CN111230654A - 一种宏微复合恒压抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宏微复合恒压抛光装置及方法，该方法包括以下步骤：利用杠杆结构、杠杆两端的配重以及杠杆的力臂变化调节抛光压力大小；抛光设备对旋转对称非球面模仁表面进行抛光加工时，利用左右移动轴和旋转摆动轴控制抛光位置，利用空间上的升降伺服轴控制模仁抛光点在空间上竖直方向上的位置不变，结合杠杆原理从宏观上保证抛光压力的稳定；抛光头上安装有压力传感器和电磁力装置，根据抛光压力变化控制电磁力装置从微观上调整补偿抛光压力的变化，闭环控制保证抛光过程的恒压。本发明通过宏微复合的方法控制抛光压力的恒定，具有更高的控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学抛光技术领域，尤其涉及一种宏微复合恒压抛光装置及方法。
背景技术
随着光电子技术的发展，非球面透镜越来越多的应用在光学系统中，改善传统球面透镜光学系统中存在的像差大，视场小，光学系统体积大的弊病。常用的非球面透镜制造技术有两种，冷加工和热压成型。冷加工技术包括了对镜片毛胚的磨削和抛光，这种技术生产效率低，常用于天文和军工领域的大口径的光学透镜制造。热压成型技术利用高精密模具，通过加热透镜毛坯，并在玻璃透镜处于在高弹态时，施加一定压力，通过一定时间的保压和降温最后成型可以直接使用的完成件透镜。模压成型技术生产效率高，适用于民用透镜如车载镜头、安防镜头和手机镜头的大批量生产。但是模压成型技术需要用到精密模具，模具表面的面型精度和表面粗糙度直接决定了模压生产中非球面透镜的质量。常用的模具加工方法为磨削和抛光。先利用高精度磨床对模具毛坯进行磨削，再通过抛光设备对磨削加工导致的模仁表面粗糙度大、面型精度不合要求以及产生表面亚损伤等问题进行修复。抛光的精度直接决定了模仁表面的精度。
常用的非球面抛光方法有气囊抛光、小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光等。其中气囊抛光和小磨头抛由于其抛光头形状较小，常用在中小口径的非球面抛光领域。气囊抛光和小磨头抛光方法以Preston经验公式作为指导理论，通过控制抛光压力、抛光接触点速度、抛光驻留时间等参数实现确定性材料去除。在实际应用中，抛光点速度和抛光驻留时间易于控制，但是抛光的压力控制误差较大。在气囊抛光和小磨头抛光中，常常控制抛光压力和抛光速度恒定，通过改变抛光驻留时间来控制抛光去除量。实际生产应用中，抛光速度容易通过抛光工具的几何参数来控制，但抛光压力的控制较为复杂。抛光压力的控制方法可以分为两类型，刚性力控制和柔顺力控制。刚性力控制是通过抛光设备各驱动轴和位移耦合在一起，通过抛光接触模型中的参数如弹簧阻尼、刚性、弹性模量来计算运动轴的抛光位移。刚性力控制较为复杂。柔顺力控制是单独控制抛光压力，抛光压力不涉及抛光设备各驱动轴的运动位移。气囊抛光为柔顺力控制抛光压力，通过控制气囊的压力来控制抛光压力，但这对气囊的制作要求较高，并且限制了气囊的尺寸。小磨头抛光可以进行刚性控制和柔顺力控制，在小磨头上包裹一层聚氨酯抛光垫，通过聚氨酯的弹性模量来计算抛光压力和抛光设备各轴的位移，但这种控制方法是会由于聚氨酯抛光垫弹性模量的差异使得抛光压力产生差异。为了消除这种差异，在小磨头上包裹一层抛光绒布或者聚氨酯时，单独通过力传感器检测抛光压力的大小，再来控制抛光压力。但控制压力范围大，控制精度不高。
现有专利技术中，公开号为CN107336126A的中国发明专利提出了一种抛光设备的抛光压力控制方法、装置和抛光设备。通过局部抛光压力调整来调整抛光压力对平面晶圆进行抛光。但这种方法只适用于平面抛光。公开号为CN108188864A的中国发明专利提出了一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法，通过杠杆结构和电动缸来控制抛光压力。但是由于缺少压力检测传感器，且杠杆结构存在摩擦力，容易因缺乏闭环控制使得末端控制压力失真。公开号为JP2011020241A的日本发明专利提出了一种研磨加工方法，通过反复的抛光和误差检测来使得模具表面逐渐收敛。但其缺少压力控制，使得反复抛光耗时长。公开号为CN110253383A的中国专利提出了一种非球面光学元件的恒压抛光装置及其恒压抛光方法，利用抛光升降轴和杠杆机构来控制抛光压力相对不变。但其缺少压力检测装置，未能补偿压力的微小变化。公开号为CN109434683A提出了一种抛光机床及其恒压抛光装置，通过比例伺服阀来调节抛光压力。但是气压控制延时长，补正算法复杂且其压力传感器检测的是气压，没有直接检测抛光压力，存在换算误差。公开号为JP2013027963A提出了一种研磨抛光方法和装置，通过压力传感器检测的抛光压力来调整竖直方向升降轴位从而保证抛光恒压。但是这种方法压力控制范围大，容易产生超调使得抛光压力过大。公开号为CN104772661A的中国发明专利全频段高精度非球面光学元件的加工方法，同过迭代加工来使得抛光面型逐渐收敛，但是抛光迭代时间长。
现有的专利抛光技术由于各种因素误差，包括抛光压力、抛光速度、抛光驻留时间以及设备的精度，导致抛光加工面型误差收敛时间长，需要经过多次叠加抛光才能逐渐收敛。其中恒压抛光还难以控制在较小的误差范围内，导致抛光去除模型与理论计算误差过大，从而最终导致实际抛光效果与理论抛光效果存在误差。
发明内容
本发明所要解决的技术在于，提供一种宏微复合恒压抛光装置及方法，其可以提供一种恒压抛光方法，使得抛光压力恒定，使得理论去除量与实际去除量贴近，避免抛光过程中出现中频误差。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宏微复合恒压抛光装置及方法，其特征在于，包括抛光位置控制方法、杠杆机构组件调节抛光压力、竖直方向上升降伺服轴宏观上保证抛光压力相对稳定、压力传感器和电磁装置闭环组件补偿压力变化。
所述的抛光位置方法，其特征在于，根据非球面系数确定面型轮廓，利用左右移动轴和摆动轴使得抛光头对非球面表面的压力方向与非球面表面抛光点的法向方向重合。
所述杠杆机构组件调节抛光压力，其特征在于，利用杠杆原理，杠杆的右边的力臂和力不变时，杠杆左边的力臂和力也不变，从而控制杠杆右边的抛光压力不变，
所述竖直方向上升降伺服轴和杠杆机构调节抛光压力组件，其特征在于，所述杠杆机构调节抛光压力组件需要结合所述竖直方向上升降伺服轴来保证抛光压力的相对稳定。
所述的压力传感器和电磁装置闭环组件补偿压力变化，其特征在于，压力传感器实时检测抛光压力，将抛光压力转化微电压信号输送给控制系统，控制系统根据压力变化控制磁力装置产生磁力来补偿压力变化，从而控制抛光压力恒定。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.利用杠杆结构和杠杆两端的自重以及杠杆的力臂变化调节抛光压力大小；
2.抛光设备对旋转对称非球面模仁表面进行抛光加工时，利用左右移动轴和旋转摆动轴控制抛光位置；
3.利用空间上的升降伺服轴控制模仁抛光点在空间上竖直方向上的位置不变，结合杠杆原理从宏观上保证抛光压力的稳定；
4.抛光头上安装有压力传感器和电磁力装置，根据抛光压力变化控制电磁力装置从微观上调整补偿抛光压力的变化，闭环控制保证抛光过程的恒压；
5.本发明通过宏微复合的方法控制抛光压力的恒定，具有更高的抛光精度。
附图说明
图1是本发明一种宏微复合恒压抛光装置及方法的原理示意图；
图2是图1的受力分析示意图；
图3是图1的抛光位置变动示意图；
图4是图1的抛光位置控制示意图；
图中标号：1、调节砝码；2、施力杠杆；3、传力杠杆；4、气浮导块；5、压力传感器；6、模仁；7、永磁跌；8、磁力装置；9、左右移动台；10、上下升降台；11、上下丝杠；12、压力控制器；13、抛光头；14、气浮导轨；15、左右丝杠；16、旋转轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种宏微复合恒压抛光装置及方法的实施案例，其包括调节砝码1、施力杠杆2、传力杠杆3、气浮导块4、压力传感器5、模仁6、永磁跌7、磁力装置8、左右移动台9、上下升降台10、上下丝杠11、压力控制器12、抛光头13、气浮导轨14、左右丝杠15、旋转轴16。
图1示意图为本发明的一种机械结构运动示意简图。为工程中常用的运动方案表达方式，为本领域技术人员所熟知，在此不详细说明各个符号意义。
本发明提供了一种宏微复合恒压抛光装置及方法，在抛光过程中，所述抛光头13和模仁6进行自转，所述旋转轴16进行摆动，所述左右移动台9沿着左右丝杠15左右移动，所述上下升降台10沿着上下丝杠11上下移动。所述压力控制器12根据压力传感器5传回的信号动态的控制磁力装置8的磁力。
具体地，所述调节砝码1受到竖直向下的重力，通过施力杠杆2的作用，把力传递给传力杠杆3，传力杠杆3又施力于气浮导块4，使得气浮导块受到一个竖直向上的力，所述调节砝码1可以在施力杠杆2上移动来调节杠杆右侧的力臂来改变传力杠杆3对气浮导块4的力的大小。所述气浮导块4、压力传感器4、抛光头13以及磁钢构成一个整体，这个整体受到重力G、抛光压力Fn、来自传力杠杆的力F以及来自磁力装置的力F’。如图2所示，对这个整体在竖直方向上的受力分析有如下表达式
Fn＝Fz-G+F’
由表达式知，抛光压力Fn的大小由来自传力杠杆的力F在竖直方向上的分力Fz、重力G、以及来自磁力装置的力F’决定。重力G的大小不会变化，因此当通过改变来自来自传力杠杆的力F的大小和方向可以改变抛光压力Fn。为了保证恒压抛光，需要保证来自来自传力杠杆的力F的大小和方向不变。因此在抛光过程中，需要保证气浮导块4与气浮导轨14相对位置不变，。
如图3所示，所述模仁6的与抛光头13接触位置为抛光加工点，所述旋转轴16与模仁6固连。图中模仁6为模仁的截面形状，为了使得抛光头13对模仁6的压力方向为抛光加工曲线点的法向方向，需要通过旋转轴16将模仁6旋转一个角度。转过角度后的模仁6偏离的原来位置。在竖直方向偏离值为Δz，在水平方向偏离值为Δx。
如图4所示，为了使得抛光加工点在旋转一定角度后，在加工时气浮导块4与气浮导轨14相对位置不变。左右移动台9需要沿着左右丝杠15左右移动，同时上下升降台10需要沿着上下丝杠11上下移动。通过移动可以保证抛模仁6表面时，气浮导块4与气浮导轨14相对位置不变，从而使得来自传力杠杆的力F在竖直方向上的分力Fz不变。
在抛光过程中，由于机械振动、抛光头13的尺寸误差，会使得抛光压力Fn有微小变化，所述压力传感器5实时检测抛光压力，并通过图1所示与压力传感器5连接的虚线将压力信号传递给压力控制器12，通过压力控制器12控制电磁装置来控制力F’从而补偿了抛光压力Fn的变化。
综上所述，实施本发明具有如下有益效果：
1.通过左右移动和旋转，对确定位置进行抛光；
2.利用杠杆结构和杠杆两端的自重以及杠杆的力臂变化调节抛光压力大小；
3.抛光设备对旋转对称非球面模仁表面进行抛光加工时，利用左右移动轴,旋转摆动轴控制抛光位置，利用空间上的升降伺服轴控制模仁抛光点在空间上竖直方向上的位置不变，结合杠杆原理从宏观上保证抛光压力的稳定；
4.抛光头上安装有压力传感器和电磁力装置，根据抛光压力变化控制电磁力装置从微观上调整补偿抛光压力的变化，闭环控制保证抛光过程的恒压。抛光压力具有更高的控制精度，确保去除模型理论与实际贴合，提高抛光精度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种宏微复合恒压抛光装置，其特征在于，包括调节砝码、施力杠杆、传力杠杆、气浮导块、压力传感器、模仁、永磁跌、磁力装置、左右移动台、上下升降台、上下丝杠、压力控制器、抛光头、气浮导轨、左右丝杠、旋转轴，调节砝码与施力杠杆相连接，施力杠杆与传力杠杆相连接，传力杠杆与气浮导块相连接，气浮导块与压力传感器相连接，压力传感器与抛光头相连接，左右移动台与上下升降台相连接，左右移动台与旋转轴，旋转轴与模仁相连接，模仁与抛光头相接触。
2.如权利要求1所述的宏微复合恒压抛光装置，其特征在于，所述气浮导轨与气浮导块相连接，压力传感器与压力控制器相连接，压力控制器与磁力装置相连接。
3.如权利要求1所述的宏微复合恒压抛光装置，其特征在于，所述左右丝杠与左右移动台相连接，上下丝杠与上下升降台相连接。
4.一种宏微复合恒压抛光方法，其特征在于，步骤如下：
S1：抛光头和模仁进行自转，所述旋转轴进行摆动，所述左右移动台沿着左右丝杠左右移动，所述上下升降台沿着上下丝杠上下移动，所述压力控制器根据压力传感器传回的信号动态的控制磁力装置的磁力。
S2：所述调节砝码受到竖直向下的重力，通过施力杠杆的作用，把力传递给传力杠杆，传力杠杆又施力于气浮导块，使得气浮导块受到一个竖直向上的力，所述调节砝码可以在施力杠杆上移动来调节杠杆右侧的力臂来改变传力杠杆对气浮导块的力的大小，所述气浮导块、压力传感器、抛光头以及磁钢构成一个整体，这个整体受到重力G、抛光压力Fn、来自传力杠杆的力F以及来自磁力装置的力F’。
S3：所述模仁的与抛光头接触位置为抛光加工点，所述旋转轴与模仁固连，为了使得抛光头对模仁的压力方向为抛光加工曲线点的法向方向，需要通过旋转轴将模仁旋转一定角度，转过角度后的模仁偏离的原来位置，在竖直方向偏离值为Δz，在水平方向偏离值为Δx。
S4：所述为了使得抛光加工点在旋转一定角度后，在加工时气浮导块与气浮导轨相对位置不变，左右移动台需要沿着左右丝杠左右移动，同时上下升降台需要沿着上下丝杠上下移动，通过移动可以保证抛模仁表面时，气浮导块与气浮导轨相对位置不变，从而使得来自传力杠杆的力F在竖直方向上的分力Fz不变。
5.如权利要求4所述的宏微复合恒压抛光方法，其特征在于，在抛光过程中，由于机械振动、抛光头的尺寸误差，会使得抛光压力Fn有微小变化，所述压力传感器实时检测抛光压力，并通过图所示与压力传感器连接的虚线将压力信号传递给压力控制器，通过压力控制器控制电磁装置来控制力F’从而补偿了抛光压力Fn的变化。
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