CN110497254B - 一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置，该装置包括由容器本体和上盖组成的密封容器，容器本体内安装载物台用来放置待抛光光学元件；上盖为与待抛光面共形且具有间隙的面形；密封容器上设有磁流变液循环口，连通磁流变液循环管路；密封容器中充满磁流变液；可控磁场产生装置用于在上盖处产生位置可变的电磁场，使得在电磁场产生位置处、上盖与待抛光面之间的磁流变液形成伯明翰体，作为柔性磨头；通过控制电磁场位置变化使得柔性磨头滑过待抛光面，从而抛光光学元件。本发明能够对中小口径复杂曲面进行有效、快速的抛光，从而有效压缩光改阶段的时间，提高光学加工效率。

Description

一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置

技术领域

本发明主要应用于光学加工技术领域，尤其适用于使用磁流变液快速无区域差别的抛光碳化硅、硅、熔石英、ULE等材料的中小口径复杂曲面光学元件。

背景技术

在超精密空间及地面成像光学系统中，经常需要用到各种中小口径的复杂曲面，诸如高陡度大偏离量的非球面，无解析表达的自由曲面。这种复杂曲面的应用给光学系统的性能带来了极大的提升，而与此同时也给超精密光学加工带来了极大的困难，尤其是在从精密研磨向粗抛光过渡的阶段，由于光学元件表面粗糙度较低，无法有效进入干涉仪进行光学检测。

而使用传统计算机数控小磨头(CCOS)、磁流变(MRF)对于大口径非球面加工来说由于盘径比(抛光盘直径与反射镜直径的比值)较小，抛光盘与反射镜表面的贴合度较高，在进入干涉仪检测的粗抛光阶段不存在较为明显的问题。但如果对于中小口径复杂曲面，尤其是小口径(直径100mm以内)复杂曲面，其盘径比较大，从而带来的问题由于复杂曲面的大偏离量、多拐点等特点导致抛光盘与光学元件表面的贴合度不高，部分区域压力大，部分区域压力小，进一步导致了压力大的部分表面粗糙度好(Ra值小)，压力小的部分粗糙度差(Ra值大)。这样，进入干涉仪后如果发现一些区域误差较大或是光学元件的光学参数偏差较大，就必须退回精密研磨阶段，如此再反复抛光，直到最后完全进入干涉仪进而转入精密抛光阶段。这中间过程会耗费大量时间，直接降低了光学加工效率。

而本发明提出的这种基于电磁式的复杂曲面高速抛光方法则可以有效解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置，能够对中小口径(直径200mm以内)复杂曲面进行有效、快速的抛光，从而有效压缩光改阶段的时间，提高光学加工效率，解决中小口径复杂曲面光学元件在光改阶段(从精密研磨向粗抛光的过渡阶段)很难快速有效的进入干涉仪检测的难点。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置，包括密封容器、载物台、磁流变液循环管路和可控磁场产生装置；

所述密封容器由采用不导磁材质制成的容器本体和上盖组成；容器本体内安装载物台用来放置待抛光光学元件；上盖为与待抛光面共形且具有间隙的面形；密封容器上设有磁流变液循环口，连通磁流变液循环管路；密封容器中充满磁流变液；

可控磁场产生装置用于在上盖处产生位置可变的电磁场，使得在电磁场产生位置处、上盖与待抛光面之间的磁流变液形成伯明翰体，作为柔性磨头；通过控制电磁场位置变化使得柔性磨头滑过待抛光面，从而抛光光学元件。

优选地，通过改变电磁场强度和梯度，控制所述柔性磨头的强度和形状。

优选地，所述可控磁场产生装置包括：控制单元和多个电磁式加工头；电磁式加工头由电磁铁芯和缠绕在电磁铁芯端部的电磁线圈组成；电磁铁芯未缠绕电磁线圈的末端与上盖外表面接触，且该末端与接触点所在容器面形的法线重合；所有电磁式加工头空间排列覆盖待抛光形面；

所述控制单元用于控制电磁式加工头的交替通电时序，使得同一时刻有一个或一个以上的位置点形成柔性磨头，且每个柔性磨头沿设定的抛光线路移动。

优选地，将待抛光面划分为多个区域，每个区域对应一组电磁式加工头，所有区域并行抛光，形成并行抛光方案；或者，一电磁式加工头在断电后的一定时间内又再次通电，产生新的柔性磨头，形成串行抛光方案。

优选地，所述电磁铁芯与上盖的接触端设计为从粗到细收敛的结构。

优选地，所述电磁铁芯与上盖的接触端设计为梯形。

优选地，所述控制单元包括依次相连的上位机、可编程智能直流稳压电源和电子信号选择器，电子信号选择器为一级或一级以上，连接所述电磁式加工头上的电磁线圈。

优选地，所述磁流变液循环口设置在容器本体侧面，位于容器本体允许开孔的最高位置。

优选地，所述载物台高度可调节。

优选地，所述容器本体和上盖采用不锈钢材质；上盖厚度为0.5±0.2mm；上盖与待抛光面间隙为1±0.2mm；所述电磁铁芯采用军工纯铁棒，直径为5±1mm。

有益效果：

(1)本发明设计与待抛光面形相同的密封容器上盖，上盖与待抛光面之间充满磁流变液，通过对电磁场产生位置的控制，令磁流变液局部硬度变大形成伯明翰体，即“柔性磨头”。并通过控制电磁场位置变化使得“柔性磨头”滑过待抛光面，从而抛光光学元件。该方案由于磁流变液充分贴合复杂曲面光学元件表面的各个位置，因此能够进行有效抛光，不会受到复杂曲面大偏离量、多拐点等特点的影响。而且电磁控制方案不受抛光盘等机械结构的限制，能够提高抛光速度。因此，采用本发明的抛光方案能够有效压缩光改阶段的时间，提高光学加工效率。

(2)本发明优选实施例采用电磁线圈交替通电的方案，其加工效率更高。

(3)本发明优选实施例采用前端为梯形的电磁铁芯，这种端头设计能够改变磁力线空间分布，使其具有梯度，这样利于硬度集中，提高“柔性磨头”的抛光效果。

(4)本发明可以采用串行加工方案，或者并行加工方案，这两种方案使得同一时刻光学元件表面上有多个硬度较大的“柔性磨头”进行加工，达到效率倍增的效果。并行抛光方案还可以令同时上电的电磁铁芯不要距离太近，从而防止电磁铁芯的电磁场之间互相干扰。

(5)本发明实施例还给出了重点部件的优选结构尺寸，能够保证装置工作的有效性。

附图说明

图1为本发明电磁式高速抛光装置示意图。

图2为电磁式加工头结构示意图。

其中，1-电磁式加工头，2-待抛光光学元件，3-上盖，4-载物台，5-容器本体，6-磁流变液循环泵，7-二级电子信号选择器，8-一级电子信号选择器，9-可编程智能直流稳压电源，10-上位机，11-磁流变液循环口，12-磁流变液循环管路，101-电磁铁芯固定件，102-电磁铁芯(纯铁棒)，103-电磁线圈，104-导磁密封外壳。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了有效压缩光改时间，提高光学加工效率，本发明基于磁流变液设计了一种电磁式高速抛光装置，对中小口径的复杂曲面光学元件进行加工。

图1为本发明用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置的结构示意图。如图所示，该装置包括密封容器、载物台4、磁流变液循环管路12和可控磁场产生装置。

密封容器由容器本体5和上盖3组成。容器本体5和上盖3均采用不导磁材质制成，优选更耐磨的304不锈钢材质。

容器本体5为底部密封的容器，侧面留有磁流变液循环口11，循环口的位置是容器允许开孔的最高位置，其优点是方便利用磁流变液排空容器的气体。磁流变液循环口11连通磁流变液循环管路12，该循环管路中设有磁流变液循环泵6。

上盖3做成与待抛光面共形的且具有间隙的面形，该间隙用于通过磁流变液。优选地，间隙为1±0.2mm。间隙如果过大超过2mm，由于每个电磁铁的吸附力有限，形成的伯明翰体体积并不会很大，并且电磁铁远端(>2mm)电磁场梯度减弱，伯明翰体的硬度也随之减弱，其对光学元件的抛光压力就会偏小，相应的，抛光效率就会降低。如果间隙过小(比如小于0.5mm)，最严重的问题是磁流变液流动不畅，进入间隙的液体不足，虽然距离电磁铁末端0.5mm处的伯明翰体硬度较大，但被磁化的磁流变液体积偏小，同样会产生对光学元件抛光压力不足的现象。

密封容器内部安装载物台4，用来放置待抛光的光学元件2。本优选实施例中，载物台4高度可精密调节，从而可以补偿上盖加工误差，保证上盖与待抛光面之间的间隙达到设定的数值。由于电磁场随距离衰减很快，因此上盖厚度的确定原则是在保证机械强度的前提条件下，越薄越好，因此本发明设计上盖3厚度为0.5mm±0.2mm。

可控磁场产生装置用于在上盖3处产生位置可变的电磁场，使得在电磁场产生位置处、上盖与待抛光面之间的磁流变液形成伯明翰体，作为“柔性磨头”；通过控制电磁场位置变化使得“柔性磨头”滑过待抛光面，从而抛光光学元件。

本优选实施例中，上述位置可变的电磁场采用众多电磁式加工头1结合控制单元实现。电磁式加工头1主要由电磁铁芯102和电磁线圈103组成。电磁铁芯102是导磁性能极佳的且经过防锈处理的军工纯铁棒，众多纯铁棒紧密排列(相互不接触)，覆盖待抛光面。每个纯铁棒末端与容器上盖接触，且末端与接触点所在容器面形的法线重合。优选地，纯铁棒的直径为5mm±1，其尺寸设计与被加工元件的曲率有一定关系，直径5mm的尺寸不但可以适合绝大多数具有多个拐点的自由曲面，也可以适合平缓的非球面等。纯铁棒上端绕有电磁线圈，所绕圈数由所需产生的电磁场强度范围决定。由于受电磁线圈体积限制，相邻纯铁棒的长度则会不一致，只要给电磁线圈足够空间即可。

图2为电磁式加工头1的优选结构示意图。如图所示，电磁铁芯102一端缠绕电磁线圈103，且该端的端面处利用电磁铁芯固定件101固定电磁铁芯与电磁线圈。电磁线圈外安装有导磁密封外壳104。电磁铁芯未缠绕电磁线圈的一端与上盖接触，接触端设计为从粗到细收敛的结构，优选地采用图中所示的梯形。在实际中，还可以采用圆弧、圆锥等渐变形面。这种端头设计能够改变磁力线空间分布，使其具有梯度，这样利于硬度集中，使得“柔性磨头”形成所需的硬度及形状。

控制单元用于控制电磁式加工头1的交替通电时序，使得同一时刻有一个或一个以上的位置点形成“柔性磨头”，且每个“柔性磨头”沿设计的抛光路线移动。如图1所示，本优选实施例中，控制单元包括依次相连的上位机10、可编程智能直流稳压电源9和电子信号选择器，电子信号选择器为两级，一级电子信号选择器8连接可编程智能直流稳压电源9，二级电子信号选择器7连接每个电磁式加工头1的电磁线圈。

利用上位机10来控制每路电磁线圈的电流大小、变化趋势以及电磁线圈之间的时序等等。首先上位机10控制一路电磁线圈产生所需强度的电磁场作用于纯铁棒末端，形成电磁场，由于电磁式加工头端头设计为梯形，因此该电磁场具有较大梯度。容器上盖与待抛光面之间的磁流变液受这一大梯度电磁场的作用其硬度在几十毫秒时间内变大，形成特定强度的伯明翰体。接下来，上位机控制其相邻纯铁棒上端的电磁线圈产生同样强度的电磁场。当两路电磁线圈都上电后维持一特定时长后，比如几十毫秒，第一路电磁线圈断电。又经过一定时间后，与第二路电磁线圈临近的第三路电磁线圈上电。这样，每路电磁线圈依次通电、断电，最终形成的效果就是反射镜表面始终会有硬度较大的磁流变液“柔性磨头”滑过反射镜表面，达到抛光光学元件的目的。

这种电磁线圈通断电的时序可以串行，每路电磁线圈在断电后的一定时间内又可以再次通电，形成新的磁流变液“柔性磨头”。这也是为最有效率的加工方式，最终形成的效果就是在同一时刻光学元件表面上有多个硬度较大的磁流变液“柔性磨头”进行加工，达到一个效率倍增的效果。

在实际加工过程中为进一步提高加工效率，上述单一加工时序的方案可以变更为并行加工方案。在并行加工方案中，将待抛光面划分为多个区域，每个区域对应一组电磁式加工头，不同区域中所含电磁式加工头数量可以相同或不同。所有区域并行进行抛光操作。进行分区并行抛光，可以令同时上电的电磁铁芯不要距离太近，因此这种方案还可以防止电磁铁芯的电磁场之间互相干扰。关于分组的数目以及每个组的电磁铁芯数量是与电磁铁芯总数量有关系，分组数量与电磁铁芯总数量成正比关系，从而增加在同一时间内工作的电磁铁芯的数量，有利于增加整体加工效率。

实际使用本发明装置时，首先需要根据被加工的中小口径复杂曲面光学元件2的面形轮廓加工出与之共形且间距为0.5-1mm间隔的上盖3，其方法主要通过机械加工完成，并经过适当抛光即可。然后把光学元件2放置于可精密升降载物台4之上，通过调整载物台4的高度使光学元件2的待抛光形面与上盖3的间隔控制在0.5mm。

接下来根据密封容器上盖3的外表面轮廓规划电磁式加工头1的数量及空间分布位置，如图2所示，诸如空间错位或是弯曲电磁铁芯等等方式，使得众多的电磁铁芯尽可能的靠近，从而获得最佳的加工效果，然后将众多电磁铁芯按照复杂曲面光学元件的加工轨迹路径进行编号1-n。这里采用单一柔性磨头的控制方式。

盖上上盖并进行密封，接下来向密封容器注入磁流变液，为使密封容器内部的空气排出，可以使之倾斜或是加压等方法实现。待磁流变液注满后，利用上位机10的智能电源控制软件来控制可编程智能直流稳压电源9输出电流信号，与此同时也控制多个二级电子信号选择器7以及一级电子信号选择器8共同工作，使得可编程智能直流稳压电源9的电流信号能够一次作用到编号为1到n的电磁铁芯之上。最终的结构就是编号为1到n的电磁铁芯102依次通电，使得电磁铁芯末端对应的磁流变液受磁场作用硬度变大，实现对复杂曲面光学元件的抛光效果。

上述实施例中，位置可变的电磁场采用电磁线圈交替通电的方案。在实际中，另一种方式是利用二维高速直线电机运动平台带动单一带有电磁线圈结构的纯铁棒以很小的距离间隔(0.2mm以内)滑过容器顶盖的外表面，仍然可以实现加工效果。但其加工效率不如上述电磁线圈交替通电的方案。

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)

1.一种用于中小口径复杂曲面的高速电磁式抛光装置，其特征在于，包括密封容器、载物台(4)、磁流变液循环管路(12)和可控磁场产生装置；

所述密封容器由采用不导磁材质制成的容器本体(5)和上盖(3)组成；容器本体(5)内安装载物台(4)用来放置待抛光光学元件；上盖(3)为与待抛光面共形且具有间隙的面形；密封容器上设有磁流变液循环口(11)，连通磁流变液循环管路(12)；密封容器中充满磁流变液；

可控磁场产生装置用于在上盖(3)处产生位置可变的电磁场，使得在电磁场产生位置处、上盖(3)与待抛光面之间的磁流变液形成伯明翰体，作为柔性磨头；通过控制电磁场位置变化使得柔性磨头滑过待抛光面，从而抛光光学元件；

所述可控磁场产生装置包括：控制单元和多个电磁式加工头(1)；

电磁式加工头(1)由电磁铁芯(102)和缠绕在电磁铁芯端部的电磁线圈(103)组成；电磁铁芯未缠绕电磁线圈的末端与上盖(3)外表面接触，且该末端与接触点所在容器面形的法线重合；所有电磁式加工头(1)空间排列覆盖待抛光形面；

所述控制单元用于控制电磁式加工头(1)的交替通电时序，使得同一时刻有一个以上的位置点形成柔性磨头，且每个柔性磨头沿设定的抛光线路移动。

2.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，通过改变电磁场强度和梯度，控制所述柔性磨头的强度和形状。

3.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，将待抛光面划分为多个区域，每个区域对应一组电磁式加工头，所有区域并行抛光，形成并行抛光方案；或者，一电磁式加工头在断电后的一定时间内又再次通电，产生新的柔性磨头，形成串行抛光方案。

4.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述电磁铁芯与上盖(3)的接触端设计为从粗到细收敛的结构。

5.如权利要求4所述的抛光装置，其特征在于，所述电磁铁芯与上盖(3)的接触端设计为梯形。

6.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述控制单元包括依次相连的上位机(10)、可编程智能直流稳压电源(9)和电子信号选择器，电子信号选择器为一级或一级以上，连接所述电磁式加工头(1)上的电磁线圈。

7.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述磁流变液循环口(11)设置在容器本体(5)侧面，位于容器本体允许开孔的最高位置。

8.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述载物台(4)高度可调节。

9.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述容器本体(5)和上盖(3)采用不锈钢材质；上盖(3)厚度为0.5±0.2mm；上盖(3)与待抛光面间隙为1±0.2mm；

所述电磁铁芯(103)采用军工纯铁棒，直径为5±1mm。

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