CN110732932A - 大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统及方法，包括机器人加工系统部分和模块化的加工工具。模块化的加工工具包括研磨盘加工模块，抛光液供给回收工具头模块和磁流变抛光工具头模块。本发明采用成本低廉，但灵活智能的机器人进行加工，通过多台机器人协同加工的方式，实现对各种曲率的大口径整体式光学元件加工的同时，极大提高了光学元件的制造效率。高度集成的模块化工具头，使该加工系统可对大口径整体式光学元件进行研磨修形、抛光修形和精密抛光修形的加工工艺，一套系统完成了整套光学加工工序，大大节省了大口径光学元件的制造成本和周期。

Description

大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统及方法

技术领域

本发明涉及光学元件加工的技术领域，具体涉及一种大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，科学研究对天文观测和对宇宙空间探测的不断深入，对所采用的光学系统性能要求越来越高，要求提升成像分辨率和集光能力以提高观测能力，而增大通光口径是提高成像分辨率和集光能力的有效途径，因此天文观测系统中的主镜尺寸越来越大，例如欧洲超大天文望远镜(European Extremely Large Telescope,E-ELT)的主镜尺寸达39m，由798块1.4m的六边形子镜拼接而成，类似的大型地基天文观测系统还有由7个直径8.4m的主镜组成的巨型麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,GMT)和直径为30m的三十米望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)；随着航空航天技术的发展，天基天文观测系统的性能也将大幅提高，作为主镜为2.4m的哈勃空间望远镜替代者—詹姆斯韦伯空间望远镜，其反射主镜尺寸更是达到了6.5m。这些系统采用的光学元件口径越来越大，轻量化程度越来越高，还要求提高制造效率，从而节约时间和经济成本，快速、低成本地完成极端光学系统构建。光学制造面临的重大技术挑战驱动着光学加工技术的前进与革新，大口径光学元件加工成为制约光学加工技术的瓶颈难题。

由于大口径光学元件加工制造装备的限制，目前对大口径光学主镜都采用子镜拼接技术实现所需光学性能，但由于受重力、温差、风载、辐射和机械结构误差的作用，拼接主镜拼接和拼接失调导致的面形误差不可避免，因此在可满足系统结构和装配条件下，整体式主镜仍是首选。整体式主镜制造面临的主要问题之一是元件加工装备限制，大型机床本身的制造周期长，且成本非常高昂。成本相对低廉的智能机器人制造为解决该问题提供了有效的解决方案，机器人具有自由度多和灵活性高的优势，通过对机器人加工空间分析和工位布局，可以实现对大口径光学元件的加工需求，因此，采用机器人大口径对整体式主镜的精密研磨、抛光和精密修形加工，在大口径整体式光学元件加工领域具有极大的应用前景。

发明内容

本发明目的是为了解决大口径整体式光学元件加工装备生产周期长，成本高昂的问题，并可有效提高大口径整体式光学元件生产效率的系统，通过计算机器人工作空间并布局机器人加工工位，配合高效精密研磨、高效抛光和精密修形工具头为机器人末端加工执行机构，实现大口径整体式光学元件高效低成本制造的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统，包括多台机器人、研抛工具头、光学元件、光学元件的支撑机构，工作台、机器人定位导轨、多个机器人工位定位，所述研抛工具头末端为可更换模块，可更换模块包括：研磨盘模块，抛光液供给回收工具头模块和高效磁流变抛光工具头模块，其中研磨盘模块对元件表面行进细磨、研磨粗成形加工，具有非常高的加工效率，可以对元件表面进行快速粗成形；抛光液供给回收工具头模块可去除由研磨加工过程导致的破坏层，并对光学元件表面进行精密抛光修形；高效磁流变抛光工具头具有加工精度高的优势，可以对光学元件表面进行更高精度的修形，使面形精度达到最终修形精度。

进一步地，所述的研磨盘模块，包括研磨盘固连装置，研磨盘柔性层，柔性金属薄片，小曲率光学元件研磨部件和大曲率光学元件研磨部件，小曲率光学元件研磨部件或大曲率研磨部件通过胶合作用粘接到柔性金属薄片底部，而金属薄片上部通过胶合作用与研磨盘柔性层底部连接，研磨盘柔性层上部与研磨盘固连装置的底部也通过胶合作用连接，最终形成研磨盘模块。

进一步地，所述抛光液供给回收工具头模块包括抛光液回收环、球头轴、连接螺栓、内胶环、外胶环、抛光垫背板和抛光垫组成，球头轴通过螺纹与提供公自转和压力的传动机构研抛工具头的运动输出中空轴连接，球头轴可进行回转运动和沿轴向运动，球头轴末端的球头通过连接螺栓的内螺纹与抛光垫背板上的外螺纹相连，球头轴的拨销以大间隙配合嵌入抛光垫背板的凹槽配合，球头与抛光垫背板的球窝相配合，抛光垫胶合在抛光垫背板底面，传动机构提供的运动通过拨销传递给抛光垫背板，实现抛光背板的公自转运动，抛光垫背板携带抛光垫运动，通过抛光垫与被加工光学元件表面之间的相对运动实现材料去除；

所述抛光液回收环用螺栓经过螺栓沉孔固定在研抛工具头上，内胶环通过弹性力张紧在抛光液回收环的内台阶，内胶环的下边缘与抛光垫背板的上表面配合，外胶环通过弹性力张紧在抛光液回收环的外侧台阶上，外胶环的下表面与伸长状态下的抛光垫底面平齐；

所述球头轴、连接螺栓、抛光垫背板和抛光垫通过螺纹、拨销和胶合作用组合在一起，构成运动机构，可以实现绕球头轴轴线的旋转运动和沿其轴线的上下运动，轴向的上下运动一般在5-50mm范围内；

所述抛光垫上开有凹槽，凹槽为经过抛光垫回转中心的径向或螺旋形槽，便于抛光液的循环回收，与旋转方向相同的螺旋槽效果更佳。

进一步地，所述磁流变抛光工具头模块包括磁流变抛光工具头主体，纯铁背板，永磁体阵列，隔板和软胶环，磁流变抛光工具头主体为不导磁材料，通过螺纹与提供公自转的传动机构研抛工具头的运动输出中空轴连接，以实现装置整体的自转运动和公转运动，磁流变抛光工具头主体末端的中空通孔与运动输出中空轴螺纹连接，磁流变抛光液经由运动输出中空轴传输给高效精密磁流变抛光工具头，环形凹槽与纯铁背板相配合，磁流变抛光液供给柱与纯铁背板中心通孔相配合，永磁体阵列以N极和S极相交叉排布，嵌入到纯铁背板上的凹槽中，隔板为不导磁材料，隔板封盖在磁流变抛光工具头主体的下表面，隔离永磁体与磁流变抛光液，软胶环通过弹性张紧力张紧在磁流变抛光工具头主体外侧，加工过程中，软胶环的下底面与光学元件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用；

所述磁流变抛光工具头模块可通过增减永磁体阵列中的永磁体个数实现永磁体阵列的尺寸变化，结合装置的公转偏心量，以获得不同的材料函数需求，满足不同尺寸光学元件的加工；在永磁体阵列尺寸一定的情况下，通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度和磁场均匀性；

所述磁流变抛光工具头模块可将纯铁背板、永磁体阵列和隔板更改为具有一定曲率，且曲率与待加工光学元件曲率相匹配的部件，实现对大曲率高陡度光学元件的加工。

一种使用上述系统实施大口径整体式光学元件加工方法，

1)根据光学元件尺寸及单机器人加工范围，确定采用的机器人数量和相应的机器人工位布局；

2)检测光学元件表面面形误差，并根据光学元件曲率情况，选择与曲率相匹配的模块化研磨盘，采用机器人加工系统对光学元件进行研磨加工；

3)检测光学元件表面面形误差到允许抛光修形范围后，采用机器人加工系统，搭配抛光液供给回收工具头模块对光学元件进行抛光修形加工；

4)检测光学元件表面面形误差到允许精密抛光修形范围后，采用机器人加工系统，根据工件曲率选择搭配合适的磁流变抛光工具头对光学元件表面进行精密修形和抛光，完成大口径整体式光学元件的加工。

具体的，本发明的大口径整体式光元件多机器人精密加工系统装置包括：机器人1、机器人2、研抛工具头3、研抛工具头4、光学元件5、光学元件支撑机构6，工作台7、机器人1定位导轨8、机器人2定位导轨9；机器人工位定位101，机器人工位定位102，机器人工位定位103，机器人工位定位201，机器人工位定位202，机器人工位定位203；机器人末端研抛工具头箱体31，运动输出中空轴32，研磨盘33；研磨盘固连装置331，研磨盘柔性层332，柔性金属薄片333，大曲率光学元件研磨部件334，小曲率光学元件研磨部件335。

本发明的抛光液供给回收工具头模块包括抛光液回收环336、球头轴337、连接螺栓338、内胶环339、外胶环3310、抛光垫背板3311和抛光垫3312组成。

本发明的高效磁流变抛光工具头包括磁流变抛光工具头主体3314，纯铁背板3315，永磁体阵列3316，隔板3317和软胶环3318。

所述机器人1通过其底部位移台固定在定位导轨8上，机器人2通过其底部位移台固定在定位导轨9上，机器人1和机器人2可以在定位导轨8和定位导轨9上自由移动。所述工作台7上放置光学元件支撑机构7，支撑机构支撑并定位光学元件5。

所述机器人1通过其底部位移台固定在定位导轨8上，机器人2通过其底部位移台固定在定位导轨9上，机器人1和机器人2可以在定位导轨8和定位导轨9上自由移动。

所述工作台7上放置光学元件支撑机构7，支撑机构支撑并定位光学元件5。

所述研抛工具头3和研抛工具头4组成部件相同，都由研抛工具头箱体31和运动输出中空轴32组成。根据研磨、抛光和精密修形的加工需求，研抛工具头3和4的末端运动输出中空轴32，可以连接模块化的研磨盘33、抛光液供给回收工具头模块和磁流变抛光工具头模块。

对于研磨加工，大曲率光学元件研磨使用的研磨盘33采用大曲率光学元件研磨部件334，小曲率光学元件研磨使用的研磨盘33采用小曲率光学元件研磨部件335。

对于经过研磨后光学元件的高速抛光修形加工，运动输出中空轴32的末端更换为本发明的抛光液供给回收工具头模块。

所述抛光液供给回收工具头模块，其球头轴337通过螺纹337-1与提供公自转和压力的传动机构研抛工具头31的运动输出中空轴32连接，球头轴337可进行回转运动和沿轴向运动，球头轴337末端的球头337-5通过连接螺栓338的内螺纹338-2与抛光垫背板3311上的外螺纹3311-2相连，球头轴337的拨销337-4以大间隙配合嵌入抛光垫背板3311的凹槽3311-1配合，球头337-5与抛光垫背板3311的球窝3311-3相配合，抛光垫3312胶合在抛光垫背板3311底面。传动机构提供的运动通过拨销337-4传递给抛光垫背板3311，实现抛光背板3311的公自转运动。抛光垫背板3311携带抛光垫3312运动，通过抛光垫3312与被加工镜面之间的相对运动实现材料去除。

所述抛光液回收环336用螺栓经过螺栓沉孔336-1固定在研抛工具头31上，内胶环339通过弹性力张紧在抛光液回收环336的内台阶，内胶环339的下边缘与抛光垫背板3311的上表面配合，外胶环3310通过弹性力张紧在抛光液回收环的外侧台阶上，外胶环5的下表面与伸长状态下的抛光垫3312底面平齐。

进一步进行精密修形和抛光，可采用磁流变抛光工具头模块，磁流变抛光工具头主体3314为不导磁材料，通过螺纹3314-6与提供公自转的传动机构研抛工具头31的运动输出中空轴32连接，以实现装置整体的自转运动和公转运动.磁流变抛光工具头主体3314末端的中空通孔3314-4与运动输出中空轴32螺纹连接，磁流变抛光液经由运动输出中空轴32传输给高效精密磁流变抛光工具头，环形凹槽3314-5与纯铁背板3315相配合，磁流变抛光液供给柱3314-3与纯铁背板中心通孔3315-2相配合，永磁体阵列3316以N极3316-1和S极3316-2相交叉排布，嵌入到纯铁背板3315上的凹槽3315-1中，隔板3317为不导磁材料，隔板3317封盖在磁流变抛光工具头主体3314的下表面，隔离永磁体与磁流变抛光液，软胶环3318通过弹性张紧力张紧在磁流变抛光工具头主体3314外侧，加工过程中，软胶环3318的下底面与光学元件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用。

所述装置通过中空通孔3314-4将磁流变抛光液沿加工装置轴线输送到加工区域中，利用泵压和工具回转离心力双重作用使磁流变抛光液沿径向向加工区域扩散，磁流变抛光液被软胶环3318封闭在加工区域内，磁流变抛光液在回收装置泵压作用下，从回收孔3314-2中将加工区域外围的磁流变抛光液回收装置泵回回收装置，完成磁流变抛光液的循环。

所述装置可通过增加或减少永磁体阵列3316中的永磁体个数实现永磁体阵列3316的尺寸变化，结合装置的公转偏心量，以获得不同的材料函数需求，满足不同尺寸光学元件的加工；在永磁体阵列3316尺寸一定的情况下，可通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度和磁场均匀性。

所述装置可将纯铁背板3315、永磁体阵列3316和隔板3317更改为具有一定曲率，且曲率与待加工光学元件曲率相匹配的纯铁背板3320、永磁体阵列3321和隔板3322，实现对大曲率高陡度光学元件的加工。

本发明的有益效果是：

本发明解决了大口径光学整体元件加工制造装备生产周期长，成本高昂的问题，采用多机器人组合的方式实现对大口径整体式光学元件的加工，通过机器人与导轨集成的方式可快速构建制造系统，减少大口径整体式光学元件制造装备生产周期，降低了设备制造成本。同时系统集成模块化的精密研磨、抛光和精密修形加工工具头，通过快速更换工具头模块，即可实现光学元件的研磨、抛光和精密修形。双机器人多工位加工系统中的机器人具备的高度灵活性使其适合加工各种曲率和口径的光学元件，且加工模块的高度互换性，显著降低由于工序不同导致的工件搬运时间，节省了加工时间成本。

模块化研磨工具头具有柔性层，可快速适应快速变化的光学元件曲率，实现对光学元件的高精度研磨修形。

模块化的抛光液供给回收抛光工具头将抛光液添加集成在抛光装置内部，通过沿抛光工具内部轴线送液管路将抛光液输送到抛光垫中，利用泵压和工具回转离心力双重作用使抛光液沿径向加工区域扩散，并在抛光垫中均布孔槽的作用下均匀分布，提高了抛光液在加工区域的流动和均匀分布，可以提高材料去除的均匀性，保证去除函数的稳定一致，提升光学抛光修形效率。

模块化磁流变抛光工具头能大大提升磁流变抛光装置的有效加工区域，显著增加磁流变抛光效率。采用N、S极间隔的永磁体阵列布局，首先该布局利于在加工区域获得均匀的磁场；其次通过扩展永磁体阵列，可以获得大的磁流变子孔径抛光装置尺寸，进一步提升加工效率；第三是通过更改纯铁背板和永磁体的形状及布局，使其与光学元件曲率相匹配，可以加工高陡度或大曲率的光学元件。模块化磁流变抛光工具头还利于磁流变抛光液循环回收，通过沿加工装置内部轴线送液管路将磁流变抛光液输送到加工区域中，利用泵压和工具回转离心力双重作用使磁流变抛光液沿径向向加工区域扩散，提高了磁流变抛光液在加工区域的流动，便于加工区域的磁流变抛光液更新，可提高材料去除的均匀性，保证去除函数的稳定一致，提升磁流变子孔径加工的确定性。

附图说明

图1是实现本发明的机器人组合加工装备整体图；

图2是机器人组合加工装备整体俯视图；

图3是单机器人单工位可加工范围图；

图4是单机器人双工位可加工范围图；

图5是研抛工具头图；

图6是大曲率光学元件研磨盘图；

图7是小曲率光学元件研磨盘图；

图8是抛光液供给回收工具头爆炸图；

图9是抛光液回收环图；

图10是球头轴图；

图11是连接螺栓图；

图12是内胶环图；

图13是外胶环图；

图14是抛光垫背板图；

图15是抛光垫图；

图16是抛光液供给回收工具头工作原理图；

图17是磁流变抛光工具头爆炸图；

图18是磁流变抛光工具头主体图；

图19是磁流变抛光工具头主体剖视图；

图20是纯铁背板图；

图21是永磁体阵列图；

图22是隔板图；

图23是软胶环图；

图24是平板和小曲率光学元件的磁流变抛光工具头图；

图25是大曲率光学元件的磁流变抛光工具头图。

图中：1为第一机器人，2为第二机器人，3为第一研抛工具头，4为第二研抛工具头，5为光学元件，6为光学元件支撑机构，7为工作台，8为第一定位导轨，9为第二定位导轨，101为第一机器人工位定位，102为第二机器人工位定位，103为第三机器人工位定位，201为第四机器人工位定位，202为第五机器人工位定位，203为第六机器人工位定位，31为机器人末端研抛工具头箱体，32为运动输出中空轴，33为研磨盘，331为研磨盘固连装置，332为研磨盘柔性层，333为柔性金属薄片，334为大曲率光学元件研磨部件，335为小曲率光学元件研磨部件，336为抛光液回收环，336-1为螺栓沉孔，336-2为抛光液出口，336-3为外台阶，336-4为回收孔，336-5为内台阶，337为球头轴，337-1为螺纹，337-2为球头轴螺纹拧紧结构，337-3为球头轴轴体，337-4为拨销，337-5为球头，337-6为中通孔，338为连接螺栓，338-1为通孔，338-2内螺纹，339为内胶环，3310为外胶环，3311为抛光垫背板，3311-1为凹槽，3311-2为外螺纹，3311-3球窝，3312为抛光垫，3312-1为抛光垫中心孔，3312-2为抛光垫径向凹槽，3312-3为抛光垫环形凹槽，3314为磁流变抛光工具头主体，3314-1为环形回收槽，3314-2为回收孔，3314-3为磁流变抛光液供给柱，3314-4为中空通孔，3314-5为环形凹槽，3314-为外螺纹，3315为纯铁背板，3315-1为凹槽，3315-2为纯铁背板中心通孔，3316为永磁体阵列，3317为隔板，3317-1为中心孔，3318为软胶环，3319为加工腔。

具体实施方式

为更倾斜明了的介绍本发明的系统装置及使用方法，将结合本发明的附图对实施方式进行阐述。

具体实施方式一：本实施方式主要针对平面光学元件和曲率较小的光学元件。

首先，根据光学元件尺寸和单机器人可加工范围确定多台机器人的布局，具体实施方式一中的光学元件可通过两台机器人中机器人在相应滑轨上的工位变换，实现对整个光学元件5表面的覆盖。第一机器人1和第二机器人2对称布局在光学元件5两侧，单台机器人可加工光学元件的一半，第一机器人1和第二机器人2可在第一机器人定位导轨8、第二机器人定位导轨9上滑动。

进一步根据单台机器人的可加工范围，计算确定覆盖光学元件5一侧所需工位，具体实施方式一的单台机器人双工位可覆盖光学元件5一侧区域，若双工位不能满足加工需求，可增加第一机器人1在第一机器人定位导轨8上的工位以增加可加工区域，使单机器人多工位以覆盖更大面积，如对于第一机器人1，其工位可以包括第一机器人第一工位定位101，第一机器人第二工位定位102，第一机器人第三工位定位103；对于第二机器人2，其工位可以包括第二机器人第一工位定位201，第二机器人第二工位定位202，第二机器人第三工位定位203。通过使用两台或多台机器人布局及工位，使机器人可加工范围覆盖整个光学元件5的表面。

进一步对第一机器人1、第二机器人2和光学元件5进行加工系统集成，第一机器人1通过其底部位移台固定在第一机器人定位导轨8上，第二机器人2通过其底部位移台固定在第二机器人定位导轨9上，第一机器人1和第二机器人2可以在第一机器人定位导轨8和第二机器人定位导轨9上自由移动。工作台7上放置光学元件5的支撑机构6，支撑机构6支撑并定位光学元件5。

所述第一机器人1通过其底部位移台固定在第一机器人定位导轨8上，第二机器人2通过其底部位移台固定在第二机器人定位导轨9上，第一机器人1和第二机器人2分别可以在第一机器人定位导轨8和第二机器人定位导轨9上自由移动。

进一步根据所述光学元件5曲率大小情况，使用小曲率研磨部件335进行加工，小曲率研磨部件335的研磨块较大，可满足平板和小曲率光学元件的加工。在对光学元件进行研磨加工前，第一机器人1的第一研抛工具头3或第二机器人2的第二研抛工具头4的末端运动输出中空轴32连接具有装有小曲率研磨部件335的模块化研磨盘33。

进一步采用小曲率研磨部件335对光学元件5的表面研磨加工，所述光学元件5的表面面形误差须提前确定，面形误差是指光学元件实际面形与加工最终目标的理想面形之间的差值，并根据面形误差确定研磨盘33在光学元件5表面的运动轨迹和速度分布，完成表面各部位的不同材料去除量。

加工过程中，所述第一由机器人1手臂末端的第一研抛工具头3或第二机器人2手臂末端的第二研抛工具头4，在机器人末端研抛工具头箱体31的作用下，将研磨盘33压在光学元件5表面，研抛工具头箱体31输出的公自转运动通过运动输出中空轴32输出到研磨盘33上，研磨盘33与光学元件之间产生相对运动，该相对运动的轨迹与速度研磨去除光学元件5面形误差通过计算得出，实现对光学元件5表面的研磨修形加工。

通过第一机器人1和第二机器人2的在相应导轨上的工位变换，完成光学元件5整个表面加工覆盖，实现对整个表面的研磨加工。加工时，可通过机器人工位错位，使两台机器人同时进行加工且互不干涉，提高加工效率。如第一机器人1以第一机器人第一工位定位101，第一机器人第二工位定位102，第一机器人第三工位定位103的工位顺序进行加工；对于第二机器人2，其加工工位顺序可为包括第二机器人第一工位定位202，第二机器人第二工位定位201，第二机器人第三工位定位203。

通过检测与加工迭代的研磨加工方式，当光学元件表面面形误差收敛到允许抛光范围后进行抛光加工。

进一步对光学元件5进行抛光加工。抛光加工利用抛光液供给回收工具头模块对光学元件5表面进行抛光修形加工。抛光液供给回收工具头模块的抛光液回收环336相对于研抛工具头箱体31静止。球头轴337、连接螺栓338、抛光垫背板3311和抛光垫3312通过螺纹、拨销和胶合等作用组合在一起，构成运动机构，可以实现绕球头轴337轴线的旋转运动和沿其轴线的上下运动，轴向的上下运动一般在5-50mm范围内。

抛光液供给回收工具头模块的球头轴337通过螺纹337-1与提供公自转和压力的传动机构研抛工具头31的运动输出中空轴32连接，球头轴337末端的球头337-5通过连接螺栓338的内螺纹338-2与抛光垫背板3311上的外螺纹3311-2相连，球头轴337的拨销337-4以大间隙配合嵌入抛光垫背板3311的凹槽3311-1配合，球头337-5与抛光垫背板3311的球窝3311-3相配合，抛光垫3312胶合在抛光垫背板3311底面。传动机构提供的运动通过拨销337-4传递给抛光垫背板3311，实现抛光背板3311的自转运动。抛光垫背板3311携带抛光垫3312运动，通过抛光垫3312与被加工镜面之间的相对运动实现材料去除。

抛光液回收环336用螺栓经过螺栓沉孔336-1固定在研抛工具头31上，内胶环339通过弹性力张紧在抛光液回收环336的内台阶，内胶环339的下边缘与抛光垫背板3311的上表面配合，外胶环3310通过弹性力张紧在抛光液回收环的外侧台阶上，外胶环5的下表面与伸长状态下的抛光垫3312底面平齐。

在抛光加工过程中，在压力作用下，球头轴337向上移动，抛光垫3312压在光学元件5表面，内胶环339下边缘与抛光垫背板3311的上表面压紧，外胶环3310与光学元件5表面配合。循环的抛光液经球头轴337的中通孔337-6、抛光垫背板中心通孔3311-4和抛光垫中心通孔3312-1进入加工区域。在抛光液输送压力和抛光垫3312自转离心力的作用下，经由抛光垫径向螺旋槽3312-2和抛光垫环形槽3312-3进入抛光垫的有效加工区域，经过加工区域后富集在抛光抛光液回收腔3313中，在外界抛光液回收装置负压作用下由均布在抛光液回收环336下底面的回收孔336-4回收，经与抛光液出口336-2相连的管路输运回抛光液循环桶内，完成抛光液的回收和循环利用。

运动机构旋转产生的离心力和抛光液输送压力作用，便于抛光液从抛光垫中心通孔3312-1经由抛光垫底面的凹槽向加工区域扩散，有助于抛光液的在加工区域的均分布。抛光垫3312可采用径向射线槽，与运动机构旋转方向相同或相反的螺旋槽，几种凹槽都可实现抛光液的均匀分布，其中与旋转方向相同的螺旋槽效果更佳，该类型槽由于与旋转方向一致，可以增加抛光液在有效加工区域的驻留时间，保证抛光液能充分渗透到加工区域，加工效果更佳。

抛光液供给回收工具头在机器人特定工位下的运动轨迹和速度根据检测面形误差计算得出，完成特定工位加工区域的面形抛光加工。通过第一机器人1和第二机器人2的在相应导轨上的工位变换，并利用工位错位加工，完成光学元件5整个表面的抛光加工覆盖，实现对整个表面的抛光加工。

通过检测与加工迭代的抛光修形加工方式，当光学元件表面面形误差收敛到允许精密抛光修形的范围后进行后续加工。

进一步采用磁流变抛光工具头模块对光学元件5进行精密修抛加工。磁流变抛光工具头模块的主体3314为不导磁材料，通过螺纹3314-6与提供公自转的传动机构研抛工具头31的运动输出中空轴32连接，以实现装置整体的自转运动和公转运动。磁流变抛光工具头主体3314末端的中空通孔3314-4与运动输出中空轴32连接，磁流变抛光液经由运动输出中空轴32传输给高效精密磁流变抛光工具头，环形凹槽3314-5与纯铁背板3315相配合，磁流变抛光液供给柱3314-3与纯铁背板中心通孔3315-2相配合，永磁体阵列3316以N极3316-1和S极3316-2相交叉排布，嵌入到纯铁背板3315上的凹槽3315-1中，隔板3317为不导磁材料，隔板3317封盖在磁流变抛光工具头主体3314的下表面，隔离永磁体与磁流变抛光液，软胶环3318通过弹性张紧力张紧在磁流变抛光工具头主体3314外侧。加工过程中，软胶环3318的下底面与光学元件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用。

所述磁流变抛光工具头模块通过中空通孔3314-4将磁流变抛光液沿加工装置轴线输送到加工区域中，利用泵压和工具回转离心力双重作用使磁流变抛光液沿径向向加工区域扩散，磁流变抛光液被软胶环3318封闭在加工区域内，磁流变抛光液在回收装置泵压作用下，从回收孔3314-2中将加工区域外围的磁流变抛光液回收装置泵回回收装置，完成磁流变抛光液的循环。

所述磁流变抛光工具头模块可通过增加或减少永磁体阵列3316中的永磁体个数实现永磁体阵列3316的尺寸变化，结合装置的公转偏心量，以获得不同的材料函数需求，满足不同尺寸光学元件的加工；在永磁体阵列3316尺寸一定的情况下，可通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度和磁场均匀性。

磁流变抛光工具头在机器人特定工位下的运动轨迹和速度根据检测面形误差计算得出，完成特定工位加工区域的面形抛光加工。通过第一机器人1和第二机器人2的在相应导轨上的工位变换，并利用工位错位加工，完成光学元件5整个表面的抛光加工覆盖，实现对整个表面的抛光加工。经过磁流变抛光工具头加工后，完成对光学元件5的最终加工需求。

具体实施方式二：本实施方式主要针对大曲率的光学元件的加工，具体实施方式二的工作方式和加工方法与具体实施方式一相同。由于光学元件5的曲率较大，其研磨加工需要采用大曲率研磨部件334，大曲率研磨部件334的研磨方块较小曲率研磨部件335的研磨方块小，在研磨盘柔性层332的变形作用下，能更好的适应元件表面的大曲率变化，与光学元件5的表面贴合度更佳。

所用抛光液供给回收工具头模块的抛光垫3312更换为较厚的抛光垫，从而适应大曲率光学元件5的曲率变化。

采用的磁流变抛光工具头模块可将纯铁背板3315、永磁体阵列3316和隔板3317更改为具有一定曲率，且曲率与待加工光学元件曲率相匹配的纯铁背板3315、永磁体阵列3316和隔板3317，实现对大曲率高陡度光学元件的加工。

Claims (5)

1.一种大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统，包括多台机器人、研抛工具头、光学元件、光学元件的支撑机构，工作台、机器人定位导轨、多个机器人工位定位，所述研抛工具头末端为可更换模块，其特征在于：可更换模块包括：研磨盘模块，抛光液供给回收工具头模块和高效磁流变抛光工具头模块，其中研磨盘模块对元件表面行进细磨、研磨粗成形加工，具有非常高的加工效率，可以对元件表面进行快速粗成形；抛光液供给回收工具头模块可去除由研磨加工过程导致的破坏层，并对光学元件表面进行精密抛光修形；高效磁流变抛光工具头具有加工精度高的优势，可以对光学元件表面进行更高精度的修形，使面形精度达到最终修形精度。

2.如权利要求1所述的大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统，其特征在于：所述的研磨盘模块，包括研磨盘固连装置，研磨盘柔性层，柔性金属薄片，小曲率光学元件研磨部件和大曲率光学元件研磨部件，小曲率光学元件研磨部件或大曲率研磨部件通过胶合作用粘接到柔性金属薄片底部，而金属薄片上部通过胶合作用与研磨盘柔性层底部连接，研磨盘柔性层上部与研磨盘固连装置的底部也通过胶合作用连接，最终形成研磨盘模块。

3.如权利要求1所述的大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统，其特征在于：所述抛光液供给回收工具头模块包括抛光液回收环、球头轴、连接螺栓、内胶环、外胶环、抛光垫背板和抛光垫组成，球头轴通过螺纹与提供公自转和压力的传动机构研抛工具头的运动输出中空轴连接，球头轴可进行回转运动和沿轴向运动，球头轴末端的球头通过连接螺栓的内螺纹与抛光垫背板上的外螺纹相连，球头轴的拨销以大间隙配合嵌入抛光垫背板的凹槽配合，球头与抛光垫背板的球窝相配合，抛光垫胶合在抛光垫背板底面，传动机构提供的运动通过拨销传递给抛光垫背板，实现抛光背板的公自转运动，抛光垫背板携带抛光垫运动，通过抛光垫与被加工光学元件表面之间的相对运动实现材料去除；

所述抛光液回收环用螺栓经过螺栓沉孔固定在研抛工具头上，内胶环通过弹性力张紧在抛光液回收环的内台阶，内胶环的下边缘与抛光垫背板的上表面配合，外胶环通过弹性力张紧在抛光液回收环的外侧台阶上，外胶环的下表面与伸长状态下的抛光垫底面平齐；

所述球头轴、连接螺栓、抛光垫背板和抛光垫通过螺纹、拨销和胶合作用组合在一起，构成运动机构，可以实现绕球头轴轴线的旋转运动和沿其轴线的上下运动，轴向的上下运动在5-50mm范围内；

所述抛光垫上开有凹槽，凹槽为经过抛光垫回转中心的径向或螺旋形槽，便于抛光液的循环回收，与旋转方向相同的螺旋槽效果更佳。

4.如权利要求1所述的大口径整体式光学元件多机器人精密加工系统，其特征在于：所述磁流变抛光工具头模块包括磁流变抛光工具头主体，纯铁背板，永磁体阵列，隔板和软胶环，磁流变抛光工具头主体为不导磁材料，通过螺纹与提供公自转的传动机构研抛工具头的运动输出中空轴连接，以实现装置整体的自转运动和公转运动，磁流变抛光工具头主体末端的中空通孔与运动输出中空轴螺纹连接，磁流变抛光液经由运动输出中空轴传输给高效精密磁流变抛光工具头，环形凹槽与纯铁背板相配合，磁流变抛光液供给柱与纯铁背板中心通孔相配合，永磁体阵列以N极和S极相交叉排布，嵌入到纯铁背板上的凹槽中，隔板为不导磁材料，隔板封盖在磁流变抛光工具头主体的下表面，隔离永磁体与磁流变抛光液，软胶环通过弹性张紧力张紧在磁流变抛光工具头主体外侧，加工过程中，软胶环的下底面与光学元件接触，阻断磁流变抛光液流出加工区域，利于磁流变抛光液的回收利用；

所述磁流变抛光工具头模块可通过增减永磁体阵列中的永磁体个数实现永磁体阵列的尺寸变化，结合装置的公转偏心量，以获得不同的材料函数需求，满足不同尺寸光学元件的加工；在永磁体阵列尺寸一定的情况下，通过更改单个永磁体充磁强度大小和厚度，在加工区域获得不同的磁场强度和磁场均匀性；

所述磁流变抛光工具头模块可将纯铁背板、永磁体阵列和隔板更改为具有一定曲率，且曲率与待加工光学元件曲率相匹配的部件，实现对大曲率高陡度光学元件的加工。

5.一种使用如权利要求1所述系统实施大口径整体式光学元件加工方法，其特征在于：

1)根据光学元件尺寸及单机器人加工范围，确定采用的机器人数量和相应的机器人工位布局；

2)检测光学元件表面面形误差，并根据光学元件曲率情况，选择与曲率相匹配的模块化研磨盘，采用机器人加工系统对光学元件进行研磨加工；

3)检测光学元件表面面形误差到允许抛光修形范围后，采用机器人加工系统，搭配抛光液供给回收工具头模块对光学元件进行抛光修形加工；

4)检测光学元件表面面形误差到允许精密抛光修形范围后，采用机器人加工系统，根据工件曲率选择搭配合适的磁流变抛光工具头对光学元件表面进行精密修形和抛光，完成大口径整体式光学元件的加工。

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