CN109514384A - 非球面光学元件的抛光方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种非球面光学元件的抛光方法和装置，可大大降低设备的精度要求，易于实现，加工效率可以得到大幅提高。本发明抛光方法采用柱状抛光头进行高速旋转抛光，所述抛光头的轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，高速旋转过程中，抛光头轮廓线与被加工非球面光学元件过顶点的轮廓线为线接触方式，其装置包括抛光头、用于旋转抛光头的旋转组件和用于固定工件的固定器；所述的抛光头为中心设置有通孔的柱状体，其圆周面上的外轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，抛光头的圆周面上粘接有研磨抛光材料；抛光头通过旋转组件使其旋转，工件通过固定器固定，工件和抛光头的圆周面外轮廓接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种非球面光学元件的抛光方法和装置。
背景技术
随着激光技术的发展，各种高精度的光学仪器应运而生，对光学元件的要求越来越高，不仅要求其精度高、成像质量好、光能损失少、仪器体积小、重量轻，而且要求能满足特殊用途。非球面光学元件因其光学性能优越,结构紧凑等优点能很好的满足上述要求，正越来越多的应用于精密光学仪器中。与球面光学元件相比，使用非球面元件有许多优越性。首先，非球面光学元件有着无可比拟的高质量的成像质量，因为非球面光学元件有着更多的自由度，可以有效的矫正多种像差。其次，一个或几个非球面元件可以替代一组球面光学元件，简化仪器结构，减轻仪器重量，提高仪器的稳定性，降低成本。非球面制造中的主要困难源于非球面的抛光。
传统的球面光学零件研磨抛光制造技术，是利用和工件面形吻合的磨具或者抛光盘进行研磨抛光制造。这类方法所用的研磨抛光装置一般都包括抛光头和旋转组件，旋转组件用来保障抛光头的高速旋转，在抛光头的抛光面上粘接有金刚石丸片，树脂，聚氨酯，柏油，毛毡等研磨材料，它们有一个相同的特征，抛光面都有相对较硬和固定不变的面形，抛光时，磨具或者抛光盘与被加工光学原件是面接触。为了固定被加工非球面光学元件，通常还包括固定组件。但该加工方法和装置并不能应用于非球面的精磨抛光。
计算机控制小磨头抛光技术目前非球面光学元件的研磨和抛光最常规的抛光方法，该方法是根据面型检测数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对光学元件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。这种加工方式可以实现了可重复的确定性加工，而且有效解决了非球面光学元件用传统的加工方法难以抛光的问题，但该技术在抛光过程中采用的是点接触抛光的方式，其抛光效率一直很难大幅度提高。
目前，也有技术探索采用面形吻合的方式来实现非球面的抛光，例如：1、刚性抛光垫(沥青等)下垫柔性材料抛光；2、利用周期性压力下刚性变化材料(非牛顿流体材料)抛光；3、应力盘抛光，将抛光垫分成若干区域，利用不同区域主动变形适应光学元件不同区域曲率半径。三种方法中前两种方法以适应非球面曲率半径代价，对于高陡度大偏离量非球面需要抛光垫刚度很低，抛光效率非常低；第三种方法需要复杂机械电子控制系统实现抛光垫不同区域变形，另外非球面尺寸不大时，所使用小尺寸抛光垫也使应力盘制作更加困难。
综上所述，现有的非球面制造技术很难实现非球面光学元件的抛光，存在着加工效率低，对设备的控制精度要求非常高（设备精度至少需要在亚微米级）的问题。
发明内容
本发明提出一种非球面光学元件的抛光方法和装置，可大大降低设备的精度要求，易于实现，加工效率可以得到大幅提高。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种非球面光学元件的抛光方法，其特征在于：所述的抛光方法采用柱状抛光头进行高速旋转抛光，所述抛光头的轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，高速旋转过程中，抛光头轮廓线与被加工非球面光学元件过顶点的轮廓线为线接触方式。
一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，包括抛光头、用于旋转抛光头的旋转组件和用于固定工件的固定器；
所述的抛光头为中心设置有通孔的柱状体，其圆周面上的外轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，抛光头的圆周面上粘接有研磨抛光材料；
所述的旋转组件包括旋转轴、轴固定座、联轴器和电机；所述的旋转轴设置于轴固定座内并通过轴承实现旋转，旋转轴的两端分别伸出于轴固定座，一端与抛光头中心孔连接，另一端与联轴器连接，所述的联轴器的另一端与电机连接，所述的电机的轴与旋转轴连接；
所述的固定器的结构包括用安装工装、工件旋转轴、工件轴固定座、工件联轴器和工件电机；所述的工件旋转轴设置于工件轴固定座内并通过工件轴承实现旋转，工件旋转轴的两端分别伸出于工件轴固定座，一端与安装工装中心连接，另一端与工件联轴器连接，所述的工件联轴器的另一端与工件电机连接，所述的工件电机的轴与工件旋转轴连接。
所述的轴承设置有两个，之间设置有轴承隔圈；轴承的外圈与轴固定座固连，最外侧的轴承通过轴承外压螺母与轴固定座固连，并压紧轴承外圈，旋转轴与轴承内压螺母固连，并压紧轴承内圈，工件轴承设置有两个，之间设置有工件轴承隔圈。
工件轴承设置有两个，之间设置有工件轴承隔圈，工件轴承的外圈与工件轴固定座固连，工件轴承外压螺母通过螺纹与工件轴固定座固连，并压紧工件轴承外圈，工件轴承内压螺母通过螺纹与工件旋转轴固连，并压紧工件轴承的内圈。
所述的电机设置于机座上；
工件电机设置于工件机座上。
所述的研磨抛光材料为金刚石丸片、树脂、聚氨酯、柏油或毛毡。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明方法将以前的面接触改为线接触，抛光效率大幅提高；
本发明结构简单，方便实用，实现了加工磨具和被加工零件的自吻合，适用于平面、球面、非球面光学零件的加工；其次，轮廓线拟合抛光头可以高速旋转，可以大大提高零件的研磨和抛光效率。
附图说明
图1本发明轮廓线拟合抛光头示意图；
图2本发明轮廓线拟合抛光头与被加工件自吻合示意图；
图3本发明旋转轮廓线拟合抛光头示意图；
图4本发明轮廓线拟合非球面抛光装置实现旋转对称球面光学零件抛光示意图；
图5本发明轮廓线拟合非球面抛光装置实现旋转对称非球面光学零件抛光示意图。
图中：001-轮廓拟合抛光头，002-研磨抛光材料，003-工件，004-旋转轴，005-轴固定座，006-轴承，007-轴承隔圈，008-轴承外压螺母，009-轴承内压螺母，010-联轴器，011-电机，012-机座，013-安装工装，014-工件旋转轴，015-工件轴承，016-工件轴承隔圈，017-工件轴固定座，018-工件轴承内压螺母，019-工件轴承外压螺母，020-工件联轴器，021-工件电机。
具体实施方式
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作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。
一种非球面光学元件的抛光方法，采用柱状抛光头进行高速旋转抛光，所述抛光头的轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，高速旋转过程中，抛光头轮廓线与被加工非球面光学元件过顶点的轮廓线为线接触方式。
实施例一： 参见图1和图2，一种用于非球面光学原件轮廓线拟合抛光装置，包括抛光头001，用于连接抛光头001的连接器，和用于固定工件003的固定器；
所述的抛光头001结构为中心设置有通孔的柱形，柱形圆周面上设置有内凹面，内凹面的形状与工件003的外轮廓相匹配，所述的内凹面上粘接设置有研磨抛光材料002；
所述的用于连接抛光头001的连接器（参见图3）的结构包括旋转轴004、轴固定座 005、联轴器0010和电机011；所述的旋转轴004设置于轴固定座 005内并通过轴承006实现旋转，轴承006设置有两个，之间间隔轴承隔圈007，轴承006的外圈与轴固定座005固连，轴承外压螺母008通过螺纹与轴固定座005固连，并压紧轴承006外圈，轴承内压螺母009通过螺纹与旋转轴004固连，并压紧轴承006内圈，旋转轴004的两端分别伸出于轴固定座 005，一端与抛光头001中心孔连接，另一端与联轴器0010连接，所述的联轴器0010的另一端与电机011连接，所述的电机011的轴与旋转轴004连接，电机011的动力轴通过联轴器010与旋转轴004连接，电机011设置于机座012上，在电机011通电后，能够驱动旋转轴004旋转，进而带动抛光头001旋转。
所述的用于固定工件003的固定器的结构包括用于固定工件003的安装工装013、工件旋转轴014、工件轴固定座017、工件联轴器020和工件电机021；所述的工件旋转轴014设置于工件轴固定座017内并通过工件轴承015实现旋转，工件轴承015设置有两个，之间间隔工件轴承隔圈016，工件轴承015的外圈与工件轴固定座017固连，工件轴承外压螺母019通过螺纹与工件轴固定座017固连，并压紧工件轴承015外圈，工件轴承内压螺母018通过螺纹与工件旋转轴014固连，并压紧工件轴承015的内圈，工件旋转轴014的两端分别伸出于工件轴固定座017，一端与工装013中心连接，另一端与工件联轴器020连接，所述的工件联轴器020的另一端与工件电机021连接，所述的工件电机021的轴与工件旋转轴014连接，工件电机021设置于工件机座012上。
使用时，将所述的工件003设置于安装工装013上，这里的工件为球面光学零件，参见图4。调整安装工装013，使之与抛光头001上的研磨材料相贴，这样在工件电机021通电后，能够驱动工件旋转轴014旋转，进而带动球面光学零件003.1旋转。在加工过程中，球面光学零件003.1绕着中心旋转线旋转，同时抛光头001绕着中心旋转线旋转，这样就可以实现球面光学零件003.1的研磨或者抛光。
实施例二：一种用于非球面光学零件轮廓线拟合抛光装置，包括抛光头001，用于连接抛光头001的连接器，和用于固定工件003的固定器；
所述的抛光头001结构为中心设置有通孔的柱形，柱形圆周面上设置有内凹面，内凹面的形状与工件003的外轮廓相匹配，所述的内凹面上粘接设置有研磨抛光材料002（参见图1和图2）；
所述的用于连接抛光头001的连接器（参见图3）的结构包括旋转轴004、轴固定座 005、联轴器0010和电机011；所述的旋转轴004设置于轴固定座 005内并通过轴承006实现旋转，轴承006设置有两个，之间间隔轴承隔圈007，轴承006的外圈与轴固定座005固连，轴承外压螺母008通过螺纹与轴固定座005固连，并压紧轴承006外圈，轴承内压螺母009通过螺纹与旋转轴004固连，并压紧轴承006内圈，旋转轴004的两端分别伸出于轴固定座 005，一端与抛光头001中心孔连接，另一端与联轴器0010连接，所述的联轴器0010的另一端与电机011连接，所述的电机011的轴与旋转轴004连接，电机011的动力轴通过联轴器010与旋转轴004连接，电机011设置于机座012上，在电机011通电后，能够驱动旋转轴004旋转，进而带动抛光头001旋转。
所述的用于固定工件003的固定器的结构包括用于固定工件003的安装工装013、工件旋转轴014、工件轴固定座017、工件联轴器020和工件电机021；所述的工件旋转轴014设置于工件轴固定座017内并通过工件轴承015实现旋转，工件轴承015设置有两个，之间间隔工件轴承隔圈016，工件轴承015的外圈与工件轴固定座017固连，工件轴承外压螺母019通过螺纹与工件轴固定座017固连，并压紧工件轴承015外圈，工件轴承内压螺母018通过螺纹与工件旋转轴014固连，并压紧工件轴承015的内圈，工件旋转轴014的两端分别伸出于工件轴固定座017，一端与工装013中心连接，另一端与工件联轴器020连接，所述的工件联轴器020的另一端与工件电机021连接，所述的工件电机021的轴与工件旋转轴014连接，工件电机021设置于工件机座012上。
零件为非球面光学零件（参见图5）。所述的工件003设置于安装工装上，并与抛光头001上的研磨材料相贴，这样在工件电机021通电后，能够驱动工件旋转轴014旋转，进而带动非球面光学零件003.2旋转。在加工过程中，非球面光学零件003.2绕着中心旋转线旋转，同时抛光头001绕着中心旋转线旋转，这样就可以实现非球面光学零件003.2的研磨或者抛光。
上述两个实施例中研磨抛光材料002为金刚石丸片、树脂、聚氨酯、柏油或毛毡，也可以是其他可用于光学玻璃或者塑料加工的材料，这些材料采用胶粘的方式与抛光头001固连。轮廓拟合抛光头001过中心线的切面表面轮廓线与被加工零件003过旋转中心线的切面表面轮廓线保持一致。
轮廓线拟合抛光头001，该轮廓拟合抛光头包括一个固定安装孔和一个仿形面，该仿形面的轮廓根据被加工零件的表面的形状确定，要求仿形面的形状与被加工零件的表面形状保持一致。
上述轮廓线拟合抛光头为金属或非金属材料，能够实现高速旋转，所述轮廓线拟合抛光头固定安装在高速旋转轴上，所述高速旋转轴被电机驱动可进行高速旋转。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (7)
1.非球面光学元件的抛光方法，其特征在于：所述的抛光方法采用柱状抛光头进行高速旋转抛光，所述抛光头的轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，高速旋转过程中，抛光头轮廓线与被加工非球面光学元件过顶点的轮廓线为线接触方式。
2.如权利要求1所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：包括抛光头（001）、用于旋转抛光头的旋转组件和用于固定工件的固定器；
所述的抛光头（001）为中心设置有通孔的柱状体，其圆周面上的外轮廓线方程与被加工非球面光学元件过顶点的截面线方程一致，抛光头（001）的圆周面上粘接有研磨抛光材料（002）；
所述的旋转组件包括旋转轴（004）、轴固定座 （005）、联轴器（0010）和电机（011）；所述的旋转轴（004）设置于轴固定座 （005）内并通过轴承（006）实现旋转，旋转轴（004）的两端分别伸出于轴固定座 （005），一端与抛光头（001）中心孔连接，另一端与联轴器（0010）连接，所述的联轴器（0010）的另一端与电机（011）连接，所述的电机（011）的轴与旋转轴（004）连接；
所述的固定器的结构包括用安装工装（013）、工件旋转轴（014）、工件轴固定座（017）、工件联轴器（020）和工件电机（021）；所述的工件旋转轴（014）设置于工件轴固定座（017）内并通过工件轴承（015）实现旋转，工件旋转轴（014）的两端分别伸出于工件轴固定座（017），一端与安装工装（013）中心连接，另一端与工件联轴器（020）连接，所述的工件联轴器（020）的另一端与工件电机（021）连接，所述的工件电机（021）的轴与工件旋转轴（014）连接。
3.如权利要求2所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：所述的轴承（006）设置有两个，之间设置有轴承隔圈（007）；轴承（066）的外圈与轴固定座（005）固连，最外侧的轴承通过轴承外压螺母（008）与轴固定座（005）固连，并压紧轴承（006）外圈，旋转轴（004）与轴承内压螺母（009）固连，并压紧轴承（006）内圈，工件轴承（015）设置有两个，之间设置有工件轴承隔圈（016）。
4.如权利要求2所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：其特征在于：工件轴承（015）设置有两个，之间设置有工件轴承隔圈（016），工件轴承（015）的外圈与工件轴固定座（017）固连，工件轴承外压螺母（019）通过螺纹与工件轴固定座（017）固连，并压紧工件轴承（015）外圈，工件轴承内压螺母（018）通过螺纹与工件旋转轴（014）固连，并压紧工件轴承（015）的内圈。
5.如权利要求3所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：其特征在于：所述的电机（011）设置于机座（012）上。
6.如权利要求4所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：工件电机（021）设置于工件机座（012）上。
7.如权利要求5或6所述的一种非球面光学元件的抛光方法所使用的装置，其特征在于：其特征在于：所述的研磨抛光材料（002）为金刚石丸片、树脂、聚氨酯、柏油或毛毡。
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