CN111702653B - 一种平面光学元件行星式研磨装置及研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面光学元件行星式研磨装置及研磨方法，通过将工件盘的下端面与研磨台上端面平行设置，研磨台和工件盘能够相互不同轴转动，在工件盘上开设有多个夹具定位孔，多个夹具定位孔以工件盘驱动轴的轴线为中心圆周阵列，通过夹具夹持待加工光学元件，利用工件盘限位后使待加工光学元件的待研磨端面与研磨上端面接触，最后通过施压装置调整待加工光学元件与研磨台之间的压力，确保待加工光学元件与研磨台之间的接触稳定性，本装置结构简单，通过研磨盘和工件盘以行星式的运动方式相互转动，大大提高了平面光学元件的研磨速度，在研磨过程中通过施压装置实时保持同样的压力，保证了工件加工的平整度，提高了整个加工工艺的加工效率。

Description

一种平面光学元件行星式研磨装置及研磨方法
技术领域
本发明涉及精密加工领域，特别涉及一种平面光学元件行星式研磨装置及研磨方法。
背景技术
光学玻璃具有高强度、高硬度、高耐磨性等优异性能，被广泛应用于电子、机械等国防、民用领域中。光学玻璃从毛坯到成型经过磨削、研磨、抛光、镀膜等工序。其中研磨作为磨削和抛光之间的一道工序起着承上启下的作用，研磨过程中元件的平整度对于元件的后续抛光和应用起着重要的作用，平整度差会造成后续抛光效率低下，降低光学元件的成像和聚光质量，目前对于小型光学玻璃的研磨方法，主要采用手动研磨方法和机械研磨方法，手持玻璃样件，将表面接触研磨盘进行研磨；这种方法存在以下几点弊端：一是手持工件难以保证工件表面始终与研磨盘表面平行，会出现一端倾斜的情况，这样会使得工件倾斜的更低的部分去除量大，另一部分去除量小，平整度变差；二是在研磨盘转动之后，当转速大于50r/min时，工件受到转动的研磨盘带来的力使工件极易从手中脱落；三是手持工件的方法难以保证工件进行转动，这会造成一部分区域的去除量始终会很大，另一部分一直很小，材料去除很不均匀，平面的平整度不佳；四是从操作性上来说手持的方法费力，加工过程中需要停机进行调整手的姿势，效率太低。机械研磨方法：尽管使用工件盘代替手工的方法夹持工件，在研磨过程中工件容易在工件盘由于受到研磨盘转速带来的摩擦力上来回晃动，加工精度大大降低；工件盘无法转动，只有研磨盘转动，材料的去除效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面光学元件行星式研磨装置及研磨方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种平面光学元件行星式研磨装置，包括研磨台和工件盘，研磨台下端设置有用于驱动研磨台转动的研磨盘主轴，工件盘设置于研磨台上端，工件盘的下端面与研磨台上端面平行，工件盘上端固定有用于驱动工件盘转动的工件盘驱动轴，工件盘驱动轴的转动中心与研磨盘主轴的转动中心不重合；工件盘上开设有多个夹具定位孔，多个夹具定位孔以工件盘驱动轴的轴线为中心圆周阵列；夹具定位孔用于固定夹具，夹具用于夹持待加工光学元件，夹具将待加工光学元件固定于工件盘的夹具定位孔下端，待加工光学元件的待研磨端面与研磨上端面接触；还包括用于调整待加工光学元件与研磨台之间的压力的施压装置。
进一步的，工件盘上的夹具定位孔投影面位于研磨台上。
进一步的，工件盘上开设的夹具定位孔为盲孔，夹具套设于夹具定位孔内，夹具夹持的待加工光学元件端面与研磨台上端面接触，工件盘驱动轴连接的转动动力源固定于转动盘架上，转动盘架连接于施压装置。
进一步的，工件盘驱动轴和工件盘固定，施压装置设置于研磨盘主轴下端。
进一步的，工件盘上开设的夹具定位孔为通孔结构，夹具套设于夹具定位孔内，工件盘驱动轴通过转动盘架连接于转动驱动源，转动盘架下端固定有与一个夹具定位孔同轴设置的压力杆，压力杆的下端面能够与夹具的上端面接触。
进一步的，夹具上设有沉头孔，待加工光学元件放置于夹具的沉头孔内，待加工光学元件与夹具之间设置热熔胶层。
进一步的，夹具管壁周向均匀设有多个轴线沿径向设置的锁紧通孔，锁紧通孔内设有锁紧螺母，锁紧螺母的一端位于夹具沉头孔内固定有顶紧部，顶紧部能够与待加工光学元件表面接触。
进一步的，顶紧部与待加工光学元件表面接触一端为弧形面。
一种平面光学元件研磨方法，包括以下步骤：
步骤1)、将固定有待加工光学元件的夹具套设于夹具定位孔内，调整工件盘高度使待加工光学元件端面与研磨台上端面接触；
步骤2)、将待加工光学元件安装调整完毕后，通过施压装置调整待加工光学元件与研磨台之间的接触压力到达设定值，研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相反转向按照设定转速和时间进行粗研磨；一次粗研磨后检测待加工光学元件端面的平整度，若粗研磨后待加工光学元件端面的平整度小于粗研磨加工精度，则进行步骤3)，否则进行粗研磨直至待加工光学元件端面的平整度小于粗研磨加工精度；
步骤3)、将研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相同转向按照设定转速和时间进行精研磨；一次精研磨完成后，对待加工光学元件端面采用激光位移传感器进行平整度测量，如果待加工光学元件端面的平整度不满足设定平整度要求，则继续进行精研磨直至待加工光学元件端面平整度满足设定要求，即可完成平面光学元件的研磨。
进一步的，待加工光学元件固定于夹具上具体包括以下步骤：将夹具的沉头孔朝上放置于水平面上，然后将热熔胶熔融后加入夹具的沉头孔内，将待加工光学元件放置于夹具的沉头孔内并压紧，然后依次调整夹具管壁上的多个锁紧螺母，通过多个锁紧螺母端部的顶紧部配合夹紧待加工光学元件；调整锁紧螺母过程中，夹具水平放置且持续加热，使热熔胶保持熔融状态，多个锁紧螺母调整完成后冷却使热熔胶凝固。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种平面光学元件行星式研磨装置，包括研磨台和工件盘，工件盘的下端面与研磨台上端面平行，研磨台和工件盘能够相互不同轴转动，在工件盘上开设有多个夹具定位孔，多个夹具定位孔以工件盘驱动轴的轴线为中心圆周阵列，通过夹具夹持待加工光学元件，利用工件盘限位后使待加工光学元件的待研磨端面与研磨上端面接触，最后通过施压装置调整待加工光学元件与研磨台之间的压力，确保待加工光学元件与研磨台之间的接触稳定性，本装置结构简单，通过研磨盘和工件盘以行星式的运动方式相互转动，大大提高了平面光学元件的研磨速度，在研磨过程中通过施压装置实时保持同样的压力，保证了工件加工的平整度，提高了整个加工工艺的加工效率。
进一步的，工件盘上的夹具定位孔投影面位于研磨台上，保证了研磨过程中待加工光学元件与研磨台完全接触，确保研磨受力均匀。
进一步的，工件盘上开设的夹具定位孔为盲孔，夹具套设于夹具定位孔内，夹具夹持的待加工光学元件端面与研磨台上端面接触，安装方便，施力均匀。
进一步的，夹具上设有沉头孔，待加工光学元件放置于夹具的沉头孔内，待加工光学元件与夹具之间设置热熔胶层，避免了待加工光学元件与研磨机直接接触，保证加工过程中样件的完整性，避免对样件造成损坏，同时直接通过调整夹具位置保证待加工光学元件的平行度，操作更方便。
本发明一种平面光学元件研磨方法，通过将固定有待加工光学元件的夹具套设于夹具定位孔内，调整工件盘高度使待加工光学元件端面与研磨台上端面接触；通过施压装置调整待加工光学元件与研磨台之间的接触压力到达设定值，研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相反转向按照设定转速和时间进行粗研磨；提高研磨速度，然后通过将研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相同转向按照设定转速和时间进行精研磨，实现精研磨，采用行星式研磨轨迹设计，能够使工件受到多方向的均匀研磨，确保待加工光学元件端面受到均匀研磨次数，使工件研磨过程中保持稳定，提高光学玻璃表面的平整度的同时，能够最大程度地减小研磨盘的磨损，提高研磨盘的使用寿命。
进一步的，将研磨盘和工件盘的转向先反向设置再同向设置的参数方式，可以确保加工效率的同时避免研磨盘磨粒在一个方向反复受到磨损，提高了研磨盘的使用寿命。
附图说明
图1为发明实施例中结构示意图。
图2为本发明实施例中工件盘安装结构示意图。
图3为本发明实施例中夹具结构示意图。
图4为本发明实施例中夹具剖视图。
图5为本发明实施例中研磨台和工件盘相对位置结构示意图。
图6为本发明实施例中工件盘上一个夹具定位孔上的待加工光学元件位置示意图。
图7为本发明实施例中工件盘上一个夹具定位孔上的待加工光学元件位置研磨受力示意图。
图8为本发明实施例中不同时间一个夹具定位孔上的待加工光学元件位置研磨轨迹图；图8a为0.5s时研磨轨迹图；图8b为1.5s时研磨轨迹图；图8c为3s时研磨轨迹图；图8d为5s时研磨轨迹图；图8e为10s时研磨轨迹图；图8f为20s时研磨轨迹图；图8g为30s时研磨轨迹图；图8h为0.5s时研磨轨迹图。
其中，1、研磨台；2、工件盘；3、研磨盘主轴；4、工件盘驱动轴；5、夹具定位孔；6、夹具；7、待加工光学元件；8、转动盘架；9、压力杆；10、锁紧通孔；11、锁紧螺母；12、顶紧部；13、热熔胶层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种平面光学元件行星式研磨装置，包括研磨台1和工件盘2，研磨台1下端设置有用于驱动研磨台1转动的研磨盘主轴3，工件盘2设置于研磨台1上端，工件盘2的下端面与研磨台1上端面平行，工件盘2上端固定有用于驱动工件盘2转动的工件盘驱动轴4，工件盘驱动轴4的转动中心与研磨盘主轴3的转动中心不重合；工件盘2上开设有多个夹具定位孔5，多个夹具定位孔5以工件盘驱动轴4的轴线为中心圆周阵列；夹具定位孔5用于固定夹具6，夹具6用于夹持待加工光学元件7，夹具6将待加工光学元件7固定于工件盘2的夹具定位孔5下端，待加工光学元件7的待研磨端面与研磨台1上端面接触；还包括用于调整待加工光学元件7与研磨台1之间的压力的施压装置。如图5所示，工件盘2上的夹具定位孔5投影面位于研磨台1上，即夹具6将待加工光学元件7固定于工件盘2的夹具定位孔5下端后，工件盘驱动轴4转动过程中，待加工光学元件7能够始终与研磨台1上端面保持接触，确保研磨过程中研磨面接触均匀。
如图2所示，工件盘2上开设的夹具定位孔5为盲孔，夹具6套设于夹具定位孔5内，夹具6夹持的待加工光学元件7端面与研磨台1上端面接触，工件盘驱动轴4连接的转动动力源固定于转动盘架8上，转动盘架8连接于施压装置，施压装置通过转动盘架8、工件盘驱动轴4及工件盘2一体连接结构向夹具6夹持的待加工光学元件7施压，从而调整待加工光学元件7与研磨台1上端面之间的接触压力；或者工件盘驱动轴4和工件盘2固定，施压装置设置于研磨盘主轴3下端，通过控制研磨盘主轴3上下移动微调，从而实现待加工光学元件7与研磨台1上端面之间的接触压力。
如图1所示，或者工件盘2上开设的夹具定位孔5为通孔结构，夹具6套设于夹具定位孔5内，工件盘驱动轴4通过转动盘架8连接于转动驱动源，转动驱动源采用驱动电机或齿轮传动；转动盘架8下端固定有与一个夹具定位孔5同轴设置的压力杆9，压力杆9的下端面能够与夹具6的上端面接触，用于向夹具6施加压力，从而达到调整待加工光学元件7与研磨台1上端面之间的接触压力的目的。
如图3、图4所示，夹具6上设有沉头孔，待加工光学元件7放置于夹具6的沉头孔内，待加工光学元件7与夹具6之间设置热熔胶层13，实现待加工光学元件7与夹具6的固定夹持；夹具6管壁周向均匀设有多个轴线沿径向设置的锁紧通孔10，锁紧通孔10内设有锁紧螺母11，锁紧螺母11的一端位于夹具6沉头孔内固定有顶紧部12，顶紧部12能够与待加工光学元件7表面接触；顶紧部12与待加工光学元件7表面接触一端为弧形面，提高顶紧部12与待加工光学元件7的接触面积。本申请具体在夹具6的管壁周向均匀设置四个锁紧通孔10，其中两个锁紧通孔10为一组，一组的两个锁紧通孔10轴线在同一条直线上，以确保夹持稳定。使用过程中，将夹具6的沉头孔朝上放置于水平面上，然后将热熔胶熔融后加入夹具6的沉头孔内，然后将待加工光学元件7放置于夹具6的沉头孔内并压紧，然后通过调整夹具6管壁上的锁紧螺母11，通过多个锁紧螺母11端部的顶紧部12配合夹紧待加工光学元件7，调整锁紧螺母11过程中，夹具6水平放置且持续加热，使热熔胶保持熔融状态，一般热熔胶熔融温度为50度左右；多个锁紧螺母11调整完成后冷却使热熔胶凝固，从而确保待加工光学元件7与夹具6之间的夹持稳定性，研磨过程中待加工光学元件7与夹具6之间受力面积大，防止待加工光学元件7研磨过程中跳动。
基于上述平面光学元件行星式研磨装置的平面光学元件研磨方法，包括以下步骤：
步骤1)、将夹具6的沉头孔朝上放置于水平面上，然后将热熔胶熔融后加入夹具6的沉头孔内，将待加工光学元件7放置于夹具6的沉头孔内并压紧，然后依次调整夹具6管壁上的多个锁紧螺母11，通过多个锁紧螺母11端部的顶紧部12配合夹紧待加工光学元件7；调整锁紧螺母11过程中，夹具6水平放置且持续加热，使热熔胶保持熔融状态，多个锁紧螺母11调整完成后冷却使热熔胶凝固，从而确保待加工光学元件7与夹具6之间的夹持稳定性，研磨过程中待加工光学元件7与夹具6之间受力面积大，防止待加工光学元件7研磨过程中跳动；具体调整过程中，可以采用对角同步调整，防止待加工光学元件7过渡偏移；
步骤2)、将固定有待加工光学元件7的夹具6套设于夹具定位孔5内，调整工件盘2高度使待加工光学元件7端面与研磨台1上端面接触；安装完成后，待加工光学元件7端面与研磨台1平面误差在允许误差范围内；
步骤3)、将待加工光学元件7安装调整完毕后，通过施压装置调整待加工光学元件7与研磨台1之间的接触压力到达设定值，研磨盘主轴3和工件盘驱动轴4以相反转向按照设定转速和时间进行粗研磨；粗研磨后检测待加工光学元件7端面的平整度，若粗研磨后待加工光学元件7端面的平整度小于粗研磨加工精度，则进行步骤4)，否则进行粗研磨直至待加工光学元件7端面的平整度小于粗研磨加工精度；
粗研磨过程中研磨盘主轴3和工件盘驱动轴4转动方向相反，提高了粗研磨速度；具体的，本申请设置工件盘驱动轴4转速为140r/min-160r/min，研磨盘主轴3转速为190r/min-210r/min，研磨时间为2～5min，磨粒越小时间越小，避免磨粒过度磨损；
步骤4)、将研磨盘主轴3和工件盘驱动轴4以相同转向按照设定转速和时间进行精研磨；一次精研磨完成后，对待加工光学元件7端面采用激光位移传感器进行平整度测量，如果待加工光学元件7端面的平整度不满足设定平整度要求，则继续进行精研磨直至待加工光学元件7端面平整度满足设定要求。则本申请设置工件盘驱动轴4转速为120r/min-140r/min，研磨盘主轴3转速为170r/min-190r/min，研磨时间为1～3min。
如图6、图7所示，以工件盘上一个夹具定位孔上的待加工光学元件为例，，未验证待加工光学元件7在平面光学元件行星式研磨装置上研磨面的研磨轨迹，进行运动仿真验证：
对于待加工光学元件的某个点K，以研磨盘中心为原点建立坐标系，设Kx——K点的x坐标值；Ky——K点的y坐标值；
Figure BDA0002494715280000091
——K点在工件表面相对于OO’的初始转角；t——加工时间。K点的位置坐标可以表示为：
Figure BDA0002494715280000092
在平面研磨过程中，工件层的去除是通过研磨盘与工件表面对磨实现的，因此工件表面的点与研磨盘会产生相对运动，研磨盘存在转动，因此将K点进行坐标的平移与转换，可得到下式：
Figure BDA0002494715280000101
式中，θ——研磨盘的转角，Ox——研磨盘中心O点的x坐标值，Oy——研磨盘中心O点的y坐标值,将式(2)代入式(1)中，可以得到：
Figure BDA0002494715280000102
根据上述公式，设定工件盘转速设置为150r/min，研磨盘转速设置为200r/min，可以得到工件的K点的不同时刻的相对轨迹如图8所示；根据研磨盘磨粒和实际加工要求规划后续研磨的次数，每次进行激光测量和水平调整，确保每次研磨之前加工件的平行度。从图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)和图8(e)中可以看出随着时间的增加，轨迹线逐渐完善,在图8(f)中轨迹线已经很密集，在图8(g)和图8(h)中可以发现轨迹已经完善，而且图8(f)、图8(g)和图8(h)图像得到的轨迹相同，这表明理想情况下轨迹均具有一定的运动周期性，随着时间的延长,该点的运动仅仅简单地重复以前的路线，将工件上所有点的轨迹合成可以得到整个工件的轨迹图。由图8(h)可知在短时间内工件上个点受到不同方向上的摩擦力，从而确保了工件受到多方向的均匀研磨，提高光学玻璃表面的平整度的同时，能够最大程度地减小研磨盘的磨损，提高研磨盘的使用寿命；通过式(3)计算发现，对于工件上不同半径处的点也会因为r的不同导致运动轨迹不同，而且任意点K的运动周期为研磨盘ω1转动周期和工件盘ω2转动周期的最小公倍数，如果设定一定时间段，将不同半径、不同相位的各点轨迹进行叠加,就可以演示出工件表面的材料去除过程，从而能够更好地研究和掌握磨粒研磨加工的基本规律,为定区域定量加工提供工艺参数指导。

Claims (5)

1.一种平面光学元件行星式研磨装置，其特征在于，包括研磨台（1）和工件盘（2），研磨台（1）下端设置有用于驱动研磨台（1）转动的研磨盘主轴（3），工件盘（2）设置于研磨台（1）上端，工件盘（2）的下端面与研磨台（1）上端面平行，工件盘（2）上端固定有用于驱动工件盘（2）转动的工件盘驱动轴（4），工件盘驱动轴（4）的转动中心与研磨盘主轴（3）的转动中心不重合；工件盘（2）上开设有多个夹具定位孔（5），多个夹具定位孔（5）以工件盘驱动轴（4）的轴线为中心圆周阵列；夹具定位孔（5）用于固定夹具（6），夹具（6）用于夹持待加工光学元件（7），夹具（6）将待加工光学元件（7）固定于工件盘（2）的夹具定位孔（5）下端，待加工光学元件（7）的待研磨端面与研磨台（1）上端面接触；还包括用于调整待加工光学元件（7）与研磨台（1）之间的压力的施压装置；工件盘（2）上的夹具定位孔（5）投影面位于研磨台（1）上；工件盘（2）上开设的夹具定位孔（5）为通孔结构，夹具（6）套设于夹具定位孔（5）内，工件盘驱动轴（4）通过转动盘架（8）连接于转动驱动源，转动盘架（8）下端固定有与一个夹具定位孔（5）同轴设置的压力杆（9），压力杆（9）的下端面能够与夹具（6）的上端面接触；夹具（6）上设有沉头孔，待加工光学元件（7）放置于夹具（6）的沉头孔内，待加工光学元件（7）与夹具（6）之间设置热熔胶层（13）。
2.根据权利要求1所述的一种平面光学元件行星式研磨装置，其特征在于，夹具（6）管壁周向均匀设有多个轴线沿径向设置的锁紧通孔（10），锁紧通孔（10）内设有锁紧螺母（11），锁紧螺母（11）的一端位于夹具（6）沉头孔内固定有顶紧部（12），顶紧部（12）能够与待加工光学元件（7）表面接触。
3.根据权利要求2所述的一种平面光学元件行星式研磨装置，其特征在于，顶紧部（12）与待加工光学元件（7）表面接触一端为弧形面。
4.一种基于权利要求3所述的平面光学元件行星式研磨装置的平面光学元件研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）、将固定有待加工光学元件的夹具套设于夹具定位孔内，调整工件盘高度使待加工光学元件端面与研磨台上端面接触；
步骤2）、将待加工光学元件安装调整完毕后，通过施压装置调整待加工光学元件与研磨台之间的接触压力到达设定值，研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相反转向按照设定转速和时间进行粗研磨；一次粗研磨后检测待加工光学元件端面的平整度，若粗研磨后待加工光学元件端面的平整度小于粗研磨加工精度，则进行步骤3），否则进行粗研磨直至待加工光学元件端面的平整度小于粗研磨加工精度；
步骤3）、将研磨盘主轴和工件盘驱动轴以相同转向按照设定转速和时间进行精研磨；一次精研磨完成后，对待加工光学元件端面采用激光位移传感器进行平整度测量，如果待加工光学元件端面的平整度不满足设定平整度要求，则继续进行精研磨直至待加工光学元件端面平整度满足设定要求，即可完成待加工光学元件的研磨。
5.根据权利要求4所述的平面光学元件研磨方法，其特征在于，待加工光学元件固定于夹具上具体包括以下步骤：将夹具的沉头孔朝上放置于水平面上，然后将热熔胶熔融后加入夹具的沉头孔内，将待加工光学元件放置于夹具的沉头孔内并压紧，然后依次调整夹具管壁上的多个锁紧螺母，通过多个锁紧螺母端部的顶紧部配合夹紧待加工光学元件；调整锁紧螺母过程中，夹具水平放置且持续加热，使热熔胶保持熔融状态，多个锁紧螺母调整完成后冷却使热熔胶凝固。
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