控制其下压，使弹性橡胶轮5压向待加工元件7，控制下压量为0.5mm，调节驱动电机的转速为200r/min，在弹性橡胶轮5压迫下抛光带6与待加工元件7表面接触部分发生形变，与待加工元件7表面紧密贴合，形成抛光接触区，将抛光液持续不断添加到此区域，驱动电机3通过带动抛光带6旋转，使抛光颗粒磨削待加工元件7，实现待加工元件7表面材料的去除。其中，抛光液采用氧化铈粒度0.5μm，浓度5％，通过循环泵持续不断添加到接触区。

通过进行定点抛光和环带抛光两种实验来验证其去除效率：(1)保证驱动电机转速和下压量不变，通过改变抛光驻留时间，对样品表面进行定点抛光。(2)保证电机转速和下压量不变，通过控制工件匀速旋转，对样品表面进行环带抛光。

Preston方程描述了光学表面材料去除量与各种工艺参数的关系，建立了材料去除量、压力和瞬时速度的数学模型。单位时间的材料去除量即去除函数R：

R＝dE/dt＝kPv (1)

其中E为材料去除量，比例常数k与加工过程有关，如温度、抛光颗粒等，P(x，y)表示(x，y)点的压强，V(x，y)为(x，y)点的瞬时相对速度。

轮式抛光去处机理和传统方式类似，都是运用旋转磨头作用在元件表面，带动抛光液中的研磨颗粒进行滚压运动，依靠产生的剪切力实现被加工表面的微量材料去除，使工件的形状、精度达到要求值。一般来讲研磨液颗粒很小(尺寸大约在几个微米不等)，材料去除速度慢，所以抛光阶段耗费时间长，加上传统抛光方式运动速度慢，更导致了加工周期长的问题。所以本实施例采用了轮式抛光方法，如图2所示为轮式抛光和传统抛光运动的对比。图2中左图为轮式抛光运动方式，右图为传统的行星式抛光运动方式。行星式抛光一般采用了带偏心的公转加自传运动方式，抛光盘自转(ω2)的同时绕公转轴旋转(ω3)，去除函数的形状取决于转速抛光盘公转和自转的转速比及偏心率[5]，它假设抛光盘与元件接触面各点压强相同即Preston方程中压力P为定值，而轮式抛光运动方式类似于轮胎旋转(ω2)，接触区速度相同，同样根据公式(1)去除函数的形状取决于接触面的压强分布P。

去除函数与接触面压力分布有关，但接触面压力分布数据难以通过实验获得，通过有限元分析方法运动计算机模拟获取了压力分布数据。建立图3所示的接触模型，接触轮在下压力F的作用下压向元件，分析结果显示接触表面中心附近应力值最大，图4显示了接触区的压力分布，中心处压强最大，越往外压强逐渐减小，且接触区压力分布等高线接近椭圆形。

如图5所示为抛光时抛光轮和工件的接触区细节图，计算机模拟的结果显示接触区分布呈矩形，压力等高线分布呈椭圆形。根据赫兹接触理论[8-9]：

P₀-磨头中心处的压强n为修正系数，F为法向作用力；

a，b-接触区域的长、短轴半径,其边界由确定。

将有限元分析的数据与赫兹接触公式计算得到的数据进行了对比，如图6所示：赫兹接触理论的结果基本符合计算机模拟的结果，因此得到其去除函数表达式：

综上所述轮式抛光的去除函数接近高斯曲线可以用来进行光学加工，压力分布决定了去除函数的形状，去除量和转速v呈正比，理论上转速越快去除效率越高。

如果仅将抛光轮直接接在电机的主轴上，当元件表面较平坦时抛光移动问题不大，如果待加工元件为曲率半径较小的凹面，抛光工具移动时电机距离表面太近可能与表面碰撞损坏工具。此外抛光轮直接装在电机上，作业时抛光液飞溅可能进入电机，引起电路短路等不必要的麻烦。

本实施例在玻璃表面选择了a,b,c,d,e,f,g,h 8个测试点进行定点抛光，如图7-8所示是激光干涉仪获取的面型数据和样品表面形貌图。测试点g、h是未经打磨的抛光带的去除特性，去除函数分布较乱，为了得到去除效果好的去除函数，将抛光带表面打磨成带有一定曲率的形状。a-f是以压深0.5mm进行的六次实验，抛光时间分别为10s,20s,30s,40s,50s,60s。测试结果表明去除函数接近椭圆形且比较均匀其深度有一定的规律性如图9，并且没有出现明显的高频特征，满足光学加工对去除函数的要求。在表面选择了中心环带i，对其进行环带抛光，工件转速5r/min,抛光时间120s，去除函数峰值0.0919λ。

实际抛光时工件旋转，此时沿短轴方向的去除函数(即沿图9短轴b方向)作用较大，分别提取了a-f采样点去除函数的短轴数据，图10显示了其高斯曲线特性。接触区短轴方向峰值去除率，a：0.0776λ，b:0.1738λ，c:0.2992λ，d：0.3612λ，e：0.4665λ，f：0.5153λ。去除率随抛光时间呈线性增长，如图11所示。

综上所述，可以得到以下结论：

1.对轮式抛光的去除函数模型进行了理论分析和实验测试，研究表明轮式抛光的去除函数基本稳定保持了椭圆形且短轴方向接近高斯曲线，峰值在中心处，这种去除特性有利于面型收敛；

2.对轮式抛光检测数据表明，对微晶玻璃的峰值去除率达到了0.5153λ/min，它具有去除函数平稳、抛光速度快、材料去除效率高的特点，验证了其去除函数与抛光时间的线性关系。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轮式抛光装置，其特征在于：包括安装法兰，所述安装法兰上安装有支架，所述支架的上部安装有驱动电机，下部安装有长度调节装置，所述长度调节装置远离所述驱动电机的一端安装有可转动的弹性橡胶轮，一抛光带的一端和所述驱动电机的输出轴连接，另一端和所述弹性橡胶轮连接。

2.根据权利要求1所述的一种轮式抛光装置，其特征在于：所述长度调节装置包括用于调节长度的弹簧阻尼。

3.根据权利要求1所述的一种轮式抛光装置，其特征在于：所述弹性橡胶轮的内部为轴承，所述弹性橡胶轮的外表面包胶处理。

4.根据权利要求1所述的一种轮式抛光装置，其特征在于：所述抛光带的内表面为柔软布基层，所述抛光带的外表面粘贴了一圈聚氨酯抛光垫或柔软阻尼布。

5.根据权利要求4所述的一种轮式抛光装置，其特征在于：所述抛光垫的截面呈表面中心高、边缘低的圆弧形。