CN110450014A - 一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，包括：可二维运动的音圈电机振动平台和安装在音圈电机振动平台上的柔性多层抛光盘；柔性多层抛光盘由依次连接的刚性抛光底板、柔性抛光层和抛光片组成；其中，柔性抛光层采用形变响应时间在几十毫秒到几百毫秒的弹性材料。通过控制每个维度的音圈电机振幅及相位可以合成实现抛光盘的指定振幅及指定方向的运动。使用本发明能够在保持面形误差的前提条件下快速提升表面粗糙度。

Description

一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置

技术领域

本发明涉及超精密光学加工技术领域，尤其涉及一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，尤其适用于碳化硅、硅、熔石英、ULE等材料的大口径复杂曲面反射镜抛光。

背景技术

在传统大口径及超大口径碳化硅、硅、熔石英、ULE等材料的复杂曲面反射镜在从精密研磨阶段转为抛光阶段时，需要经历漫长的子孔径抛光过程，迭代次数多、抛光效率低、耗时过长，而且非常容易出现抛光过后部分局部偏低的区域粗糙度较其他区域偏差，在干涉仪检测过程中经常会出现数据坏点，无法进行有效检测。这一过程给光学加工工作者带来了较大的烦恼。为提升单次抛光效率并降低检测难度，提出一种利用高频微幅振动的方式来替代传统的计算机数控小磨头加工(CCOS)方案。在传统CCOS方案中，抛光盘多由沥青、聚氨酯等常见抛光材料组成，通过机械结构实现大幅度(5-50mm)、低频率(1-10Hz)的类似行星公自转运动的方式实现光学加工，在加工非球面度较大或是存在多拐点的自由曲面光学元件过程中，由于沥青的自流动性虽然可以满足在一定程度上使抛光盘与光学元件贴合，但在快速加工过程中沥青的自流动性则满足不了抛光需求，直接导致部分局域偏低的区域无法被充分加工到。

针对另一种常见的光学加工过程中的中高频面形误差问题，由于累计加工时间过长，容易在光学元件表面形成一定空间频率的面形误差。而这种误差的引入则很容易会导致光学元件的面形误差无法继续收敛，所以非常有必要采取措施消除中高频面形误差的比重。而传统的CCOS加工方法是使用口径及牌号硬度偏大的沥青盘进行子孔径抛光。采用这种方法带来的弊端就是虽然降低了中高频面形误差的比重，但会在一定程度上破坏原有的良好的低频面形误差。

所以为了解决在大口径复杂曲面加工过程中面临的问题，有针对性的发明了针对大口径抛光需求的高频微幅振动抛光技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，能够在保持面形误差的前提条件下快速提升表面粗糙度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，包括：可二维运动的音圈电机振动平台和安装在音圈电机振动平台上的柔性多层抛光盘；

柔性多层抛光盘由依次连接的刚性抛光底板、柔性抛光层和抛光片组成；柔性抛光层采用形变响应时间在几十毫秒到几百毫秒的弹性材料；

通过控制每个维度的音圈电机振幅及相位可以合成实现抛光盘的指定振幅及指定方向的运动。

优选地，所述柔性抛光层采用硬度范围为Shore A 10～30、厚度为1～10mm的聚氨酯泡沫。

优选地，所述柔性多层抛光盘的口径是待抛光光学元件口径的十分之一到三分之一。

优选地，所述抛光片采用聚氨酯抛光片。

优选地，所述音圈电机振动平台为矩形音圈电机二维平台，或者由两个柱状音圈电机正交叠加实现。

优选地，该装置进一步包括安装在音圈电机振动平台的加工装置施压系统。

优选地，所述加工装置施压系统包括刚性底板、刚性施压板，以及安装在刚性底板和刚性施压板之间的施压机构，刚性底板与运动机床相连，刚性施压板与音圈电机振动平台相连。

优选地，所述施压机构为气缸，或者施压机构由弹簧配合直线导轨实现，弹簧轴线与导轨运动方向平行。

优选地，所述刚性抛光底板的曲率半径与被抛光光学元件的最接近球面半径或是顶点半径相等。

有益效果：

(1)本发明采用具有特殊频率响应特性柔性抛光层的抛光盘，能够在高压强作用下使得抛光面有效与大口径光学元件的被加工区面形完美贴合，使得被加工光学元件在加工区的压强分布一致，即使在面形误差分布较低的区域仍然可以获得足够的压力，最终在抛光初始阶段面形误差分布的高点区域与低点区域压力分布较为接近，低点区域能够获得良好的抛光，从而实现本发明的第一个目的：让大口径光学元件在被加工区域快速抛光获得良好的表面粗糙度，从而能够进入干涉仪进行高精度的面形检测。

(2)本发明采用二维运动的音圈电机振动平台带动抛光盘运动，音圈电机振动平台能够实现高频微幅振动，在精抛光阶段，由于面形误差分布的高低点之间由于加工压力的微小差异，通过一定加工时间积累后，高点的去除量偏大，低点的去除量偏小，从而使得高低点之间的面形分布高度差减小，最终能够获得本发明的第二个目的：较为良好的中高频面形误差分布。

附图说明

图1为基于音圈电机的高频微幅二维振动抛光装置的示意图；

图2为柔性多层抛光盘的示意图；

图3为加工装置施压结构示意图。

其中，1-加工装置施压系统，2-X轴方向运动的矩形音圈电机系统，3-Y轴方向运动的矩形音圈电机系统，4-柔性多层抛光盘，11-与运动机床连接的施压刚性底板，12-气缸施压结构，13-刚性施压板，41-刚性抛光底板，42-柔性抛光层，43-聚氨酯抛光片。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，其基本思想是：该装置采用形变响应时间在几十毫秒到几百毫秒之间的柔性抛光层构成柔性多层抛光盘，在加工非球面度较大或是存在多拐点的自由曲面光学元件过程中，这种柔性抛光层能够使抛光盘与光学元件贴合，对于局域偏高或偏低的区域均能充分加工到。该装置还采用了基于音圈电机振动平台的高频微幅振动抛光技术，在一定程度上降低中高频面形误差比重的同时并不会破坏原有的低频面形误差，有利于降低光学元件在光学系统中的散射特性，提高光学系统传递函数。该方案解决了在抛光大口径及超大口径光学元件时，完成精密研磨阶段后，利用抛光方法无法短时间内进入干涉仪进行光学干涉检测的问题。

本发明适用于大口径复杂曲面光学表面的抛光，尤其适用于大口径复杂曲面反射镜的抛光。

下面结合附图并举实施例，对本发明应用于反射镜进行详细描述。

图1为本发明应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，如图1所示，该装置包括柔性多层抛光盘4、可二维运动的音圈电机振动平台2,3，以及加工装置施压系统1。

柔性多层抛光盘4的直径可以从被加工反射镜直径的十分之一到三分之一变化，具体尺寸需要结合实际光学加工参数综合决定。如图2所示，柔性多层抛光盘4由依次连接的刚性抛光底板41、柔性抛光层42和抛光片43组成，具体来说：

刚性抛光底板41由刚性较好的金属材料制成，例如不锈钢、铝合金等。刚性抛光底板41与柔性抛光层42粘接的面形主要由被加工大口径反射镜的面形决定，为了实现在加工过程中抛光盘能够完美与大口径反射镜表面贴合，刚性抛光底板41的曲率半径最好与被加工大口径反射镜的最接近球面半径或是顶点半径相等，这样可以使得柔性抛光层42在后续加工过程厚度方向变化量一致，从而获得更均匀的压力分布。

柔性抛光层42覆盖在刚性抛光底板41之上。柔性抛光层42采用采用形变响应时间在几十毫秒到几百毫秒的弹性材料制成。本实施例中，选用具有特定硬度(shore A 10-30)、厚度(1-10mm)的聚氨酯泡沫作为柔性抛光层，这种材料的弹性适中且回弹速度满足本发明的光学加工要求。根据光学元件不同面形及加工阶段，柔性抛光层的硬度及厚度的具体选择遵循的规则如下：面向非回转对称的、具有多拐点的、面形复杂的自由曲面的初始抛光阶段，柔性抛光层的硬度就需要偏软，其硬度shore A值偏向于10，厚度范围在5-10mm之间为佳，硬度偏小的弹性层可以有效覆盖自由曲面抛光区的波峰与波谷区域，而偏厚的弹性层则可以保证波峰与波谷区的加工压力较为接近，这样波峰、波谷区的材料去除量接近，非常适于加工初期的保形抛光。而在自由曲面加工后期需要针对一定空间频率(对应波长0.1-5mm)的面形误差进行消除时，则可以选择较薄的弹性层，使得抛光接触区内的波峰位置受到偏大的抛光压力，而相对于波谷位置其压力偏小，由此带来的结果是波峰区去除量较大，波谷区去除量小，从而使得波峰波谷的差值向0收敛，最终消除特定空间频率的面形误差。

如果面向同轴、离轴非球面加工时，由于非球面面形很少存在多拐点的情况，因此选择弹性层时其硬度偏向于shore A 30，厚度以非球面度为依据，非球面度偏大时，宜选择5-10mm范围，非球面度偏小时，厚度在1-5mm即可满足应用需求，最后仍以实际加工结果进行微调达到表面粗糙度快速收敛的最优结果。

柔性抛光层的主要目的是在高压强作用下能够有效与大口径反射镜的被加工区面形完美贴合，使得反射镜在加工区的压强分布一致，即使在面形误差分布较低的区域仍然可以获得足够的压力，最终在抛光初始阶段面形误差分布的高点区域与低点区域压力分布较为接近，低点区域能够获得良好的抛光，从而实现本发明的第一个目的：让大口径反射镜在被加工区域快速抛光获得良好的表面粗糙度，从而能够进入干涉仪进行高精度的面形检测。

抛光片43覆盖在柔性抛光层42之上，可以采用光学加工中常见的聚氨酯抛光片。聚氨酯抛光片厚度不超过2mm，硬度不宜过大，以环球公司的聚氨酯抛光片的产品为基准，其硬度不超过LP87，聚氨酯抛光片为常见产品，这里不详述。

为了实现抛光盘的高频微幅振动的目的，在刚性抛光底板的背部安装一个具有二维运动功能的音圈电机振动平台。这个平台有两种实现方式：方式一是音圈电机振动平台由两个柱状音圈电机正交叠加实现，如图2所示，X轴方向运动的矩形音圈电机和Y轴方向运动的矩形音圈电机组成振动平台。这种形式搭建的平台虽然实现的推力较大(0-2000N)但其厚度也会随之增加，在一定程度上影响系统的刚度。方式二是音圈电机振动平台选择成熟的矩形音圈电机二维平台，其系统刚度较高，实现的行程范围较宽(0-200mm)，但其推力(0-500N)没有柱状音圈电机系统大。上述由柱状和矩形音圈电机搭建的加工系统平台都可以实现0-5mm的微幅运动功能，振动频率可以实现0-1000Hz任意调节。如果抛光盘口径接近反射镜口径三分之一时，由于抛光盘重量较大，可以采用正交的柱状音圈电机平台系统驱动。而抛光盘直径在反射镜口径的十分之一时，为了获得更好的抛光效果可以采用刚性更好但推力略小的矩形音圈电机平台系统。

无论采用什么形式的加工系统平台都是基于音圈电机的驱动。通过控制每个维度的音圈电机振幅及相位可以合成实现抛光盘的指定振幅及指定方向的运动。因此，在加工过程抛光盘可以进行随机振幅随机方向的加工方式，也可以进行振幅恒定但运动方向均匀旋转的加工方式。音圈电机振动平台与上位机控制器连接，由上位机生成控制程序驱动二维音圈电机振动系统，实现特定的运动方式。

本发明利用高频微幅振动加工装置加工大口径反射镜在精抛光阶段时，由于面形误差分布的高低点之间由于加工压力的微小差异，通过一定加工时间积累后，高点的去除量偏大，低点的去除量偏小，从而使得高低点之间的面形分布高度差减小，最终能够获得本发明的第二个目的：较为良好的中高频面形误差分布。

为了实现音圈电机加工系统平台在一定压力条件下进行工作，在音圈电机二维平台之上安装一个或多个施压结构。施压结构可以由气缸组成，也可以由弹簧组成。图3为由气缸组成的加工装置施压系统。如图3所示，其包括刚性底板11、刚性施压板13以及设置在刚性底板和刚性施压板之间的施压气缸12，刚性底板11与运动机床相连，刚性施压板13与音圈电机振动平台相接触。如果采用弹簧的方案，则将施压气缸12的部分更换为弹簧，优选地，还可以采用弹簧配合直线导轨的方案，弹簧轴线与导轨运动方向平行，从而能够更加灵活的控制施压力度。由气缸组成的施压系统调压更灵活，比较适合压力经常调节的加工系统或是实验级系统之中，而弹簧则针对特定加工需求的成熟加工系统之中。

本发明装置在使用时，为了能够实现对整个大口径反射镜表面的遍历，需要把本发明的高频微幅振动装置集成于大型CNC数控加工机床之上，通过常见的机械连接结构固定即可。如果采用气缸作为施压结构，此时调整好气缸12的气压，通常气压不大于0.6MPa。气缸12的个数从直径较大的单个至气缸直径较小的多个均可，以实际加载到抛光盘的压强不低于20KPa为准。

接下来，要把矩形音圈电机2、3与音圈电机驱动器相连，而驱动器则由上位机连接，最终由上位机产生控制脉冲进而控制矩形音圈电机2、3各自的运动振幅及运动频率，另外上位机也要对矩形音圈电机2、3之间的相位进行控制，从而能够合成一定规律的运动模式。比如通过矩形音圈电机系统2、3的运动叠加可以合成振动频率随机(0-1000Hz)，运动振幅随机(0-3mm)，运动方向随机的；也可以合成固定运动振幅(例如1mm)，固定振动频率(例如600Hz)，但振动方向是均匀变化的方式。如果采用柱状音圈电机，则可以推动更大的抛光盘进行加工，在同样的时间内可以获得单次更大的抛光区域，但此种结构会导致整体高频微幅振动系统的垂直高度加大，降低系统刚性，容易给加工造成一定的影响。需要说明的是，音圈电机运动位置的反馈可以采用常见的光栅尺、磁栅尺等传感器；音圈电机驱动器也无固定型号，与电机匹配即可；驱动器与上位机之间可以通过串口通信，也可以通过UMAC等运动控制器连接，均无特别要求，只要能建立起上位机与驱动器之间的通信通道即可。光栅尺、磁栅尺、音圈电机驱动器、UMAC运动控制器、上位机等均未在本发明示意图中体现。

最后，通过专门的驻留时间算法软件可以计算出每个子孔径的具体驻留时间，并通过控制加工机床的移动来实现大口径反射镜的全口径高频微幅振动抛光。具体来说，由上位机根据大口径反射镜面形误差分布情况，根据驻留点时间算法计算获得高频微幅振动加工系统在每个子孔径区域的驻留时间，利用数控机床移动高频微幅振动加工系统遍历整个反射镜，最终实现大口径反射镜的快速抛亮，极大的缩短了反射镜进入干涉仪检测前的加工时间，另外在抛光过程中应用，也可以进一步降低大口径反射镜由长时间抛光所引如的中高频面形误差分布比重，有利于后续采用高确定性的加工方法诸如磁流变、离子束等工艺，为它们提供一个良好的工艺前端输入。

综上所述，以上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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于大口径复杂曲面超快抛光的高频微幅振动装置，其特征在于，包括：可二维运动的音圈电机振动平台和安装在音圈电机振动平台上的柔性多层抛光盘；

柔性多层抛光盘由依次连接的刚性抛光底板、柔性抛光层和抛光片组成；柔性抛光层采用形变响应时间在几十毫秒到几百毫秒的弹性材料；

通过控制每个维度的音圈电机振幅及相位可以合成实现抛光盘的指定振幅及指定方向的运动。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性抛光层采用硬度范围为Shore A 10～30、厚度为1～10mm的聚氨酯泡沫。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性多层抛光盘的口径是待抛光光学元件口径的十分之一到三分之一。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抛光片采用聚氨酯抛光片。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述音圈电机振动平台为矩形音圈电机二维平台，或者由两个柱状音圈电机正交叠加实现。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括安装在音圈电机振动平台的加工装置施压系统。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述加工装置施压系统包括刚性底板、刚性施压板，以及安装在刚性底板和刚性施压板之间的施压机构，刚性底板与运动机床相连，刚性施压板与音圈电机振动平台相连。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述施压机构为气缸，或者施压机构由弹簧配合直线导轨实现，弹簧轴线与导轨运动方向平行。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性抛光底板的曲率半径与被抛光光学元件的最接近球面半径或是顶点半径相等。