CN108188864B - 一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法 - Google Patents

一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法，采用闭环控制和迭代加工原理，该系统包括二维定位运动模块、压力控制模块和速度位置伺服模块；二维定位运动模块包括主轴转台、三角支架、连杆、主电动缸、辅电动缸、小磨头、直线导轨和圆弧导轨；压力控制模块包括气缸、空气压缩机和节流阀；速度位置伺服模块包括电脑、控制卡和驱动器；本发明采用现代检测技术获取准确的面形数据作为反馈，不断地调整加工参数直至面形收敛，实现了闭环控制；该过程降低了对加工者经验的依赖性，完全由计算机进行控制；该系统和方法能实现非球面光学元件的微米级精度抛光，且表面粗糙度达到亚微米级。

Description

一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法
技术领域
本发明属于自动化抛光领域，尤其涉及一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法。
背景技术
现代光学系统相对于传统的光学系统具有精密化、紧凑化、批量化、性价比高的特点。非球面光学元件能校正球差、慧差、畸变、像散，从而提高光学系统的成像质量，同时还可以减轻仪器重量、缩小尺寸，降低生产成本，整体改善光学系统的性能，从而充分满足军用光电仪器的特殊要求，使其在军用光电系统中的应用愈来愈广泛，大量使用非球面光学元件成为光学系统发展的主流趋势。
因此实现非球面的高效率、高精度、高质量抛光成为主流的研究方向。其中有两种比较典型的方法及系统。一种是非接触式抛光系统，如磁流变抛光、离子束抛光等，其优点是去除函数稳定，加工精度高，表面质量好。但这些系统存在制造成本高、环境要求严苛、加工效率低等缺点，所以不适合于应用于大口径光学元件的加工以及工厂的批量化加工。
另一种是接触式抛光系统，如化学机械抛光、气囊抛光等。这些系统因制造成本低、几乎适用于加工任何材料等优点而被广泛应用于中小型企业。但其加工效率、精度、表面质量严重依赖于工人师傅的经验。
发明内容
本发明为了克服现有化学机械抛光系统的加工效率、精度等难以保证等不足，提出一种基于闭环控制、迭代加工原理的自动化抛光系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非球面光学元件自动化抛光系统，该系统包括二维定位运动模块、压力控制模块和速度位置伺服模块；其中，所述二维定位运动模块包括主轴转台、三角支架、连杆、主电动缸、辅电动缸、小磨头、直线导轨和圆弧导轨；所述压力控制模块包括气缸、空气压缩机和节流阀；所述速度位置伺服模块包括电脑、控制卡和驱动器；
待加工非球面工件固定在主轴转台上，主轴转台设置在机床床身的上表面，主轴转台能够绕Z轴做高精度回转运动；所述连杆的一端、辅电动缸的一端和圆弧导轨均固定在机床床身上；所述连杆的另一端和辅电动缸的另一端通过球铰相连，且只能沿圆弧导轨运动；所述连杆和辅电动缸在同一个平面内；
所述三角支架固定在连杆上；所述主电动缸固定在三角支架上；所述小磨头通过套筒与主电动缸的伸出杆相连；所述直线导轨固定在主电动缸两侧侧壁，通过直线导轨限制小磨头只能直线运动，防止小磨头翻转；
所述气缸一端固定于机床床身的侧壁，出杆端连接于三角支架末端；所述空气压缩机出气端与节流阀相连，节流阀通过气管与气缸输入端连接；所述空气压缩机通过节流阀调整压力输出到气缸；所述气缸通过杠杆原理将力传递到小磨头，小磨头通过气缸的压力对待加工非球面工件进行抛光；
所述电脑、控制卡、驱动器依次相连，所述驱动器通过脉冲信号控制主电动缸和辅电动缸的位移和速度；
所述主电动缸、辅电动缸通过直线插补、圆弧插补运动形式协同运动，从而带动小磨头的复杂轨迹运动。
进一步地，所述圆弧导轨的圆弧半径r为781mm，圆弧弧度θ为±7.35°，从而保证所述小磨头运动范围达到Ф200mm。
进一步地，所述主电动缸行程为600mm，速度为0～250mm/s；辅电动缸行程为200mm，速度为0～250mm/s；主电动缸和辅电动缸的定位精度均为0.01mm。
进一步地，所述气缸的内径为Ф40mm，供压范围为0～0.7MPa。
进一步地，所述控制卡采用研华的PCI-1220U系列，它是一款2轴通用PCI步进/脉冲型伺服电机控制卡，支持运动控制与差补功能，其脉冲输出频率为4MMPS，支持直线插补和圆弧插补。
进一步地，所述驱动器采用台达ASDA-B2系列伺服驱动器，其主回路控制方式为SVPWM控制，电子齿轮比为1/50～25600。
一种非球面光学元件自动化抛光方法，该方法包括以下步骤：
1)将待加工非球面工件固定在主轴转台上；
2)通过测量仪器测得工件的实际面型，将实际面型与理论面型之差作为本次加工的材料去除函数分布ΔZ，并输入到电脑；
3)电脑根据材料去除函数分布ΔZ确定抛光参数，同时结合驻留时间算法和轨迹规划算法确定每个轨迹点的驻留时间，接着生成主电动缸、辅电动缸的插补运动控制指令；
4)控制卡分别将控制指令通过脉冲信号发送给驱动器，驱动器对位置脉冲和速度脉冲进行放大，驱动主电动缸、辅电动缸按照指定的速度和位置运动；同时驱动器返回给控制卡实时位置和速度，达到高精度的位置和速度的闭环控制；
5)本次加工完成后，再通过测量设备获得待加工非球面工件的实际面型，输入到电脑，电脑计算面型残余误差，如果残余误差小于指定的加工精度，则停止加工，否则继续循环上述过程。
进一步地，所述步骤3)中，所述驻留时间算法采用离散矩阵法，所述轨迹规划算法采用最低加工精度确定法(如加工精度要求为3μm，则残余误差大于3μm的区间为加工区域，其他区域不加工)。
本发明相对于现有技术的有益效果为：采用现代检测技术获取准确的面形数据作为反馈，不断地调整加工参数直至面形收敛，实现了闭环控制。相对于磁流变抛光、离子束抛光等方法，虽然面型精度只能达到μm级，但设备制造成本低，且该过程降低了对加工者经验的依赖性，完全由计算机进行控制，适用于企业的批量化生产。
附图说明
图1是非球面光学元件自动化抛光系统俯视图；
图2是非球面光学元件自动化抛光系统左视图；
图3是非球面光学元件自动化抛光方法原理图；
图4是非球面光学元件自动化抛光方法流程图；
图5是抛光前后同一个工件的面型误差图；
图中，待加工非球面工件1、主轴转台2、直线导轨3、三角支架4、连杆5、主电动缸6、圆弧导轨7、辅电动缸8、电脑9、空气压缩机10、节流阀11、气缸12、小磨头13、控制卡14、驱动器15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
如图1、2所示，本发明提出的一种非球面光学元件自动化抛光系统，该系统包括二维定位运动模块、压力控制模块和速度位置伺服模块；其中，所述二维定位运动模块包括主轴转台2、三角支架4、连杆5、主电动缸6、辅电动缸8、小磨头13、直线导轨3和圆弧导轨7；所述压力控制模块包括气缸12、空气压缩机10和节流阀11；所述速度位置伺服模块包括电脑9、控制卡14和驱动器15；
待加工非球面工件1固定在主轴转台2上，主轴转台2设置在机床床身的上表面，主轴转台2能够绕Z轴做高精度回转运动；所述连杆5的一端、辅电动缸8的一端和圆弧导轨7均固定在机床床身上；所述连杆5的另一端和辅电动缸8的另一端通过球铰相连，且只能沿圆弧导轨7运动；所述连杆5和辅电动缸8在同一个平面内；
所述三角支架4螺母固定在连杆5上；所述主电动缸6通过前后端螺母固定在三角支架4上；所述小磨头13通过套筒与主电动缸6的伸出杆相连；所述直线导轨3固定在主电动缸6两侧侧壁，通过直线导轨3限制小磨头13只能直线运动，防止小磨头13翻转；
所述气缸12一端固定于机床床身的侧壁，出杆端连接于三角支架4末端；所述空气压缩机10出气端与节流阀11相连，节流阀11通过气管与气缸12输入端连接；所述空气压缩机10通过节流阀11调整压力输出到气缸12；所述气缸12通过杠杆原理将力传递到小磨头13，小磨头13通过气缸12的压力对待加工非球面工件1进行抛光；
所述电脑9、控制卡14、驱动器15依次相连，所述驱动器15通过脉冲信号控制主电动缸6和辅电动缸8的位移和速度；
所述主电动缸6、辅电动缸8通过直线插补、圆弧插补运动形式协同运动，从而带动小磨头13的复杂轨迹运动。
进一步地，所述圆弧导轨7的圆弧半径r为781mm，圆弧弧度θ为±7.35°，从而保证所述小磨头13运动范围达到Ф200mm。
进一步地，所述主电动缸6行程为600mm，速度为0～250mm/s；辅电动缸8行程为200mm，速度为0～250mm/s；主电动缸6和辅电动缸8的定位精度均为0.01mm。
进一步地，所述气缸12的内径为Ф40mm，供压范围为0～0.7MPa。
进一步地，所述控制卡14采用研华的PCI-1220U系列，它是一款2轴通用PCI步进/脉冲型伺服电机控制卡，支持运动控制与差补功能，其脉冲输出频率为4MMPS，支持直线插补和圆弧插补等。
进一步地，所述驱动器15采用台达ASDA-B2系列伺服驱动器，其主回路控制方式为SVPWM控制，电子齿轮比为1/50～25600。
一种非球面光学元件自动化抛光方法，该方法包括以下步骤：
1)将待加工非球面工件(1)固定在主轴转台(2)上；
2)通过测量仪器测得工件的实际面型，将实际面型与理论面型之差作为本次加工的材料去除函数分布ΔZ，并输入到电脑(9)；
3)电脑(9)根据材料去除函数分布ΔZ确定抛光参数，同时结合驻留时间算法和轨迹规划算法确定每个轨迹点的驻留时间，接着生成主电动缸(6)、辅电动缸(8)的插补运动控制指令；
4)控制卡(14)分别将控制指令通过脉冲信号发送给驱动器(15)，驱动器(15)对位置脉冲和速度脉冲进行放大，驱动主电动缸(6)、辅电动缸(8)按照指定的速度和位置运动；同时驱动器(15)返回给控制卡(14)实时位置和速度，达到高精度的位置和速度的闭环控制；
5)本次加工完成后，再通过测量设备获得待加工非球面工件(1)的实际面型，输入到电脑(9)，电脑(9)计算面型残余误差，如果残余误差小于指定的加工精度，则停止加工，否则继续循环上述过程。
进一步地，所述步骤3)中，所述驻留时间算法采用离散矩阵法，所述轨迹规划算法采用最低加工精度确定法(如加工精度要求为3μm，则残余误差大于3μm的区间为加工区域，其他区域不加工)。
实施例
以上述系统及方法对某K9非球面玻璃进行抛光，其直径为95mm，顶点半径为197.1mm，K值为-2.356(凸双曲面)。加工参数如下：Ф12mm的金刚石小磨头，粒度为W5；压强0.1MPa；工件转速80rpm；抛光液流速30ml/min。首先根据测量设备所得到的面型残余误差确定驻留时间和抛光轨迹，然后将非球面工件固定在主轴回转平台上，接着根据轨迹算法将小磨头运动到指定位置，之后气缸以指定的压力将小磨头作用于工件表面，最后启动主轴回转。小磨头在主、辅电动缸的速度控制下按照指定的驻留时间抛光，同时在主、辅电动缸的位置控制下按照特定的轨迹运动。本次加工完成后，再通过测量设备获得面型残余误差。如果残余误差小于我们指定的加工精度，则停止继续加工。否则继续循环上述过程。
最终经过13次加工，面型误差由最初的21μm收敛到小于6μm，如图5所示。整个加工用时约4小时20分钟，表面粗糙度达到36nm。本发明适用于对非球面进行微米级精度的加工，具有较高的效率以及表面质量，且不依赖于工人师傅的经验。

Claims (7)

1.一种非球面光学元件自动化抛光方法，其特征在于，该方法在非球面光学元件自动化抛光系统上实现，所述非球面光学元件自动化抛光系统包括二维定位运动模块、压力控制模块和速度位置伺服模块；其中，所述二维定位运动模块包括主轴转台(2)、三角支架(4)、连杆(5)、主电动缸(6)、辅电动缸(8)、小磨头(13)、直线导轨(3)和圆弧导轨(7)；所述压力控制模块包括气缸(12)、空气压缩机(10)和节流阀(11)；所述速度位置伺服模块包括电脑(9)、控制卡(14)和驱动器(15)；
待加工非球面工件(1)固定在主轴转台(2)上，主轴转台(2)设置在机床床身的上表面，主轴转台(2)能够绕Z轴做高精度回转运动；所述连杆(5)的一端、辅电动缸(8)的一端和圆弧导轨(7)均固定在机床床身上；所述连杆(5)的另一端和辅电动缸(8)的另一端通过球铰相连，且只能沿圆弧导轨(7)运动；所述连杆(5)和辅电动缸(8)在同一个平面内；
所述三角支架(4)固定在连杆(5)上；所述主电动缸(6)固定在三角支架(4)上；所述小磨头(13)通过套筒与主电动缸(6)的伸出杆相连；所述直线导轨(3)固定在主电动缸(6)两侧侧壁，通过直线导轨(3)限制小磨头(13)只能直线运动，防止小磨头(13)翻转；
所述气缸(12)一端固定于机床床身的侧壁，出杆端连接于三角支架(4)末端；所述空气压缩机(10)出气端与节流阀(11)相连，节流阀(11)通过气管与气缸(12)输入端连接；所述空气压缩机(10)通过节流阀(11)调整压力输出到气缸(12)；所述气缸(12)通过杠杆原理将力传递到小磨头(13)，小磨头(13)通过气缸(12)的压力对待加工非球面工件(1)进行抛光；
所述电脑(9)、控制卡(14)、驱动器(15)依次相连，所述驱动器(15)通过脉冲信号控制主电动缸(6)和辅电动缸(8)的位移和速度；
所述主电动缸(6)、辅电动缸(8)通过直线插补、圆弧插补运动形式协同运动，从而带动小磨头(13)的复杂轨迹运动；
该方法包括以下步骤：
1)将待加工非球面工件(1)固定在主轴转台(2)上；
2)通过测量仪器测得工件的实际面型，将实际面型与理论面型之差作为本次加工的材料去除函数分布ΔZ，并输入到电脑(9)；
3)电脑(9)根据材料去除函数分布ΔZ确定抛光参数，同时结合驻留时间算法和轨迹规划算法确定每个轨迹点的驻留时间，接着生成主电动缸(6)、辅电动缸(8)的插补运动控制指令；
4)控制卡(14)分别将控制指令通过脉冲信号发送给驱动器(15)，驱动器(15)对位置脉冲和速度脉冲进行放大，驱动主电动缸(6)、辅电动缸(8)按照指定的速度和位置运动；同时驱动器(15)返回给控制卡(14)实时位置和速度，达到高精度的位置和速度的闭环控制；
5)本次加工完成后，再通过测量设备获得待加工非球面工件(1)的实际面型，输入到电脑(9)，电脑(9)计算面型残余误差，如果残余误差小于指定的加工精度，则停止加工，否则继续循环上述过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述驻留时间算法采用离散矩阵法，所述轨迹规划算法采用最低加工精度确定法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆弧导轨(7)的圆弧半径r为781mm，圆弧弧度θ为±7.35°，从而保证所述小磨头(13)运动范围达到Ф200mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主电动缸(6)行程为600mm，速度为0～250mm/s；辅电动缸(8)行程为200mm，速度为0～250mm/s；主电动缸(6)和辅电动缸(8)的定位精度均为0.01mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气缸(12)的内径为Ф40mm，供压范围为0～0.7MPa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制卡(14)采用研华的PCI-1220U系列，其为2轴通用PCI步进/脉冲型伺服电机控制卡，支持运动控制与差补功能，其脉冲输出频率为4MPPS，支持直线插补和圆弧插补。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动器(15)采用台达ASDA-B2系列伺服驱动器，其主回路控制方式为SVPWM控制，电子齿轮比为1/50～25600。
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