CN110227984B - 非球面光学元器件抛光工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元器件抛光工艺，属于光学元器件加工领域。本发明的非球面光学元器件抛光工艺的实施过程如下：设置磁流变液以及磁场；所述磁流变液在所述磁场的作用下形成环形抛光工具；所述环形抛光工具与待抛光的加工工件接触并产生相对运动，以对待抛光的加工表面进行抛光。本发明的非球面光学元器件抛光工艺可以高效的对非球面光学元器件表面进行抛光处理。

Description

非球面光学元器件抛光工艺

技术领域

本发明涉及光学元器件加工领域，尤其是涉及非球面光学元器件抛光工艺。

背景技术

随着当今社会的飞速发展，人们的生活水平不断提高，智能手机、无人驾驶汽车、军用红外设备、医用内窥镜以及安防视频监控等领域方兴未艾，光学元器件作为这些领域的核心器件，在未来将会有更加广阔的市场前景。

传统的光学元器件采用球面光学元器件，在光线通过球面镜成像后，光线聚焦点发散、成像模糊，将会对图像信息的准确度造成一定误差。近年来，人们逐渐开始采用非球面光学元器件替代传统的球面光学元器件，非球面光学元器件在光学系统中能够消除光能损失，提高光学系统的图像信息采集能力和相对口径比，减轻设备的重量，被广泛应用于X射线光学系统、功能光电器件以及信息与微电子等尖端科技领域，光线在通过非球面镜后聚焦点集中，成像效果明显优于球面光学元器件，因此，非球面光学元器件以其优异的性能正在逐渐取代球面光学元器件。

在非球面光学元器件的加工制造中，作为后端工序的超精密修抛加工是决定非球面光学元器件在精度和品质上是否达标的最重要的关键关节。但是，目前市场上还没有能够高效处理非球面光学元器件的抛光工艺。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种非球面光学元器件抛光工艺，能够高效的对非球面光学元器件表面进行抛光处理。

本发明实施例解决上述技术问题所采取的技术方案为：提供一种非球面光学元器件抛光工艺，设置磁流变液以及磁场；所述磁流变液在所述磁场的作用下形成环形抛光工具；所述环形抛光工具与待抛光的加工工件接触并产生相对运动，以对待抛光的加工表面进行抛光。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁场为旋转磁场。

作为上述技术方案的进一步改进，设置环形磁铁，通过所述环形磁铁产生所述磁场，所述磁流变液沿所述环形磁铁的轴线方向设置。

作为上述技术方案的进一步改进，使所述环形磁铁转动，所述环形磁铁的转动中心线与所述环形磁铁的轴线具有预设的偏距。

作为上述技术方案的进一步改进，记所述偏距与所述环形磁铁的内径的比值为r，其中，0<r≤1/2。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁流变液转动，以带动所述环形抛光工具转动。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述磁流变液所在区域施加电场，所述电场朝向所述加工工件一侧的电场强度大于所述电场远离所述加工工件一侧的电场强度。

作为上述技术方案的进一步改进，设置载液载体，所述磁流变液承载于所述载液载体上。

作为上述技术方案的进一步改进，设置电源，所述电源的一端与所述载液载体连接，所述电源的另一端与所述加工工件连接，所述加工工件的横截面积小于所述载液载体的横截面积。

作为上述技术方案的进一步改进，使所述载液载体转动，以带动承载于所述载液载体上的磁流变液转动。

作为上述技术方案的进一步改进，设置六轴机械手，通过六轴机械手夹持所述加工工件，以带动所述加工工件在所述环形抛光工具上运动。

作为上述技术方案的进一步改进，设置电源，所述电源的一端与所述载液载体连接，所述电源的另一端与所述六轴机械手连接，所述六轴机械手与所述电源连接的部位的横截面积小于所述载液载板的横截面积。

本发明的有益效果：

本发明的非球面光学元器件抛光工艺，利用磁流变原理，通过磁场的作用，使磁流变液产生环形抛光工具，利用环形抛光工具与非球面光学元器件表面进行相对运功，进而去除非球面光学元器件表面的材料，能够高效的进行非球面光学元器件表面的抛光处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明非球面光学元器件抛光工艺一个实施例的流程图；

图2为磁流变液受磁场作用下磨粒的分布示意图；

图3为r＝0时形成的环形抛光工具的结构示意图；

图4为r＝1/2时形成的环形抛光工具的结构示意图；

图5为r＝0时的抛光结果示意图；

图6为r＝1/2时的抛光结果示意图；

图7为电场对磨粒的作用示意图；

图8为磁流变液受磁场与电场的共同作用下磨粒的分布示意图；

图9为基于本发明非球面光学元器件抛光工艺的抛光装置一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

本发明实施例提供一种非球面光学元器件抛光工艺，参照图1，示出了一个实施例的非球面光学元器件抛光工艺，其详细抛光过程如下：

设置磁流变液以及磁场；在磁场的作用下，磁流变液形成环形抛光工具；将形成的环形抛光工具与待抛光的加工工件(非球面光学元器件)接触并相对运动，利用环形抛光工具将加工工件表面的材料去除，实现抛光。

磁流变抛光的基本原理是：流动的磁流变液在工作区域高磁场梯度的作用下，变为具有一定硬度的柔性磨头(环形抛光工具)，柔性磨头以剪切的形式实现对材料的去除。柔性磨头能够与任意曲面吻合度高、循环的磁流变液使得磨头具有自锐性、加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小、加工适应性广以及加工大厚径比的光学镜面不存在复印效应的优点，因此，能够高效的实现对非球面光学元器件的抛光。

如图2，示出了磁流变液受磁场作用下磨粒的分布示意图。磁流变液在未施加磁场时，是一种流动的液体，而在施加磁场后，磁流变液在磁场梯度的作用下，变为具有一定硬度的柔性磨头，这一柔性磨头以剪切的形式实现对材料的去除。如图2，磁流变液位于载液载体1与加工工件6之间，磁流变液中包含许多的磁敏粒子100以及磨粒110，在磁场的作用下，磁敏粒子100将会沿着磁力线发生聚合进而生成磁性链，磨粒110由于磁浮力的作用聚集在磁性链的顶部及周围，在抛光时，磨粒110在磁浮力和重力的合力作用下与工件接触，在工件表面进行微切削。

在优选的实施例中，设置磁场为旋转磁场，当磁场旋转时，磁敏粒子100形成的磁性链会相应的发生旋转运动，表现为磁性链不断搅动，使得位于磁性链上的磨粒110不断被搅动，犹如液体被搅动，位于顶部的磨粒110会不断的被下部的磨粒110置换，保证顶部磨粒110的更新。

本发明一个实施例中，磁场通过环形磁铁形成，设置磁流变液沿环形磁铁的轴线方向设置，这样，在环形磁铁朝向磁流变液的一侧，环形磁铁形成的磁场位于磁流变液的工作区域内，在环形磁铁的磁场的作用下，磁流变液的工作区域内形成高磁场梯度，在该高磁场梯度的作用下，形成环形抛光工具，并且，由于采用环形磁铁，在其磁场的作用下，生成的抛光工具对应呈环形结构，在对加工工件表面抛光处理时，能够方便地与加工工件表面的各个部位接触并产生相对运动。

优选的，设置环形磁铁转动，并使环形磁铁的转动中心线与环形磁铁的轴线之间设置预设的偏距。环形磁铁一侧形成的磁场以环形磁铁的轴线为中心是对称的，而设置环形磁铁偏心转动，可以使得环形磁铁在磁流变液的工作区域产生的磁场是旋转的，从而保证磁流变液内磨粒的更新。

本发明实施例还研究了磁体的偏距的设置对抛光的影响，其中，以外径30mm、内径为9mm的永久磁铁为例。记磁体2的偏距除以磁体2自身的内径的比值为r，则，在本发明实施例中，r的范围优选为大于0小于等于1/2。

参照图3与图4，图3示出了r＝0时形成的环形抛光工具的结构示意图，图4示出了r＝1/2时形成的环形抛光工具的结构示意图。当r＝0时，如图3，形成的环形抛光工具中磁链聚集现象十分严重，而当r＝1/2时，如图4，形成的环形抛光工具则十分均匀，这是因为偏心转动产生偏心旋转磁场，使得磁力线搅拌抛光液所致。继续参照图5与图6，图5示出了r＝0时的抛光效果图，图6示出了r＝1/2时的抛光效果图，当r＝0时，形成的环形抛光工具对加工工件表面进行抛光时，几乎没有抛光效果，而当r＝1/2时，表面粗糙度可以从50nm降低到10nm左右，抛光的效果十分明显。可见，当r选择为大于0且小于等于1/2时，由于磁体的偏心转动，能够产生偏心的旋转磁场，使得磁流变液内的磨粒搅动，形成更加均匀的环形抛光工具，从而达到更好的抛光效果。然而，当r继续增加时，虽然磁体仍然在做偏心转动，但是过大的偏心距会使磁体远离旋转中心，磁体形成的磁场也开始远离旋转中心处，导致磁体产生的磁场只能对部分的磁流变液区域作用，磁流变液中心区域的部分受到磁场的作用明显减小，反而也降低了产生的抛光工具的形状和表面均匀性，随之抛光效果也相应下降。

本发明一个实施例中，为了进一步增加抛光的效率，设置磁流变液转动，这样，磁流变液形成的环形抛光工具发生转动，加工工件与环形抛光工具接触时，环形抛光工具的转动能够加快环形抛光工具对加工工件的抛光效率。

优选的，设置载液载体，磁流变液承载于载液载体上，设置载液载体转动，通过载液载体的转动带动磁流变液转动。

在上述方案的基础上，为了进一步增加对非球面光学元器件表面抛光的效率，本发明另一个实施例在抛光过程中引入了电场，利用电场与磁场的共同作用，优化磁流变液内磨粒的分布。

该实施例的方案与上述方案基本相同，不同之处在于：在磁流变液的工作区域设置电场，且靠近加工工件一侧电场强度大于远离加工工件一侧的电场强度，在电场的作用下，磨粒沿着电场强度更高的一侧移动，使磁流变液内形成的环形抛光工具内的磨粒更多。

如图7，示出了电场对磁流变液内磨粒的作用示意图。常规的磨粒材料包括二氧化硅、碳化硅、氧化铈、氧化铝、金刚石等，这些材料均为稳定的电中性物质，利用中性粒子的介电泳现象，我们可以对磨粒的分布位置进行控制。如图7，在磨粒所在区域内设置非均匀的电场，从图7中可知，左侧的电场强度小于右侧的电场强度，中性粒子(磨粒)在较高的非均匀电场中会发生极化，在中性粒子(磨粒)内部两端产生等量的异种电荷，从而形成电偶极子，由于高强度的电场是非均匀的，所以中性粒子(磨粒)两端的电场强度有差异，导致了中性粒子(磨粒)所受到的电场力合力不为零，产生定向运动，并向电场强度更大的一个方向运动，这种现象被称为介电泳现象。

如图8，示出了在磁场与电场的共同作用下，磨粒的位置分部示意图，请结合图2，图2中，仅在磁场的作用下，磨粒110主要聚集在磁性链的顶部及周围，而在图8中，可以发现，磨粒110明显地向磁性链的顶部(靠近加工工件的一侧)聚集，如此，形成的环形抛光工具将含有更多的磨粒，能够更加高效的对加工工件进行抛光。

为了形成上述的电场，本发明实施例设置电源。在一个实施例中，电源的一端与载液载体连接，电源的另一端与加工工件连接，在电源的作用下，载液载体、加工工件分别带有异种电荷，并在载液载体与加工工件之间形成电场，其中，设置加工工件的横截面积小于载液载体的横截面积，在两者总电荷量相等的情况下，由于加工工件的横截面积更小，加工工件一侧的电场强度更大，因此，磨粒会朝向加工工件一侧移动；在另一个实施例中，加工工件通过移动部件连接，通过移动部件带动加工工件产生运动，电源的一端与载液载体连接，电源的另一端与移动部件连接，其中，移动部件与电源连接的部位的横截面积小于载液载体的横截面积，在移动部件与电源连接的部位到载液载体之间形成所需的电场，因此，磨粒同样向加工工件一侧运动。

优选的，移动部件设为六轴机械手，可以带动加工工件在左右、上下、前后方向以及横滚、俯仰、偏航方向做运动，确保对加工工件表面的各个部位进行抛光处理。

参照图9，示出了非球面光学元器件抛光装置一个实施例的结构示意图，其可以用来实施本发明实施例的非球面光学元器件抛光工艺。非球面光学元器件抛光装置，包括载液载体1、环形磁铁2，载液载体1上承载有磁流变液，环形磁铁2位于载液载体1的下方，环形磁铁2产生的磁场作用在磁流变液的工作区域，使磁流变液内形成环形抛光工具3，由于环形磁铁2环形结构，形成的环形抛光工具3也相应的呈环形，在对非球面光学元器件进行抛光处理时，将加工工件6(非球面光学元器件)与环形抛光工具3接触，并保持两者相对运功，利用环形抛光工具3对加工工件6进行抛光处理。

环形磁铁2连接有第一转动装置，第一转动装置包括第一电机20、承载件21，承载件21与第一电机20的输出轴紧固连接，环形磁铁2固设于承载件21上，且环形磁铁2的轴线与承载件21的转动中心线之间设有预设的偏距，第一电机20工作，承载件21随之转动，环形磁铁2则随之作偏心转动，进而搅动磁流变液，使磁流变液内的磨粒更换。

载液载体1连接有第二转动装置，第二转动装置包括第二电机10、转动主轴11、第一同步轮12、第二同步轮13，第一同步轮12紧固设置于第二电机10的输出轴上，第二同步轮13紧固设置于转动主轴11上，第一同步轮12与第二同步轮13同步转动连接，在第二电机10工作时，第一同步轮12随之转动，第二同步轮13随着第一同步轮12的转动而同步转动，转动主轴11随第二同步轮13的转动而共同转动，使得载液载体1转动，载液载体1上环形抛光工具3相应的产生转动。

加工工件6通过移动部件5夹持，移动部件5可以选用二轴机械手、三轴机械手、四轴机械手等，或其他类似的具备移动以及转动功能的部件，本实施例中，移动部件5优选为六轴机械手，其可以带动加工工件6实现左右、上下、前后方向以及俯仰、横滚、偏航方向上的运动，以保证加工工件6在环形抛光工具3上充分的运动，保证加工工件6表面的各个部位得到充分的抛光。移动部件5上设有工件夹具51，通过工件夹具51夹持加工工件6，并带动加工工件6运动。

在此基础上，本发明实施例的非球面光学元器件抛光装置还包括电源7。通过电源7向磁流变液的工作区域内施加电场，使磁流变液内的磨粒向加工工件6一侧移动。

如图9，电源7的一端与载液载体1连接，电源7的另一端与夹具51连接，且夹具51的横截面积小于载液载体1的横截面积，由于夹具51上的电荷量与载液载体1上的电荷量相等，且夹具51的横截面积1更小，故而夹具51一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，磁流变液内的磨粒在电场的作用下，向加工工件6一侧移动。当然，在其他的实施例中，也可以将电源7与加工工件6连接，使加工工件6的横截面积小于载液载体1的横截面积，在加工工件6与载液载体1之间形成电场强度差，使磨粒向加工工件6移动。

电源7可以为直流电源或交流电源，其中优选为交流电源，在电源7与夹具51之间设有电刷70，电刷70与夹具51之间通过减振弹簧71连接。移动部件5上设有支架50，电刷70固定设置在支架50上，支架50优选为绝缘材料制得。

优选的，加工工件5与夹具51或夹具51与移动部件5绝缘连接，载液载体1与转动主轴11绝缘连接。

以上为实现本发明实施例的非球面光学元器件抛光工艺的一个实施例的非球面光学元器件抛光装置，需要注意，该实施例的非球面光学元器件抛光装置并非实施本发明实施例的非球面光学元器件抛光工艺的唯一的装置，本领域技术人员依据本发明实施例的非球面光学元器件抛光工艺的原理，可以对装置进行变换。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，

设置磁流变液以及磁场；

所述磁流变液在所述磁场的作用下形成环形抛光工具；

所述磁流变液转动，以带动所述环形抛光工具转动；

设置载液载体，所述磁流变液承载于所述载液载体上；

非球面光学元器件抛光装置包括载液载体和环形磁铁，所述载液载体上承载有所述磁流变液，所述环形磁铁位于所述载液载体的下方，所述环形磁铁产生的磁场作用在所述磁流变液的工作区域，使所述磁流变液内形成所述环形抛光工具；

所述环形磁铁连接有第一转动装置，所述第一转动装置包括第一电机和承载件，所述承载件与所述第一电机的输出轴紧固连接，所述环形磁铁固设于所述承载件上，且所述环形磁铁的轴线与所述承载件的转动中心线之间设有预设的偏距，所述第一电机工作，所述承载件随之转动，所述环形磁铁则随之作偏心转动，进而搅动所述磁流变液，使所述磁流变液内的磨粒更换；

所述载液载体连接有第二转动装置，所述第二转动装置包括第二电机、转动主轴、第一同步轮和第二同步轮，所述第一同步轮紧固设置于所述第二电机的输出轴上，所述第二同步轮紧固设置于所述转动主轴上，所述第一同步轮与所述第二同步轮同步转动连接，在所述第二电机工作时，所述第一同步轮随之转动，所述第二同步轮随着所述第一同步轮的转动而同步转动，所述转动主轴随所述第二同步轮的转动而共同转动，使得所述载液载体转动，所述载液载体上所述环形抛光工具相应的产生转动；

所述环形抛光工具与待抛光的加工工件接触并产生相对运动，以对待抛光的加工表面进行抛光，在所述磁流变液所在区域施加电场，所述电场朝向所述加工工件一侧的电场强度大于所述电场远离所述加工工件一侧的电场强度，设置环形磁铁，通过所述环形磁铁产生所述磁场，所述磁流变液沿所述环形磁铁的轴线方向设置，使所述环形磁铁转动，所述环形磁铁的转动中心线与所述环形磁铁的轴线具有预设的偏距。

2.根据权利要求1所述的非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，记所述偏距与所述环形磁铁的内径的比值为r，其中，0＜r≤1/2。

3.根据权利要求1所述的非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，设置电源，所述电源的一端与所述载液载体连接，所述电源的另一端与所述加工工件连接，所述加工工件的横截面积小于所述载液载体的横截面积。

4.根据权利要求1所述的非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，使所述载液载体转动，以带动承载于所述载液载体上的磁流变液转动。

5.根据权利要求1所述的非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，设置六轴机械手，通过六轴机械手夹持所述加工工件，以带动所述加工工件在所述环形抛光工具上运动。

6.根据权利要求5所述的非球面光学元器件抛光工艺，其特征在于，设置电源，所述电源的一端与所述载液载体连接，所述电源的另一端与所述六轴机械手连接，所述六轴机械手与所述电源连接的部位的横截面积小于所述载液载板的横截面积。

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