CN108311960B - 一种光学自由曲面的抛光装置及方法 - Google Patents

一种光学自由曲面的抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种光学自由曲面的抛光装置及方法属于光学制造领域，该振动抛光装置包括振动抛光头、控制系统、PC机、五轴数控平台、抛光压力控制机构。控制系统、PC机分别位于可移动工作台上下方，控制系统中的驱动器与振动抛光头连接，数控系统与五轴数控平台通信，控制器与抛光压力控制机构连接；PC机与控制系统连接，对抛光参数设定后传至控制系统，控制整个抛光装置；抛光压力控制机构中的微位移驱动器件与抛光头连接。本发明采用振动辅助抛光方式，针对连续表面如轴对称和离轴非球面，可以同时实现对抛光头振动方式、抛光轨迹以及抛光压力的实时精确控制，能够达到亚微米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度，抛光装置具有系统集成、体积小，移动方便等优点。

Description

一种光学自由曲面的抛光装置及方法
技术领域
本发明属于光学制造领域，涉及一种光学自由曲面的抛光装置及方法。
背景技术
光学自由曲面是一类特殊的自由曲面，由于其全新的光学设计理念，能最大限度地改善光学系统性能，如校正像差、改善像质、扩大视场等，同时可以优化光学系统，如减轻重量，缩小体积，降低成本等，是新一代光学系统的核心关键器件(Fang FZ,Zhang XD,Weckenmann A,Zhang GX,Evans C.Manufacturing and measurement of freeformoptics.CIRP Annals 2013；62:823-846.)。
对于光学自由曲面的制造一种办法是直接加工，一种办法是通过模具进行复制。通过模具进行复制的办法可以获得更高的效率以及产品稳定性，从而有效的满足实际需要。成型所用模具需要满足在高温下具有优良的热强度、热稳定及热疲劳等性能，一般由具有高强度，高硬度，高脆性的硬质合金制成，例如碳化钨(WC)，碳化硅(SiC)或者化学镀镍磷合金(NiP)等。
由于光学自由曲面需要具有微米甚至亚微米级的加工精度和纳米甚至亚纳米级的表面粗糙度，为了获得高质量的表面，一般是采用超精密机床对模具进行切削或磨削加工。这两种方法虽然可以有效提高模具形状精度以及加工效率，但是由于切削或磨削会造成表面及亚表面损伤，使加工后的表面留有周期性的划痕，这些损伤和划痕会随着成型过程被复制到光学元件表面从而导致降低光学性能(例如损伤降低了光学元件的表面质量，周期性的划痕会造成光学元件在使用过程中发生衍射效应)。随着实际应用中对微小型光学元件光学性能要求的不断提高，目前的加工方法逐渐变得很难满足这种实际需求。
在这种情况下，一个附加的抛光工序变得必不可少。在抛光过程中，由于材料被以弹性或塑性方式去除，由切削或磨削加工导致的表面和亚表面损伤以及周期性划痕将会被消除，得到具有良好表面质量(低表面粗糙度和几乎无亚表面损伤)的模具。另外，通过有效控制材料去除率，模具表面的形状精度也可以得到进一步提高。然而，随着光学器件的尺寸越变越小，尤其是凹面面形，抛光过程变得越来越难进行，从而使得微小光学自由曲面的抛光成为材料加工领域亟待解决的课题之一。目前，虽然磁流变抛光方法已用于自由曲面的抛光，但对于微小尺寸且复杂形貌的表面依旧比较困难。(一种模具自由曲面的磁流变抛光方法，申请(专利)号：CN201010573053.4)。因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的光学自由曲面的抛光方法。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种微小光学自由曲面的振动抛光装置及方法，以制造出具有亚微米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度的高质量光学表面。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微小光学自由曲面的振动抛光装置，该振动抛光装置包括振动抛光头1、微小光学自由曲面3、控制系统5、PC机6、五轴数控平台7、抛光压力控制机构8。
所述的控制系统5位于可移动工作台4上方，包括驱动器、数控系统、控制器；驱动器与振动抛光头1连接，用于对振动抛光头施加振动信号；数控系统与五轴数控平台7连接进行通信，用于驱动五轴数控平台7；控制器与抛光压力控制机构8连接，用于实现对抛光压力控制机构的闭环控制。
所述的PC机6位于可移动工作台4上方，与控制系统5连接，PC机6对抛光参数进行设定后传送至控制系统5，通过控制系统5驱动控制整个抛光装置。
所述的振动抛光头1由能够产生高频振动的压电陶瓷材料或超磁滞伸缩材料制成。振动抛光头1可以是非对称结构，能够更有效的适合具有微结构光学模具的抛光，且振动抛光头1能够生成二维(2D)振动轨迹，有效降低模具的表面粗糙度，采用游离磨粒的供给方式能够最终达到亚纳米级表面粗糙度。
所述的五轴数控平台7能够满足任意自由曲面抛光的需要，位于可移动工作台4上方，包括X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴。其中，X、Y、Z各轴移动范围分别为不小于20mm、20mm、10mm，分辨率均为0.1μm。B轴角度旋转范围为±90゜，分辨率为0.001゜；C轴的转速范围在每分钟20-200转。
所述的抛光压力控制机构8中的微位移驱动器件与抛光头1连接，抛光头1垂直设置，并与微小光学自由曲面3接触，微位移驱动器件通过对竖直方向抛光头1位置的微米级改变来实现对抛光压力的微小调整。抛光压力控制机构8通过其内部的微位移驱动器件与力传感器的有效结合，以及闭环反馈控制实现对抛光压力的精确控制。
所述的振动抛光装置还可以添加抛光液2，配合振动抛光头1的振动抛光。
采用上述振动抛光装置对光学自由曲面进行振动抛光的方法，该振动抛光方法针对口径尺寸在几毫米到几十毫米的微小型光学自由曲面，该微小型光学自由曲面具有连续表面-轴对称和离轴非球面，尤其是凹面且倾斜角大的面形进行加工，可以实现在小范围内对加工材料进行高效去除并获得超光滑表面。具体包括以下步骤：
第一步，根据自由曲面面形计算抛光头抛光轨迹和抛光头面形修复的停留时间。
第二步，结合抛光装置结构设定抛光起始点，选择抛光头振动方式和设定抛光压力。
第三步，进行抛光实验，其中抛光方式分为以下三种，三种方式均通过对抛光压力和停留时间的准确控制实现材料去除量的准确控制，三种方式具体为：
(1)利用五轴数控平台7的B轴和C轴对微小光学自由曲面3进行摆动(tilting)，使振动抛光头1位于微小光学自由曲面3的法向量方向。抛光过程中抛光压力F保持恒定。
(2)利用振动抛光头1的轮廓接触微小光学自由曲面3，判断振动抛光头1与自由曲面3的接触位置，抛光压力根据接触点的斜率变化进行调整。对振动抛光头1的轮廓精度要求高。优点是可以减少抛光头磨损对材料去除率的影响。
(3)有效结合方式(1)和(2)实现对对凹面且倾斜角大的面形的抛光。
第四步，完成抛光实验，测量自由曲面面形和粗糙度；结束。
本发明的有益效果为：
本发明提供的桌面型振动抛光装置具有五个自由度，具有系统集成、体积小，移动方便等优点。本发明采用的振动辅助抛光方式，针对口径尺寸在几毫米到几十毫米的微小型光学自由曲面(针对连续表面-轴对称和离轴非球面)，可以同时实现对抛光头振动方式，抛光轨迹以及抛光压力的实时精确控制，能够达到亚微米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度，从而可以有效满足口径1-10mm、最大倾斜角为70度的微小非球面光学模具的抛光需求。
附图说明
图1为自由曲面抛光示意图；F表示抛光压力；
图2为工件摆动抛光方式图；A为接触点的切向量；
图3为抛光头移动抛光方式图；
图4为振动抛光装置示意图；
图5为振动抛光装置的系统控制原理图；
图中：1振动抛光头；2抛光液；3微小光学自由曲面；4可移动工作台；5控制系统；6PC机；7五轴数控平台；8抛光压力控制机构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
一种微小光学自由曲面的振动抛光装置，该振动抛光装置包括振动抛光头1、微小光学自由曲面3、控制系统5、PC机6、五轴数控平台7、抛光压力控制机构8。
控制系统5位于可移动工作台4上方，包括驱动器、数控系统、控制器；驱动器与振动抛光头1连接，数控系统与五轴数控平台7连接进行通信，控制器与抛光压力控制机构8连接。PC机6位于可移动工作台4上方，与控制系统5连接，PC机6对抛光参数进行设定后传送给控制系统5，进而驱动控制整个抛光装置。振动抛光头1为非对称结构，且振动抛光头1能够生成二维(2D)振动轨迹，采用游离磨粒的供给方式达到亚纳米级表面粗糙度。五轴数控平台7能够满足任意自由曲面抛光的需要，位于可移动工作台4上方，包括X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴。其中，X,Y,Z各轴移动范围分别为不小于20mm，20mm和10mm，分辨率均为0.1μm。B轴角度旋转范围为±90゜，分辨率为0.001゜；C轴的转速范围在每分钟20-200转。抛光压力控制机构8中的微位移驱动器件与抛光头1连接，抛光头1垂直设置，并与微小光学自由曲面3接触，微位移驱动器件通过对竖直方向抛光头1位置的微米级改变来实现对抛光压力的微小调整。
采用上述振动抛光装置对光学自由曲面进行振动抛光的方法，该包括以下步骤：
第一步，根据自由曲面面形计算抛光头抛光轨迹和抛光头面形修复的停留时间。
第二步，结合抛光装置结构设定抛光起始点，选择抛光头振动方式和设定抛光压力。
第三步，进行抛光实验，其中抛光方式分为以下两种，两种方式均通过对抛光压力和停留时间的准确控制实现材料去除量的准确控制，三种方式具体为：
(1)利用五轴数控平台7的B轴和C轴对微小光学自由曲面3进行摆动(tilting)，使振动抛光头1位于微小光学自由曲面3的法向量方向。抛光过程中抛光压力F保持恒定。
(2)利用振动抛光头1的轮廓接触微小光学自由曲面3，判断振动抛光头1与自由曲面3的接触位置，抛光压力根据接触点的斜率变化进行调整。对振动抛光头1的轮廓精度要求高。优点是可以减少抛光头磨损对材料去除率的影响。
(3)综合方式(1)和(2)实现对对凹面且倾斜角大的面形的抛光。第四步，完成抛光实验，测量自由曲面面形和粗糙度；结束。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光方法针对口径尺寸在几毫米到几十毫米的微小光学自由曲面(3)，该微小光学自由曲面(3)具有轴对称和离轴非球面；该振动抛光方法基于振动抛光装置实现，振动抛光装置包括振动抛光头(1)、微小光学自由曲面(3)、可移动工作台(4)、控制系统(5)、PC机(6)、五轴数控平台(7)、抛光压力控制机构(8)；
所述的控制系统(5)位于可移动工作台(4)上方，包括驱动器、数控系统、控制器；驱动器与振动抛光头(1)连接，用于对振动抛光头施加振动信号；数控系统与五轴数控平台(7)连接进行通信，用于驱动五轴数控平台(7)；控制器与抛光压力控制机构(8)连接，用于实现对抛光压力控制机构(8)的闭环控制；
所述的PC机(6)位于可移动工作台(4)上方，与控制系统(5)连接，PC机(6)对抛光参数进行设定后传送给控制系统(5)，进而驱动控制整个抛光装置；
所述的五轴数控平台(7)能够满足任意自由曲面抛光的需要，位于可移动工作台(4)上方，包括X轴、Y轴、 Z轴、 B轴和 C轴；
所述的抛光压力控制机构(8)中的微位移驱动器件与振动抛光头(1)连接，振动抛光头(1)垂直设置，并与微小光学自由曲面(3)接触，微位移驱动器件通过对竖直方向振动抛光头(1)位置的微米级改变来实现对抛光压力的微小调整；抛光压力控制机构(8)通过其内部的微位移驱动器件与力传感器的结合，以及闭环反馈控制实现对抛光压力的精确控制；
所述的振动抛光方法包括以下步骤：
第一步，根据自由曲面面形计算振动抛光头(1)的抛光轨迹和抛光头面形修复所需要的停留时间；
第二步，结合抛光装置结构设定抛光起始点，选择抛光头振动方式和设定抛光压力；
第三步，进行抛光实验，其中抛光方式分为以下三种，三种方式均通过对抛光压力和停留时间的准确控制，实现材料去除量的准确控制，三种方式具体为：
1）利用五轴数控平台(7)的B轴和 C轴对微小光学自由曲面(3)进行摆动，使振动抛光头(1)位于微小光学自由曲面(3)的法向量方向；抛光过程中抛光压力保持恒定；
2）利用振动抛光头(1)的轮廓接触微小光学自由曲面(3)，判断振动抛光头(1)与自由曲面(3)的接触位置，抛光压力根据接触点的斜率变化进行调整；
3）有效结合方式1）和2）实现对凹面且倾斜角大的自由曲面面形的抛光；
第四步，完成抛光实验，测量自由曲面面形和粗糙度，结束。
2.根据权利要求1所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的五轴数控平台(7)中，X、Y、Z各轴移动范围分别为不小于20 mm、20 mm、10 mm，分辨率均为0.1 μm；B轴角度旋转范围为±90゜、分辨率为0.001゜；C轴的转速范围在每分钟20-200 转。
3.根据权利要求1或2所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)为非对称结构，振动抛光头(1)能够生成二维振动轨迹，有效降低模具的表面粗糙度，采用游离磨粒的供给方式达到亚纳米级表面粗糙度。
4.根据权利要求1或2所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)由能够产生高频振动的压电陶瓷材料或超磁滞伸缩材料制成。
5.根据权利要求3所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)由能够产生高频振动的压电陶瓷材料或超磁滞伸缩材料制成。
6.根据权利要求1或2或 5所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。
7.根据权利要求3所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。
8.根据权利要求4所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。
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