CN108581716B - 一种用于光学元件的恒压抛光方法及装置 - Google Patents

一种用于光学元件的恒压抛光方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于光学元件的恒压抛光方法及恒压抛光装置，结构简单，可以实现抛光头与工件之间压力的自动补偿，保证了加工产品的质量。本发明一种用于光学元件的恒压抛光装置包括：运动模组，包括两个轴向移动模组和两个旋转模组；抛光模组，与其中一个所述轴向移动模组连接，包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述重物至杠杆支点的距离可调；工件，设在某一所述旋转模组上；另一所述旋转模组和另一所述轴向移动模组可调。

Description

一种用于光学元件的恒压抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及抛光设备技术领域，具体涉及一种用于光学元件的恒压抛光方法。本发明还涉及一种用于光学元件的恒压抛光装置。
背景技术
目前，各种光学系统在军事、民用等领域都起着不可替代的作用，而日益突出的重要作用使得光学系统对光学元件的精度要求也越来越高。在超精密加工领域，抛光是光学元件生产加工中最为关键的一道加工工序，其加工的效果会严重影响元件的光学性能。
在传统的光学元件加工中，主要是依靠人工操作这样不仅会使得成本增高、生产效率变慢，更重要的是加工精度无法保证，主要是因为人工进行抛光作业时，无法保持抛光头与加工元件之间的压力恒定，导致抛光工件的表面抛光程度不一致，容易出现废品。所以人工操作抛光设备的方式已经远远不能满足精密抛光的要求。
除了人工操作加工外，目前也存在用于光学元件且带有恒压抛光功能的自动化设备。
如申请号为CN201710799209.2的一种抛光机自动补偿装置技术方案中，其产生恒力加工的原理为：该方案提供了一种自动补偿装置，该装置可为电机丝杠式补偿装置或者是配重块式补偿装置。当该装置为电机丝杠式补偿装置时，通过在工件或抛光轮上安装有压力传感器，根据压力值反馈调节和控制各补偿电机，维持工件和抛光轮之间恒定压力，或者是利用控制器来控制电机的转矩从而控制工件与抛光轮之间的相对压力。当该装置为配重块式补偿装置时，依靠配重块的恒定拉力来使工件始终与抛光轮保持一定的接触压力。
如申请号为CN201611078196.1的抛光过程的压力检测、控制与自动补偿的方法，其产生恒力加工原理为：通过轴上的力传感器或力矩传感器检测抛光轮与被抛光工件之间的压力或抛光轮与被抛光工件之间的压力在轴上产生的力矩，并通过控制器调整轴与工件的的相对位置实现抛光轮与被抛光工件之间压力的自动补偿。从而在保证抛光轮转速恒定的情况下，实现在抛光过程中抛光轮与被抛光工件之间的压力保持稳定。
上述自动化设备的技术方案的缺陷是：
1)需要通过传感器检测接触压力或者力矩的变化，这是一种反馈控制，必然会带来滞后，且传感器与控制器之间也是通过有线连接，不仅传输距离有所限制题，同时也有可能产生数据传输误差，数据传输滞后等问题。因此传感器输出的值作为压力控制的目标变量显然是错误的，至少是不合适的。
2)通过增加压力补偿机械机构，使得设备结构和控制变得更加复杂。
发明内容
本发明提供一种用于光学元件的恒压抛光方法及恒压抛光装置，结构简单，可以实现抛光头与工件之间压力的自动补偿，保证了加工产品的质量。
本发明一种用于光学元件的恒压抛光装置包括：
运动模组，包括两个轴向移动模组和两个旋转模组；
抛光模组，与其中一个所述轴向移动模组连接，包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述重物至杠杆支点的距离可调；
工件，设在某一所述旋转模组上；另一所述旋转模组和另一所述轴向移动模组可调。
优选的，所述运动模组包括X轴移动模组、Z轴移动模组、B轴旋转模组和C轴旋转模组；
所述B轴旋转模组和所述C轴旋转模组均与所述X轴移动模组连接；
所述C轴旋转模组上设有用于夹持所述工件的夹持装置；
所述抛光模组与所述Z轴移动模组连接。
优选的，所述杠杆支点位于所述连杆非端部，所述重物和所述滑块分别位于所述连杆两端。
优选的，位于所述重物与所述杠杆支点之间的连杆呈丝杆状。
优选的，所述恒压抛光装置还包括导轨，所述滑块可上下滑动的设置在所述导轨上。
本发明一种用于光学元件的恒压抛光方法包括：
步骤一，根据抛光模组、工件和运动模组的初始参数，获得均匀去除量下接触压力和进给速率的变化规律；
步骤二，根据所述接触压力和所述进给速率的变化规律实时调整所述抛光模组和所述运动模组；
步骤三，根据调整后的所述抛光模组和所述运动模组进行抛光作业。
优选的，所述抛光模组、工件和运动模组的初始参数包括抛光模组的结构参数、工件的面型参数和运动模组的运动参数。
优选的，所述抛光模组包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述连杆的非端部为杠杆支点。
优选的，所述步骤二具体包括：根据所述接触压力的变化规律调整所述重物至所述杠杆支点的距离，使所述抛光模组实时调整。
优选的，所述步骤二还包括：根据所述进给速率的变化规律调整所述运动模组的转速，使所述运动模组实时调整。
采用上述技术方案的有益效果是：
在上述恒压抛光装置中，抛光模组的抛光轴与工件相接触，两者之间具有接触压力，通过重物、连杆和滑块组成的杠杆机构可以得出接触压力的大小与重物至连杆支点的距离有关，在抛光过程中接触压力发生变化。另外，根据根据Preston方程dh＝kppcvsdT可知均匀去除量的大小与接触压力有关外，还与dT相关，因此本发明通过一旋转模组和轴向移动模组的进给速率的变化来补偿接触压力的变化，从而实现了现抛光头与工件之间压力的自动补偿，保证了加工产品的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于光学元件的恒压抛光装置的结构图；
图2发明为本发明一种抛光模组的结构图；
图3为本发明一种用于光学元件的恒压抛光方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种用于光学元件抛光的恒压补偿方法及装置，结构简单，可以实现抛光头与工件之间压力的自动补偿，保证了加工产品的质量。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种用于光学元件的恒压抛光装置的技术方案包括：
运动模组，包括两个轴向移动模组和两个旋转模组；
抛光模组，与其中一个所述轴向移动模组连接，包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述重物至杠杆支点的距离可调；
工件，设在某一所述旋转模组上；另一所述旋转模组和另一所述轴向移动模组可调。
在上述恒压抛光装置中，抛光模组的抛光轴与工件相接触，两者之间具有接触压力，通过重物、连杆和滑块组成的杠杆机构可以得出接触压力的大小与重物至连杆支点的距离有关，在抛光过程中接触压力发生变化。另外，根据根据Preston方程dh＝kppcvsdT可知均匀去除量的大小与接触压力有关外，还与dT相关，因此本发明通过一旋转模组和轴向移动模组的进给速率的变化来补偿接触压力的变化，从而实现了现抛光头与工件之间压力的自动补偿，保证了加工产品的质量。
具体的，如图2所示，该恒压抛光装置主要包括X轴移动模组9、B轴旋转模组10、C轴旋转模组8、Z轴移动模组7和抛光模组11五部分。其中：
X轴移动模组9可沿X轴左右移动；
B轴旋转模组10和C轴旋转模组8与X轴移动模组9连接，两者除了与X轴移动模组9同步左右移动外，自身均可转动；
C轴旋转模组8上设有用于夹持工件的夹持装置；
Z轴移动模组7可沿Z轴上下移动；
抛光模组11与Z轴移动模组7连接，除了与Z轴移动模组7同步上下移动外，抛光模组11中的抛光轴4可转动，抛光轴4的转动定义为U轴的旋转运动。
如图1所示，抛光模组11包括滑块3、重物1、连杆2、抛光轴4和导轨5，其中：
重物1、连杆2和滑块3组成杠杆机构，连杆2的非端部固定在某一位置，该非端部为杠杆支点6，重物1和滑块3分别连接于连杆2的两端。需要说明的是，重物1与杠杆支点6之间的连杆2为丝杆状，可以方便调节重物1与杠杆支点6的距离。
滑块3可滑动设置在导轨5上，滑块3沿导轨5上下移动。
抛光轴4与滑块3连接，抛光轴4与滑块3同步上下移动之外，抛光轴4自身可转动。
通过上述描述可知，该恒压抛光装置的基本运动有X轴、Z轴的直线移动，B轴、C轴、U轴的旋转运动。其中X轴的直线移动是控制B轴旋转模组10，C轴旋转模组8的左右移动，Z轴的直线移动是带动抛光模组11的上下移动。B轴、C轴的旋转运动是工件的动作，而U轴的旋转运动是抛光模组11中抛光轴4自身的旋转运动。
上述恒压抛光装置的工作原理为：
加工开始前，上位机软件根据工件面型参数、运动模组的运动参数、抛光模组11的结构参数计算出所需的各轴位置参数数列以及进给速率的变化情况，并传递给运动控制器。
此时抛光轴4不仅受到自身重力，还受到重物1通过杠杆结构对其产生的向上作用力。通过调节重物1与杠杆支点6的距离，保证抛光轴4在这两个力的共同作用下，对加工工件产生一个理想的初始接触压力。
开始加工阶段，各轴依据各自位置参数数列运动。由于在加工过程中，工件面型发生变化，抛光轴4会在导轨5的导向作用下，与滑块3一起发生上下直线浮动，导致重物1通过杠杆结构对抛光轴4产生的向上作用力发生变化，即接触压力也会发生变化。此时运动控制器依据预先定义好程序，调节B轴旋转模组10，X轴移动模组9的进给速率来补偿接触压力的变化，使得加工过程保持恒力加工，直至加工结束。
在加工过程中，各轴按照上位机软件生成的加工轨迹，在运动控制器的控制下运动。其中，Z轴不运动；抛光轴4(U轴)以恒定速度持续转动，C轴在不同时刻做速度变化的持续转动，而X、B轴做缓慢进给运动。
图1和图2所示的恒压抛光装置可为五轴数控抛光机床。
下面结合图3说明应用该装置的用于光学元件的恒压抛光方法。
该恒压抛光方法具体为：
步骤一101，根据抛光模组、工件和运动模组的初始参数，获得均匀去除量下接触压力和进给速率的变化规律。
在步骤一中，上述初始参数为抛光模组的结构参数、工件的面型参数和运动模组的运动参数。接触压力为抛光头与工件间的接触压力。进给速率为抛光头在工件表面的进给速率。
根据抛光模组的结构参数，抛光模组中的重物、连杆和滑块组成杠杆机构，根据杠杆原理可得加工过程中，抛光头与工件间的接触压力的变化规律。
根据杠杆力矩平衡可得F1L1cosθ＝(F2-pc)L2
由上式变形可得pc＝F2-F1L1cosθ÷L2
式中：
F1为重物的重力，加工过程中保持不变。
F2为抛光轴与滑块的整体重力，加工过程中保持不变，且F2>F1。
θ为加工过程中，连杆与水平方向的夹角。可根据机床结构和工件的面型来确定。
L1为连杆在水平状态时，重物到杠杆支点的距离。需要说明的是，重物至所述杠杆支点的距离可调。
L2为连杆与滑块的连接点到杠杆支点的直线距离。
在上述用于光学元件的恒压抛光方法，只考虑接触压力、进给速率的变化规律的原因为：
首先，根据Preston方程dh＝kppcvsdT得到抛光头在工件任一位置上的去除量dh与驻留时间dT的关系。
式中：
dh为一次走刀时工件表面材料被切削的量，以下简称去除量。
kp为去除系数，它与除接触压力pc，速度vs以外的加工因素(如加工的材料，抛光头的材料以及温度等)有关。在加工过程中，保持恒定。
pc为抛光头与工件之间的接触压力。
vs为抛光头与工件在接触点的相对速度，在加工过程中，保持恒定。
dT为抛光头在工件表面的驻留时间。
由于kp、vs在加工过程中保持恒定，利用Preston法分析得到影响工件抛光过程中去除量的因素：抛光头与工件在接触点的相对速度、抛光头与工件间的接触压力。
其次，通过实验确定理想的去除系数kp。
Preston方程是广泛应用在磨削加工中的经验公式，将抛光头的速度和抛光头对工件的接触压力之外的所有因素的作用都归为一个比例常数kp，与被抛光材料、抛光膜层材料、抛光粉种类、抛光液浓度与pH值以及抛光温度有关。
再次，构建驻留时间dT与进给速率F的关系。
dT＝kt÷F
式中kt为常数，F为抛光头在工件表面的进给速率。
最后，由步骤一与步骤三可得接触压力pc与进给速率F的关系
dh＝kppcvs(kt÷F)
加工过程中，式中的kp，vs均为定值。此时，只有保持接触压力pc与进给速率F的乘积不变，才能保证对工件表面均匀的去除。
步骤二102，根据接触压力和进给速率的变化规律实时调整抛光模组和运动模组。
在步骤二中，加工开始前，抛光轴不仅受到自身重力，还受到重物通过杠杆结构对其产生的向上作用力。通过调节重物与杠杆支点的距离，保证抛光轴在这两个力的共同作用下，对加工工件产生一个理想的初始接触压力。
在加工过程中，接触压力也会发生变化。此时运动控制器依据预先定义好程序，调节B轴旋转模组，X轴移动模组的进给速率来补偿接触压力的变化，使得加工过程保持恒力加工，直至加工结束。
步骤三103，进行抛光作业。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，包括：
运动模组，包括两个轴向移动模组和两个旋转模组；
抛光模组，与其中一个所述轴向移动模组连接，包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述重物至杠杆支点的距离可调；
工件，设在某一所述旋转模组上；另一所述旋转模组和另一所述轴向移动模组的运动速率可调，通过对另一所述旋转模组和另一所述轴向移动模组的运动速率进行调整，从而直接影响所述抛光轴在工件表面的进给速率的变化来补偿接触压力的变化，实现了所述抛光轴与工件之间压力的自动补偿，两个所述旋转模组与另一所述轴向移动模组连接以实现同步轴向运动。
2.根据权利要求1所述的用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，所述运动模组包括X轴移动模组、Z轴移动模组、B轴旋转模组和C轴旋转模组；
所述B轴旋转模组和所述C轴旋转模组均与所述X轴移动模组连接；
所述C轴旋转模组上设有用于夹持所述工件的夹持装置；
所述抛光模组与所述Z轴移动模组连接。
3.根据权利要求1所述的用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，所述杠杆支点位于所述连杆非端部，所述重物和所述滑块分别位于所述连杆两端。
4.根据权利要求1所述的用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，位于所述重物与所述杠杆支点之间的连杆呈丝杆状。
5.根据权利要求1所述的用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，所述恒压抛光装置还包括导轨，所述滑块可上下滑动的设置在所述导轨上。
6.一种用于光学元件的恒压抛光方法，应用权利要求1~5中任一项所述的用于光学元件的恒压抛光装置，其特征在于，包括：
步骤一，根据抛光模组、工件和运动模组的初始参数，获得均匀去除量下接触压力和进给速率的变化规律；
步骤二，根据所述接触压力和所述进给速率的变化规律实时调整所述抛光模组和所述运动模组；
步骤三，根据调整后的所述抛光模组和所述运动模组进行抛光作业。
7.根据权利要求6所述的光学元件的恒压抛光方法，其特征在于，所述抛光模组、工件和运动模组的初始参数包括抛光模组的结构参数、工件的面型参数和运动模组的运动参数。
8.根据权利要求6所述的用于光学元件的恒压抛光方法，其特征在于，所述抛光模组包括滑块、重物、连杆和与所述滑块连接的抛光轴，所述重物、连杆和滑块组成杠杆机构，所述连杆的非端部为杠杆支点。
9.根据权利要求8所述的用于光学元件的恒压抛光方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据所述接触压力的变化规律调整所述重物至所述杠杆支点的距离，使所述抛光模组实时调整。
10.根据权利要求9所述的用于光学元件的恒压抛光方法，其特征在于，所述步骤二还包括：根据所述进给速率的变化规律调整所述运动模组的转速，使所述运动模组实时调整。
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