CN108227104A - 光学元件柔性支撑结构高度修整系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统，包括基座；水平回转工作台，所述水平回转工作台的中心设有一个转轴，并可绕该转轴水平自转；支撑镜框，固定安装在所述水平回转工作台上，所述支撑镜框的中心位于所述转轴上；装有金刚石刀具的椭圆振动刀头，设置在一支撑运动机构上，可沿水平及垂直方向移动；所述多个柔性支撑结构通过固定平台固定设置在所述支撑镜框上，并相对于所述支撑镜框中心的圆周上均匀布置，且每个支撑面上对应相同的点位于同一圆上，圆心即为支撑镜框的中心；还包括一个控制系统，控制所述水平回转工作台及支撑运动机构的工作，可以实现低刚度光学元件柔性支撑结构支撑面的高度一致性的修整。

Description

光学元件柔性支撑结构高度修整系统及方法
技术领域
本发明涉及超精密机械加工领域，特别涉及一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统及方法。
背景技术
近些年来，越来越多的光学元件采用柔性元件作为支撑结构，与常规的刚性支撑结构相比，柔性支撑结构降低了刚性结构局部高点对光学元件面形的影响，保证了光学元件与支撑结构的充分接触，有利于光学元件在运输及使用过程中的面形稳定性，柔性支撑结构在光学元件支撑领域得到越来越广泛的应用。
而且，为了满足良好的光学系统成像性能，对柔性支撑结构与光学元件接触位置的加工质量提出了严格的要求，需满足接触处具有不高于10μm量级的高度一致性要求。而要满足上述要求，势必会增加柔性支撑结构的制造工艺难度和制造成本。
现有的光学元件柔性支撑结构在电火花线切割加工后，使得柔性结构内部存在的加工应力得到释放，引入较大的高度变形量，影响了光学元件的支撑效果。为了满足光学元件柔性支撑结构高度一致性要求，需要对柔性支撑结构进行超精密机械加工，而普通的机械加工方法产生较大的切削力，由于柔性支撑结构的刚度较低，很难实现柔性支撑结构的统一高度精密修整。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中光学元件柔性支撑结构高度很难进行精度修整的技术问题，提供一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统，实现对光学元件柔性支撑结构高度高精度修整。
本发明的实施例提供一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统，所述柔性支撑结构包括一个固定平台及一个设有支撑面的支撑部，所述支撑部设置在所述固定平台上，所述光学元件柔性支撑结构高度修整系统包括：
基座；
水平回转工作台，安装在所述基座上，所述水平回转工作台的中心设有一个转轴，并可绕该转轴水平自转；
支撑镜框，固定安装在所述水平回转工作台上，所述支撑镜框的中心位于所述转轴上，并随所述回转工作台一起水平自转；
装有金刚石刀具的椭圆振动刀头，设置在一支撑运动机构上，可沿水平及垂直方向移动；
所述多个柔性支撑结构通过固定平台固定设置在所述支撑镜框上，并相对于所述支撑镜框中心的圆周上均匀布置，每个柔性支撑结构的支撑面超向所述刀头，且每个支撑面上对应相同的点位于同一圆上，圆心即为支撑镜框的中心；
所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头，与所述其中一个支撑面相对设置
还包括一个控制系统，控制所述水平回转工作台及支撑运动机构的工作。
优选地，所述支撑运动机构包括：
两个相对设置的竖直支柱，所述竖直支柱设置在所述水平回转工作台的两侧；
架设在两个竖直支柱上的一个横向支柱；
水平运动块，设置在所述横向支柱上，并可沿所述横向支柱横向移动；
其中，所述水平运动块上设有一可竖向移动的竖直运动轴，所述竖直运动轴朝向所述支撑镜框的一端设有所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头；
所述控制系统控制水平运动块及竖直运动轴的工作。
优选地，所述水平回转工作台具有一个经金刚石精密车削加工过的支撑表面，所述支撑镜框固定设置在所述支撑表面上。
优选地，所述支撑镜框为环形结构，所述柔性支撑结构通过固定平台固定均布设置在环形结构的内侧边上。
优选地，所述固定平台上设有螺栓孔，所述支撑镜框上设有与所述螺栓孔相对应螺栓固定孔，固定平台通过螺栓固定连接在所述支撑镜框上。
优选地，所述支撑镜框具有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框固定设置在所述回转工作台上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
优选地，所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度为0.5μm，切削进给量为5μm/r。
本发明的实施例还提供一种光学元件柔性支撑结构高度修整方法，包括以下步骤：
步骤一、在一个基座上设置一个沿中心轴自转的水平回转工作台，并在水平回转工作台上固定设置一个沿所述中心轴自转的支撑镜框，支撑镜框的中心位于所述中心轴上，并相对于所述支撑镜框中心的圆周上均匀固定设置多个柔性支撑结构；
步骤二、根据预设程序，控制一个装有金刚石刀具的椭圆振动刀头定位在与其中一个柔性支撑结构的支撑面相对的位置；
步骤三、保持椭圆振动刀头位置不动，控制水平回转工作台沿所述中心轴自转一周，完成对均布在支撑镜框上的部分柔性支撑结构支撑面的精密切削加工，并控制所述椭圆振动刀头在竖直方向下降预设距离；
步骤四、重复步骤二及步骤三，直到全部柔性支撑结构的支撑面都被精密切削加工。
进一步地，在所述步骤一中：所述水平回转工作台设置有一个经金刚石精密车削加工过的支撑表面，所述支撑镜框设置有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框固定设置在所述回转工作台上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
进一步地，所述步骤二及所述步骤三中，所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度为0.5μm，切削进给量为5μm/r，在所述步骤三中，所述预设距离为0.5μm。
本发明的实施例提供的一种光学元件柔性支撑结构高度修整方法，由于采用了一个装有金刚石刀具的椭圆振动刀头对所述柔性支撑结构的支撑面进行小切削深度(约0.5μm)、小切削力(约0.1N)的切削加工，可以实现低刚度光学元件柔性支撑结构支撑面的高度一致性的修整。避免了传统机械加工方法引入的较大切削力造成的低刚度柔性支撑结构支撑面在加工过程中的变形及加工结束后的弹性恢复变形。
附图说明
图1为本发明的光学元件与柔性支撑结构的装配示意图；
图2为本发明的一种实施例的柔性支撑结构的结构示意图；
图3为本发明光学元件柔性支撑结构高度修整系统的结构示意图；
图4为本发明光学元件柔性支撑结构高度修整方法的流程图。
图中，1光学元件；2柔性支撑结构；3螺栓；4支撑镜框；5金刚石刀具；6水平运动块；7竖直运动轴；8横向支柱；9椭圆振动刀头；10竖直支柱；11水平回转工作台；12基座；21螺栓孔；22支撑面；23固定平台；24支撑部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图3所示，本发明的实施例提供一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统，所述柔性支撑结构包括一个固定平台23及一个设有支撑面22的支撑部24，结合图2所示，所述支撑部24设置在所述固定平台23上，所述光学元件柔性支撑结构高度修整系统包括一个基座12，设置在所述基座12上的水平回转工作台11，所述水平回转工作台11与所述基座12可转动连接。所述水平回转工作台11的中心处设有一个转轴(图中未示出)，该水平回转工作台11可绕所述转轴水平自转。所述光学元件柔性支撑结构高度修整系统还包括一个支撑镜框4，所述支撑镜框4固定安装在所述水平回转工作台11上，所述支撑镜框4的中心也位于所述转轴上，所述支撑镜框4随所述回转工作台11一起可水平自转。
所述光学元件柔性支撑结构高度修整系统还设有一个装有金刚石刀具5的椭圆振动刀头9，所述金刚石刀具5设置在椭圆振动刀头9的一侧并伸出所述刀头，金刚石刀具5可以实现对柔性支撑结构2的支撑面22的切削加工。所述椭圆振动刀头9设置在一支撑运动机构上，在所述支撑运动机构的带动下，所述椭圆振动刀头9可沿水平方向及垂直方向移动。
结合图1及图2所示，本实施例中，多个柔性支撑结构2通过固定平台23固定设置在所述支撑镜框4上，并相对于所述支撑镜框4中心的圆周上均匀布置，每个柔性支撑结构2的支撑面22朝向所述椭圆振动刀头9，且每个支撑面22上对应相同的点位于同一圆上，圆心即为支撑镜框4的中心。本实施例中所述的装有金刚石刀具5的椭圆振动刀头9与所述其中一个柔性支撑结构2的支撑面22相对设置，从而可以实现控制所述金刚石刀具5对所述柔性支撑结构的支撑面的精密切加工。
本发明的光学元件柔性支撑结构高度修整系统还包括一个控制系统(图中未示出)，所述控制系统能够控制所述水平回转工作台的自转，以及控制所述支撑运动机构的工作。
如图2所示，进一步地，上述实施例中所述的柔性支撑结构2的固定平台23上设置有螺栓孔21，所述螺栓孔21可以设置为一个或多个，当然螺栓孔设置的越多，所述固定平台被固定在所述支撑镜框4上的稳固性就越好。所述支撑镜框4上设有与所述螺栓孔21相对应螺栓固定孔，固定平台23通过螺栓3固定连接在所述支撑镜框4上
如图1所示，图1示出了所述柔性支撑结构2与光学元件1的装配位置关系图，首先将多个柔性支撑结构2通过连接螺栓3固定于支撑镜框4的上方，所述柔性支撑结构2在相对于支撑镜框4的中心形成的圆周上均匀布置，然后将光学转件1放置在柔性支撑结构2上，柔性支撑结构2的支撑面22通过胶结方式与所述光学元件1连接。
进一步地，本实施例中所述支撑运动机构包括两个相对设置的竖直支柱10，所述竖直支柱10设置在所述水平回转工作台11的两侧；还包括一个横向支柱8，所述横向支柱8架设在所述两个竖直支柱10上。还包括一个水平运动块6，所述水平运动块6设置在所述横向支柱8上，并可沿所述横向支柱8横向移动，这里的移动方向可以定义为X方向；所述水平运动块上设有一个可以竖向移动的竖直运动轴7，这里的移动方向定义为Y方向，所述竖直运动轴7朝向所述支撑镜框4的一端设有所述的装有金刚石刀具5的椭圆振动刀头9。
所述控制系统可控制水平运动块及竖直运动轴的工作，控制水平运动块沿着X方向来回移动，控制竖直运动轴沿着Y轴方向来回移动，通过控制X方向及Y方向的移动距离可以精确定位椭圆振动刀头9的起始工作位置。
更进一步地，结合图1所示，本实施例中所述的支撑镜框4为环形结构，所述柔性支撑结构2通过固定平台23固定均布设置在环形结构的内侧边上，当然可以固定均布设置在所述环形结构的外侧边上，所述每个支撑镜框4上设置的柔性支撑结构2的个数可以为4个、6个、8个、……，个数越多对所述光学元件的支撑稳固性越好，但也要考虑对每个柔性支撑结构2的支撑面22的高度修整的复杂性，本实施例中所述柔性支撑结构2优选设置为8个。
为了能够进一步减小光学元件柔性支撑结构高度修整系统中的部件对支撑结构支撑面的高度修整误差，本实施中所述的水平回转工作台11具有一个经金刚石精密车削加工过的高质量的支撑表面，所述支撑镜框4固定设置在所述支撑表面上，同时，所述支撑镜框4具有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框4固定设置在所述回转工作台11上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
上述实施例中所述的装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度为优选设为0.5μm，切削进给量优选设置为5μm/r。
结合图4所示，本发明的实施例还提供一种光学元件柔性支撑结构高度的修整方法，包括以下步骤：
步骤一、在一个基座12上设置一个沿中心轴自转的水平回转工作台11，并在水平回转工作台11上固定设置一个沿所述中心轴自转的支撑镜框4，支撑镜框4的中心位于所述中心轴上，并相对于所述支撑镜框4中心的圆周上均匀固定设置多个柔性支撑结构2；
该步骤可以通过一个传统的立体结构加工机床实现，在所述机床基座的回转台上固定所述的支撑镜框4并在支撑镜框4上设置多个柔性支撑结构。
步骤二、根据光学元件柔性支撑结构2支撑面22的结构形式，如平面、锥面、曲面等，依据不同支撑面横截面轮廓方程在所述控制系统中编制水平运动轴块(X方向)及竖直运动轴(Y方向)的运动控制程序。并控制所述水平运动轴块(X方向)及竖直运动轴工作，带动竖直运动轴7上的装有金刚石刀具5的椭圆振动刀头9定位在与其中一个柔性支撑结构2的支撑面22相对应的位置。
步骤三、保持椭圆振动刀头9的位置不动，随后控制驱动所述水平回转工作台11匀转速运动，带动所述支撑镜框4匀转速回转，装有金刚石刀具5的椭圆振动刀头9按照上述编制的运动控制程序实现对柔性支撑结构2支撑面22几何结构的精密切削加工。本步骤中，由于多个柔性支撑结构2支撑面22的初始装配高低差较大，水平回转工作台沿所述中心轴自转一周，完成一个周期的加工后只有部分柔性支撑结构2的支撑面22被金刚石刀具5切削，因此需要进入下一个步骤。
步骤四、重复步骤二及步骤三，直到全部柔性支撑结构的支撑面都被精密切削加工。在这个步骤中，可能需要进行两个周期或多个周期的切削加工。
在进行步骤四之前，需要通过控制所述竖直运动轴7的运动控制所述椭圆振动刀头9在竖直方向下降预设距离。这里所述的预设距离为0.5μm。
进一步地，为了进一步减小在系统工作过程中的精度误差，在所述步骤一中：所述水平回转工作台设置有一个经金刚石精密车削加工过的高精度支撑表面，所述支撑镜框设置有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框固定设置在所述回转工作台上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
更进一步地，所述步骤二及所述步骤三中，所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度优选设置为0.5μm，切削进给量优选设置为5μm/r。
本发明将小切削深度(约0.5μm)、小切削力(约0.1N)的椭圆振动金刚石切削方法与简易的立式车削过程相结合，实现低刚度光学元件柔性支撑结构支撑面的高度一致性修整。避免了传统机械加工方法引入的较大切削力造成的低刚度柔性支撑结构支撑面在加工过程中的变形及加工结束后的弹性恢复变形。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种光学元件柔性支撑结构高度修整系统，所述柔性支撑结构包括一个固定平台及一个设有支撑面的支撑部，所述支撑部设置在所述固定平台上，其特征在于：所述光学元件柔性支撑结构高度修整系统包括：
基座；
水平回转工作台，安装在所述基座上，所述水平回转工作台的中心设有一个转轴，并可绕该转轴水平自转；
支撑镜框，固定安装在所述水平回转工作台上，所述支撑镜框的中心位于所述转轴上，并随所述回转工作台一起水平自转；
装有金刚石刀具的椭圆振动刀头，设置在一支撑运动机构上，可沿水平及垂直方向移动；
所述多个柔性支撑结构通过固定平台固定设置在所述支撑镜框上，并相对于所述支撑镜框中心的圆周上均匀布置，每个柔性支撑结构的支撑面超向所述刀头，且每个支撑面上对应相同的点位于同一圆上，圆心即为支撑镜框的中心；
所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头，与所述其中一个支撑面相对设置
还包括一个控制系统，控制所述水平回转工作台及支撑运动机构的工作。
2.根据权利要求1所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述支撑运动机构包括：
两个相对设置的竖直支柱，所述竖直支柱设置在所述水平回转工作台的两侧；
架设在两个竖直支柱上的一个横向支柱；
水平运动块，设置在所述横向支柱上，并可沿所述横向支柱横向移动；
其中，所述水平运动块上设有一可竖向移动的竖直运动轴，所述竖直运动轴朝向所述支撑镜框的一端设有所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头；
所述控制系统控制水平运动块及竖直运动轴的工作。
3.根据权利要求1所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述水平回转工作台具有一个经金刚石精密车削加工过的支撑表面，所述支撑镜框固定设置在所述支撑表面上。
4.根据权利要求3所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述支撑镜框为环形结构，所述柔性支撑结构通过固定平台固定均布设置在环形结构的内侧边上。
5.根据权利要求1所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述固定平台上设有螺栓孔，所述支撑镜框上设有与所述螺栓孔相对应螺栓固定孔，固定平台通过螺栓固定连接在所述支撑镜框上。
6.根据权利要求3所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述支撑镜框具有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框固定设置在所述回转工作台上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
7.根据权利要求1所述的光学元件柔性支撑结构高度修整系统，其特征在于：所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度为0.5μm，切削进给量为5μm/r。
8.一种光学元件柔性支撑结构高度修整方法，其特征在：包括以下步骤：
步骤一、在一个基座上设置一个沿中心轴自转的水平回转工作台，并在水平回转工作台上固定设置一个沿所述中心轴自转的支撑镜框，支撑镜框的中心位于所述中心轴上，并相对于所述支撑镜框中心的圆周上均匀固定设置多个柔性支撑结构；
步骤二、根据预设程序，控制一个装有金刚石刀具的椭圆振动刀头定位在与其中一个柔性支撑结构的支撑面相对的位置；
步骤三、保持椭圆振动刀头位置不动，控制水平回转工作台沿所述中心轴自转一周，完成对均布在支撑镜框上的部分柔性支撑结构支撑面的精密切削加工，并控制所述椭圆振动刀头在竖直方向下降预设距离；
步骤四、重复步骤二及步骤三，直到全部柔性支撑结构的支撑面都被精密切削加工。
9.根据权利要求8所述的光学元件柔性支撑结构高度修整方法，其特征在：在所述步骤一中：
所述水平回转工作台设置有一个经金刚石精密车削加工过的支撑表面，所述支撑镜框设置有一个通过研磨方式获得的平面度为μm量级的下表面，所述支撑镜框固定设置在所述回转工作台上时，所述下表面与所述支撑表面相贴合。
10.根据权利要求9所述的光学元件柔性支撑结构高度修整方法，其特征在：所述步骤二及所述步骤三中，所述装有金刚石刀具的椭圆振动刀头工作时的切削深度为0.5μm，切削进给量为5μm/r，在所述步骤三中，所述预设距离为0.5μm。
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