CN109352459A - 一种大口径光学自由曲面加工装置 - Google Patents

一种大口径光学自由曲面加工装置 Download PDF

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孔璇
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顾伟
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Abstract

本发明公开了一种大口径光学自由曲面加工装置，包括加工单元、光学自由曲面支撑单元以及光学自由曲面夹持单元，所述加工单元包括加工刀具以及为加工刀具提供加工路径的驱动机构，驱动机构包括X方向驱动机构和Y方向驱动机构；光学自由曲面支撑单元包括3HUS+PU并联机构、连接在3HUS+PU并联机构上端的动平台以及三组直线模组，通过并联机构带动动平台进行垂直方向的移动来加工出曲面，再通过并联机构绕X轴方向以及绕Y轴方向上的转动，进行待加工自由曲面姿态上进一步的调整；在保证加工精度的同时，增大自由曲面的可加工角度。该发明整体装备刚度高、累积误差小、加工精度高且加工范围大，可加工复杂程度高的光学自由曲面、易于控制，有效提高了加工效率。

Description

一种大口径光学自由曲面加工装置
技术领域
本发明涉及一种光学自由曲面加工装置，具体涉及一种大口径光学自由曲面加工装置，属于精密光学部件加工设备技术领域。
背景技术
随着曲面加工技术的不断发展，作为核心元件的光学自由曲面零件在航空航天、国防等领域得到了广泛应用，例如轮机叶片、船舰螺旋桨等，其中许多光学自由曲面也应用于民用领域，例如照相机摄像头，投影仪、大型望远镜等。且现代光学自由曲面正朝着大口径、高精度、大角度的方向快速发展，因此对光学自由曲面的需求和加工要求日益提高。光学自由曲面的加工过程主要包括毛坯加工，粗磨，研磨，抛光等几道工序，其中光学自由曲面抛光过程所花工时长，而且对加工技术要求最高。
目前传统的曲面加工装备中主要分为串联机械臂式加工机床以及并联加工机床。但是由于镜面加工过程对设备高刚度的要求导致机械臂往往比较笨重，其中串联加工机床存在刚度小、动态响应速度慢、累积误差导致的精度低以及负载能力差等问题；而并联加工机床由于旋转角度较小导致光学自由曲面加工范围受限，对于大型光学自由曲面的加工，需采用龙门式加工机构来扩大曲面的加工范围，尤其是针对一些复杂光学自由曲面例如高次曲面，正弦曲面和光学自由曲面等具有特殊用途的大型曲面光学镜面，加工过程中需要重复进行“面形测量-研抛加工”的工序，重复定位次数增多，故而加工效率低，加工过程中还容易损坏光学镜面表面影响零件光学特征和性能；而且对于大角度曲面，需由加工刀具实现加工位置和姿态的变化，但是并联加工机床的加工角度有限无法进行大角度曲面的加工，且控制方法复杂。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种大口径光学自由曲面加工装置，刚度高、响应速度快、累积误差小、易于控制，更适合大口径大角度的光学自由曲面的加工。
为了解决上述问题，本发明一种大口径光学自由曲面加工装置，包括加工单元、光学自由曲面支撑单元以及光学自由曲面夹持单元；加工单元被安装在加工支撑座上端，加工支撑座包括底座和固定在底座两端的支撑架；所述加工单元包括加工刀具以及为加工刀具提供加工路径的驱动机构，驱动机构包括X方向驱动机构和Y方向驱动机构，Y方向驱动机构为平行设置的两组丝杠螺母驱动机构，包括分别固定在两个支撑架上端的Y方向丝杠支撑座、安装在Y方向丝杠支撑座一端的Y方向丝杠电机、与Y方向丝杠电机相连的Y方向丝杠以及与Y方向丝杠相互配合的Y方向滚珠螺母，Y方向滚珠螺母安装在滚珠螺母座内；X方向驱动机构包括固定在两个滚珠螺母座上端的X方向移动平台，所述X方向移动平台的一端固定有X方向丝杠电机，X方向丝杠电机的一端与X方向丝杠相连，X方向丝杠上套装有与之配合的X方向丝杠螺母，X方向丝杠螺母的下端固定有刀具架，加工刀具安装在刀具架上并由刀具电机驱动加工刀具的加工动作；
光学自由曲面支撑单元包括3HUS+PU并联机构、连接在3HUS+PU并联机构上端的动平台以及三组直线模组，三组直线模组均匀布置在底座上端且三者之间水平夹角均为120°，每组直线模组均包括竖直设置的直线模组安装架、安装在直线模组安装架上端的直线模组电机以及设置在直线模组安装架内侧并与直线模组电机输出轴相连的滚珠丝杠，滚珠丝杠上均安装有与之配合的螺母滑块，直线模组安装架内侧两端设有滑轨，所述滑轨与螺母滑块相互配合；三条HUS支链均布在动平台下端且三者之间夹角均为120°，三条HUS支链均为定长杆，HUS支链上端通过球铰链与动平台的边缘处相连，HUS支链的下端通过HUS支链虎克铰链与螺母滑块相连；PU约束支链设置在动平台下端的中心位置并通过PU支链虎克铰链与动平台相连，PU约束支链为滚珠花键轴，PU约束支链的下端为与滚珠花键轴相互配合的滚珠花键套，滚珠花键套的底部固定在底座的中心；
光学自由曲面夹持单元固定在动平台上端用于安装固定待加工光学自由曲面。
3HUS+PU并联机构和动平台作为待加工光学自由曲面的支撑单元相较于以往的支撑平台可以主动调整待加工曲面的高度和姿态，通过直线模组上方的直线模组电机驱动滚珠丝杠的旋转，从而实现与之配合的螺母滑块沿着滑轨在垂直方向上的移动，螺母滑块分别带动与之相连的HUS支链垂直动作，所述中间PU约束支链随着动平台的移动而自由伸缩，PU约束支链与三条HUS支链共同作用，实现动平台在空间内三个自由度的运动，包括Z方向的移动、围绕X轴方向转动和围绕Y轴方向的转动；加工单元设置在待加工光学自由曲面的上端，通过X向驱动机构和Y向驱动机构带动加工刀具任意加工位置的定位；垂直移动的动平台可以实现不同的加工深度，通过刀具位置和动平台高度共同作用，实现待加工光学自由曲面在不同位置的进刀量不同，进而得到目标光学自由曲面，这种可以自由调节移动位置的加工单元大大增加了自由曲面加工范围的同时降低了刀具控制难度。
所述3HUS+PU并联机构在进行光学自由曲面的抛光加工过程中，三个直线模组电机同步动作，从而实现动平台沿着Z轴方向的垂直移动，此时动平台始终与底座平行；所述3HUS+PU并联机构在进行大角度光学自由曲面加工时，根据角度需要每个直线模组电机分别动作，使动平台通过绕X轴方向以及绕Y轴方向上的转动进行待加工光学自由曲面姿态上的调整，在保证加工精度的同时，增大光学自由曲面的可加工角度。
进一步的，所述底座上设有激光跟踪仪器。激光跟踪仪通过三点法测量光学自由曲面的位置和姿态，并将测量的信号反馈到支撑单元和加工单元的数控系统中，实施补偿加工装备的误差。
进一步，所述光学自由曲面支撑单元包括固定在动平台上方的光学自由曲面座，光学自由曲面座的边缘具有凸起的台阶面，光学自由曲面座台阶面内侧设有放置待加工光学自由曲面的光学自由曲面底座，待加工光学自由曲面的上端设有环形压板，环形压板通过紧固件与光学自由曲面座相连压紧待加工光学自由曲面。
为了进一步扩大动平台垂直方向运动范围以及增大动平台姿态角度，三个HUS支链上端用于安装球铰链的球铰链座的底面均朝向支链方向倾斜，球铰链座底面与动平台之间的倾斜角度为15°～30°。通过上述结构的球铰链座可以减小球铰链工作角度的限制，增大工作空间。
三个HUS支链下端用于安装HUS支链虎克铰链的滑块连接件包括竖版和底板，竖板与螺母滑块相连，底板与HUS支链虎克铰链相连，底板与竖板之间的夹角为100°～135°。通过上述结构减小HUS支链虎克铰链工作角度的限制，增大工作空间。
滚珠花键套内部底端设有限位块。所述限位块用于限制滚珠花键轴的行程，以避免PU支链在运动过程中与底座产生碰撞干涉，提高设备的使用寿命。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：1、采用龙门式加工方式可实现刀具在水平面上两个自由度的移动，克服了传统机械臂加工刚度的不足，累积误差大精度不够高等问题，同时改善了利用并联机构加工范围受限的问题，更适合大口径光学自由曲面的加工；2、光学自由曲面的加工位置和加工深度分别由上方的加工刀具和下方高精度并联支撑机构控制，使复杂光学自由曲面的加工更易于控制，响应速度快，加工效率更高。3、下方采用并联机构进行支撑，在大角度光学自由曲面加工过程中，通过并联机构绕X轴方向以及绕Y轴方向上的转动，进行待加工光学自由曲面姿态上进一步的调整，在保证加工精度的同时，增大光学自由曲面的可加工角度。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图；
图2为光学自由曲面支撑单元的结构示意图；
图3为光学自由曲面夹持单元的局部示意图。
图中：101、底座；102、支撑架；103、Y方向丝杠支撑座；104、Y方向丝杠；105、Y方向丝杠电机；106、X方向丝杠电机；107、滚珠螺母座；108、Y方向滚珠螺母；109、X方向移动平台；110、X方向丝杠；111、刀具电机；112、112 X方向丝杠螺母；113、刀具架；114、加工刀具；115、激光跟踪仪；201、滑轨；202、滚珠丝杠；203、直线模组；204、直线模组电机；205、球铰链座；206、球铰链；207、动平台；208、铰链连接件；209、PU支链虎克铰链；210、滚珠花键轴；211、滚珠花键套；212、PU约束支链；213、限位块；214、HUS支链；215、HUS支链虎克铰链；216、螺母滑块；217、滑块连接件；301光学自由曲面座；302光学自由曲面底板；303待加工光学自由曲面；304环形压板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。
如图1和图2所示，一种大口径光学自由曲面加工装置，包括加工单元、光学自由曲面支撑单元以及光学自由曲面夹持单元；加工单元被安装在加工支撑座上端，加工支撑座包括底座101和固定在底座101两端的支撑架102；所述加工单元包括加工刀具114以及为加工刀具114提供加工路径的驱动机构，驱动机构包括X方向驱动机构和Y方向驱动机构，Y方向驱动机构为平行设置的两组丝杠螺母驱动机构，包括分别固定在两个支撑架102上端的Y方向丝杠支撑座103、安装在Y方向丝杠支撑座103一端的Y方向丝杠电机105、与Y方向丝杠电机105相连的Y方向丝杠104以及与Y方向丝杠104相互配合的Y方向滚珠螺母108，Y方向滚珠螺母108安装在滚珠螺母座107内；X方向驱动机构包括固定在两个滚珠螺母座107上端的X方向移动平台109，所述X方向移动平台109的一端固定有X方向丝杠电机106，X方向丝杠电机106的一端与X方向丝杠110相连，X方向丝杠110上套装有与之配合的X方向丝杠螺母112，X方向丝杠螺母112的下端固定有刀具架113，加工刀具114安装在刀具架113上并由刀具电机111驱动加工刀具114的加工动作；
光学自由曲面支撑单元包括3HUS+PU并联机构、连接在3HUS+PU并联机构上端的动平台207以及三组直线模组203，三组直线模组203均匀布置在底座101上端且三者之间水平夹角均为120°，每组直线模组203均包括竖直设置的直线模组安装架、安装在直线模组安装架上端的直线模组电机204以及设置在直线模组安装架内侧并与直线模组电机204输出轴相连的滚珠丝杠202，滚珠丝杠202上均安装有与之配合的螺母滑块26，直线模组安装架内侧两端设有滑轨201，所述滑轨201与螺母滑块216相互配合；三条HUS支链214均布在动平台207下端且三者之间夹角均为120°，三条HUS支链214均为定长杆，HUS支链214上端通过球铰链205与动平台207的边缘处相连，HUS支链214的下端通过HUS支链虎克铰链215与螺母滑块216相连；PU约束支链212设置在动平台207下端的中心位置并通过PU支链虎克铰链209与动平台207相连，PU约束支链212为滚珠花键轴210，PU约束支链212的下端为与滚珠花键轴210相互配合滚珠花键套211，滚珠花键套211的底部固定在底座101的中心；
光学自由曲面夹持单元固定在动平台207上端用于安装固定待加工光学曲面303。
3HUS+PU并联机构和动平台作为待加工光学自由曲面的支撑单元相较于以往的支撑平台可以主动调整待加工曲面的姿态，通过直线模组203上方的直线模组电机204驱动滚珠丝杠202的旋转，从而实现与之配合的螺母滑块216沿着滑轨201在垂直方向上的移动，螺母滑块216分别带动与之相连的HUS支链214垂直动作，所述中间PU约束支链212随着动平台207的移动而自由伸缩，PU约束支链212与三条HUS支链214共同作用，实现动平台207在空间内三个自由度的运动，包括Z方向的移动、围绕X轴方向转动和围绕Y轴方向的转动；加工单元设置在待加工光学自由曲面303的上端，通过X向驱动机构和Y向驱动机构带动加工刀具任意加工位置的定位；垂直移动的动平台207可以实现不同的加工深度，通过刀具位置和动平台高度共同作用，实现待加工光学自由曲面在不同位置的进刀量不同，进而得到目标光学自由曲面，这种可以自由调节移动位置的加工单元大大增加了光学自由曲面加工范围的同时降低了刀具控制难度。
所述3HUS+PU并联机构在进行光学自由曲面的抛光加工过程中，三个直线模组电机同步动作，从而实现动平台207沿着Z轴方向的垂直移动，此时动平台207始终与底座101平行；所述3HUS+PU并联机构在进行大角度光学自由曲面加工时，根据角度需要每个直线模组电机203分别动作，使动平台207通过绕X轴方向以及绕Y轴方向上的转动进行待加工光学自由曲面姿态上的调整，在保证加工精度的同时，增大光学自由曲面的可加工角度。
如图1所示，所述底座101上设有激光跟踪仪器115。激光跟踪仪115通过三点法测量光学自由曲面的位置和姿态，并将测量的信号反馈到支撑单元和加工单元的数控系统中，实施补偿加工装备的误差。
如图3所示，所述光学自由曲面支撑单元包括固定在动平台上方的光学自由曲面座301，光学自由曲面座301的边缘具有凸起的台阶面，光学自由曲面座301台阶面内侧设有放置待加工光学自由曲面的光学自由曲面底座302，待加工光学自由曲面301的上端设有环形压板304，环形压板304通过紧固件与光学自由曲面座301相连压紧待加工光学自由曲面303。
如图2所示，为了进一步扩大动平台垂直方向运动范围以及增大动平台姿态角度，三个HUS支链214上端用于安装球铰链205的球铰链座206的底面均朝向支链方向倾斜，球铰链座206底面与动平台207之间的倾斜角度为15°～30°。通过上述结构的球铰链座可以减小球铰链205工作角度的限制，增大工作空间。
三个HUS支链214下端用于安装HUS支链虎克铰链215的滑块连接件217包括竖版和底板，竖板与螺母滑块216相连，底板与HUS支链虎克铰链215相连，底板与竖板之间的夹角为100°～135°。通过上述结构减小HUS支链虎克铰链工作角度的限制，增大工作空间。
滚珠花键套211内部底端设有限位块213。所述限位块213用于限制滚珠花键轴210的行程，以避免PU支链212在运动过程中与底座101产生碰撞干涉，提高设备的使用寿命。

Claims (5)

1.一种大口径光学自由曲面加工装置，包括加工单元、光学自由曲面支撑单元以及光学自由曲面夹持单元；其特征在于，加工单元被安装在加工支撑座上端，加工支撑座包括底座(101)和固定在底座(101)两端的支撑架(102)；所述加工单元包括加工刀具(114)以及为加工刀具(114)提供加工路径的驱动机构，驱动机构包括X方向驱动机构和Y方向驱动机构，Y方向驱动机构为平行设置的两组丝杠螺母驱动机构，包括分别固定在两个支撑架(102)上端的Y方向丝杠支撑座(103)、安装在Y方向丝杠支撑座(103)一端的Y方向丝杠电机(105)、与Y方向丝杠电机(105)相连的Y方向丝杠(104)以及与Y方向丝杠(104)相互配合的Y方向滚珠螺母(108)，Y方向滚珠螺母(108)安装在滚珠螺母座(107)内；X方向驱动机构包括固定在两个滚珠螺母座(107)上端的X方向移动平台(109)，所述X方向移动平台(109)的一端固定有X方向丝杠电机(106)，X方向丝杠电机(106)的一端与X方向丝杠(110)相连，X方向丝杠(110)上套装有与之配合的X方向丝杠螺母(112)，X方向丝杠螺母(112)的下端固定有刀具架(113)，加工刀具(114)安装在刀具架(113)上并由刀具电机(111)驱动加工刀具(114)的加工动作；
光学自由曲面支撑单元包括3HUS+PU并联机构、连接在3HUS+PU并联机构上端的动平台(207)以及三组直线模组(203)，三组直线模组(203)均匀布置在底座(101)上端且三者之间水平夹角均为120°，每组直线模组(203)均包括竖直设置的直线模组安装架、安装在直线模组安装架上端的直线模组电机(204)以及设置在直线模组安装架内侧并与直线模组电机(204)输出轴相连的滚珠丝杠(202)，滚珠丝杠(202)上均安装有与之配合的螺母滑块26，直线模组安装架内侧两端设有滑轨(201)，所述滑轨(201)与螺母滑块(216)相互配合；三条HUS支链(214)均布在动平台(207)下端且三者之间夹角均为120°，三条HUS支链(214)均为定长杆，HUS支链(214)上端通过球铰链(205)与动平台(207)的边缘处相连，HUS支链(214)的下端通过HUS支链虎克铰链(215)与螺母滑块(216)相连；PU约束支链(212)设置在动平台(207)下端的中心位置并通过PU支链虎克铰链(209)与动平台(207)相连，PU约束支链(212)为滚珠花键轴(210)，PU约束支链(212)的下端为与滚珠花键轴(210)相互配合的滚珠花键套(211)，滚珠花键套(211)的底部固定在底座(101)的中心；
光学自由曲面夹持单元固定在动平台(207)上端用于安装固定待加工光学自由曲面(303)。
2.根据权利要求1所述的大口径光学自由曲面加工装置，其特征在于，所述底座(101)上设有激光跟踪仪器(115)。
3.根据权利要求2所述的大口径光学自由曲面加工装置，其特征在于：所述光学自由曲面支撑单元包括固定在动平台上方的光学自由曲面座(301)，光学自由曲面座(301)的边缘具有凸起的台阶面，光学自由曲面座(301)台阶面内侧设有放置待加工光学自由曲面的光学自由曲面底座(302)，待加工光学自由曲面(301)的上端设有环形压板(304)，环形压板(304)通过紧固件与光学自由曲面座(301)相连压紧待加工光学自由曲面(303)。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的大口径光学自由曲面加工装置，其特征在于，三个HUS支链(214)上端用于安装球铰链(205)的球铰链座(206)的底面均朝向支链方向倾斜，球铰链座(206)底面与动平台(207)之间的倾斜角度为15°～30°；
三个HUS支链(214)下端用于安装HUS支链虎克铰链(215)的滑块连接件(217)包括竖版和底板，竖板与螺母滑块(216)相连，底板与HUS支链虎克铰链(215)相连，底板与竖板之间的夹角为100°～135°。
5.根据权利要求4所述的大口径光学自由曲面加工装置，其特征在于，滚珠花键套(211)内部底端设有限位块(213)。
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