CN111993215B - 一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，包括抛光垫、支撑板、轴向连接件、弹性挡圈、滚珠花键轴、滚珠花键轴套、连接柄、筒夹螺帽、连接盘、盖板、连接销钉、球头连接件、轴端连接销钉、限位销钉、弹簧筒夹以及若干弹性浮动单元等，弹性浮动单元由浮动盘、浮动盘盖板、滑动轴、轴套、限位筒、连接圆盘和精密压缩弹簧构成。支撑板上均匀布置若干独立的弹性浮动单元，每个弹性浮动单元内部设置有一定刚度系数的精密压缩弹簧，可以根据施加压力进行更换调节变形量，以适应光学零件表面局部矢高变化。弹性浮动单元底面将整体粘接一层分块的抛光垫，用于光学零件表面加工，提升了加工精度和表面质量。

Description

一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具

技术领域

本发明涉及一种光学抛光工具，具体涉及一种用于大口径非球面光学零件表面加工的抛光工具，属于大口径光学加工领域。

背景技术

目前，大口径非球面光学元件的应用日益增多，特别是在光学遥感、资源勘探以及环境监控等领域有极大需求。当前制约大口径光学元件快速应用的主要限制条件之一就是加工效率，特别是光学元件在前、中期的抛光效率。抛光的前中期，不仅需要快速去除研磨产生的破坏层，还需要实现面形误差的快速收敛以及各个频段误差的控制。为了提高大口径光学元件的效率，就需要使用大口径的抛光工具。但是，大口径的抛光工具由于覆盖面积大，这就对非球面光学元件表面局部差异适应有很高的要求。目前使用的大盘抛光工具受制于自身结构限制，对非球面的适应性较差，即抛光盘与工件表面之间的贴合程度不够高，不仅会影响加工效率、表面质量，还会因为实际接触区与理论接触区差异较大而影响面形误差的收敛。因此，亟需一种可以很好适应加工表面的大口径抛光工具。

发明内容

本发明为解决现有大口径非球面光学零件加工效率较低的问题，提出一种采用多点分布弹性浮动单元的大尺寸可变形柔性抛光工具，抛光垫粘接在弹性浮动单元托盘上可以实现抛光垫与加工表面的有效贴合，增大了有效加工面积，同时配合抛光工具的高速转动，能够显著提高加工效率。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，该抛光工具包括：抛光垫，支撑板，轴向连接件，弹性挡圈，滚珠花键轴，滚珠花键轴套，连接柄，筒夹螺帽，连接盘，盖板，连接销钉，球头连接件，轴端连接销钉，限位销钉，弹簧筒夹和弹性浮动单元，其中：支撑板上排布多个通过螺钉固定连接的弹性浮动单元，弹性浮动单元底部的浮动盘表面粘接抛光垫，用于抛光工件表面；支撑板通过螺钉固定连接盘，连接盘为中心处为圆柱底面并开有矩形槽，穿过球头连接件中心的连接销钉嵌入连接盘的矩形槽内，传递转动功能，盖板通过螺钉固定在连接盘上表面，用于避免支撑板提起时发生脱落；球头连接件上端表面加工有外螺纹，与下端加工有内螺纹的轴向连接件通过螺纹副实现连接固定，传递来自连接柄的转动功能；滚珠花键轴的下端加工有垂直于轴向的圆柱孔，轴向连接件上端加工有直径相同的圆柱孔，使用轴端连接销钉穿过滚珠花键轴和轴向连接件设置的圆孔，实现两者的连接固定，弹性挡圈嵌套在轴向连接件外表面的凹槽内，以防止轴端连接销钉发生脱落；滚珠花键轴的上端加工有垂直于轴向的圆柱孔，用于安装限位销钉，以防止滚珠花键轴从滚珠花键轴套内脱落；滚珠花键轴和滚珠花键轴套配合使用，滚珠花键轴可在滚珠花键轴套内发生纵向滑动的同时可以传递回转运动；滚珠花键轴套通过螺钉连接固定在连接柄的下端；连接柄的上端加工有锥孔，用于安装弹簧筒夹，弹簧筒夹的内孔用于连接外设主轴，使用时通过筒夹螺帽锁紧，实现弹簧筒夹与外设主轴的固定连接，实现传递回转运动，并依次经过连接柄，滚珠花键轴，球头连接件，连接盘将回转运动传递到支撑盘上。

进一步地，所述的弹性浮动单元由浮动盘，浮动盘盖板，滑动轴，轴套，限位筒，连接圆盘以及精密压缩弹簧组成；弹性浮动单元的活动部分由浮动盘、浮动盘盖板和一端为球状的滑动轴组成，浮动盘通过螺钉与浮动盘盖板连接，并嵌套在滑动轴球状末端上，可以发生大角度的转动；滑动轴的另一端通过螺钉与连接圆盘相连，连接圆盘与内置在限位筒内的精密压缩弹簧下端接触；用于配合滑动轴的轴套嵌套在支撑板上预置的沉孔内，通过螺钉将限位筒固定在支撑盘上，同时固定轴套；在支撑盘阵列多个弹性浮动单元构成加工用的抛光工具。

进一步地，连接柄内置的弹簧筒夹和筒夹螺帽与传动主轴连接，传递回转运动；滚珠花键轴和滚珠花键轴套组成滑动副，在传递转动的同时，滚珠花键轴及其连接的支撑盘可以大范围的上下浮动；滚珠花键轴的上端设计有销孔用于安装限位销钉避免滚珠花键轴从滚珠花键轴套中下滑脱落；滚珠花键轴的下端设计有销孔用于安装轴端连接销钉，同时连接轴向连接件，设有弹性挡圈避免销钉脱落；连接轴向连接件下端加工有螺纹，用于连接球头连接件，实现和支撑盘的连接。

进一步地，支撑盘中心部分安装有连接盘，连接盘设有圆柱沉孔和矩形槽，用于安装球头连接件及通过其内部的连接销钉，具备在大角度倾斜条件下传递转动的功能，设有盖板通过螺钉固定在连接盘上部，防止支撑盘从球头连接件上脱落。

进一步地，弹性浮动单元通过螺钉固定在支撑盘上预置的沉孔内，根据实际使用需求在支撑盘上设计特定的分布，再安装弹性浮动单元。

进一步地，抛光垫粘接在弹性浮动单元中的浮动盘底面上，根据需要将抛光垫进行分割处理，增加适应性。

本发明原理在于本发明主要由沿轴向滑动的传动连接柄和具有多个弹性浮动单元的抛光盘组成。具体包括抛光垫、支撑板、轴向连接件、弹性挡圈、滚珠花键轴、滚珠花键轴套、连接柄、筒夹螺帽、连接盘、盖板、连接销钉、球头连接件、轴端连接销钉、限位销钉、弹簧筒夹以及若干弹性浮动单元等。支撑板上排布多个通过螺钉固定连接的弹性浮动单元，弹性浮动单元底部的浮动盘表面粘接抛光垫，用于抛光工件表面；支撑板通过螺钉固定连接盘，连接盘为中心处为圆柱底面并开有矩形槽，穿过球头连接件中心的连接销钉嵌入连接盘的矩形槽内，传递转动功能，盖板通过螺钉固定在连接盘上表面，用于避免支撑板提起时发生脱落；球头连接件上端表面加工有外螺纹，与下端加工有内螺纹的轴向连接件通过螺纹副实现连接固定，传递来自连接柄的转动功能；滚珠花键轴的下端加工有垂直于轴向的圆柱孔，轴向连接件上端加工有直径相同的圆柱孔，使用轴端连接销钉穿过滚珠花键轴和轴向连接件设置的圆孔，实现两者的连接固定，弹性挡圈嵌套在轴向连接件外表面的凹槽内，以防止轴端连接销钉发生脱落；滚珠花键轴的上端加工有垂直于轴向的圆柱孔，用于安装限位销钉，以防止滚珠花键轴从滚珠花键轴套内脱落；滚珠花键轴和滚珠花键轴套配合使用，滚珠花键轴可在滚珠花键轴套内发生纵向滑动的同时可以传递回转运动；滚珠花键轴套通过螺钉连接固定在连接柄的下端；连接柄的上端加工有锥孔，用于安装弹簧筒夹，弹簧筒夹的内孔用于连接外设主轴，使用时通过筒夹螺帽锁紧，实现弹簧筒夹与外设主轴的固定连接，实现传递回转运动，并依次经过连接柄，滚珠花键轴，球头连接件，连接盘将回转运动传递到支撑盘上。

抛光工具的主体为支撑盘，支撑盘上布置有多个弹性浮动单元，发挥适应加工表面起伏变化的功能。弹性浮动单元由浮动盘、浮动盘盖板、滑动轴、轴套、限位筒、连接圆盘以及精密压缩弹簧组成；浮动盘、浮动盘盖板和一端为球状的滑动轴组成弹性浮动单元的活动部分，浮动盘通过螺钉与浮动盘盖板连接，并嵌套在滑动轴球状末端上，实现大角度的转动；滑动轴在轴套内发生纵向的滑动，滑动轴上端通过螺钉与连接圆盘相连，连接圆盘与内置在限位筒内的精密压缩弹簧下端接触；轴套嵌套在支撑板上预置的沉孔内，采用螺钉将限位筒和轴套同时固定在支撑盘上。

抛光工具的连接柄相关部分用于连接外设传动主轴和支撑盘，将外设主轴的回转运动传递给支撑盘。连接柄内设置有弹簧筒夹，弹簧筒夹内部圆孔连接固定外设传动主轴，筒夹螺帽锁紧时即实现传动主轴与连接柄的固定连接，从而实现回转运动的传递；连接柄的下端通过螺钉固定安装滚珠花键轴套，轴套内配合使用滚珠花键轴，两者构成滑动副，传递回转运动的同时两者可发生纵向相对滑动；滚珠花键轴上端加工有销孔，用于安装限位销钉，防止滚珠花键轴从滚珠花键轴套中脱落；滚珠花键轴下端加工有销孔，用于安装轴端连接销钉，连接加工有同样销孔的轴向连接件，实现滚珠花键轴和轴向连接件的固定连接，弹性挡圈安装在轴向连接件外部凹槽内以防止轴端连接销钉脱落；轴向连接件下端加工有内螺纹，用于与上部加工有外螺纹的球头连接件固定连接。

连接柄的滑动部分通过支撑盘上的球头连接件与之连接，传递回转运动。支撑盘中心处通过螺钉固定连接盘，连接盘中部加工圆柱沉孔和矩形槽，用于安装球头连接件及通过其内部的连接销钉，连接销钉嵌入连接盘的矩形槽内，可在大角度倾斜条件下传递转动；设有盖板通过螺钉固定在连接盘上部，防止支撑盘从球头连接件上脱落。

支撑盘用于布置弹性浮动单元，弹性浮动单元通过螺钉固定在预先设置的沉孔内。根据实际使用需求进行弹性浮动单元的分布设计，可以最大限度的满足加工需要。抛光垫粘接在弹性浮动单元底部的浮动盘表面上，可根据实际使用对抛光垫进行多种形式的分割处理，以最大程度的实现加工表面适应性。

本发明的有益效果是：本发明采用了由精密压缩弹簧构成的弹性浮动单元，结构简洁，浮动动作可靠，可更换不同刚度系数的弹簧，有利于保证浮动单元的可靠性和提升施加压力调整的灵活性；本发明采用了阵列方式布置弹性浮动单元，可根据抛光工具覆盖区域进行自主规划和配置，有利于提升抛光工具的实用性；本发明中与弹性浮动单元粘接的抛光垫与加工表面局部适应性好，有利于抛光垫与工件表面的有效贴合，增大有效去除区域面积；本发明采用滚珠花键轴和滚珠花键轴套作为传递回转运动的部件，转动工作时具有滑动摩擦力小、纵向滑动距离大且传递扭矩大的优点，有利于抛光压力的精确施加、应付加工表面起伏变化的适应能力增强，以及大抛光扭矩的应用；抛光工具配合高转速加工，有利于显著提升加工效率。

附图说明

图1为本发明一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具正视图；

图2为本发明一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具全剖视图；

图3为本发明一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具俯视图；

图4为本发明一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具仰视图；

图5为弹性抛光单元的正视图和全剖视图。

图中附图标记含义为：1为抛光垫，2为支撑板，3为轴向连接件，4为弹性挡圈，5为滚珠花键轴，6为滚珠花键轴套，7为连接柄，8为筒夹螺帽，9为连接盘，10为盖板，11为连接销钉，12为球头连接件，13为轴端连接销钉，14为限位销钉，15为弹簧筒夹，16为弹性浮动单元，161为浮动盘，162为浮动盘盖板，163为滑动轴，164为轴套，165为限位筒，166为连接圆盘，167为精密压缩弹簧。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

具体实施方式：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式一种用于大口径光学元件加工的可变性抛光工具，包括：抛光垫1，支撑板2，轴向连接件3，弹性挡圈4，滚珠花键轴5，滚珠花键轴套6，连接柄7，筒夹螺帽8，连接盘9，盖板10，连接销钉11，球头连接件12，轴端连接销钉13，限位销钉14，弹簧筒夹15和弹性浮动单元16。其中，弹性浮动单元16包括：浮动盘161，浮动盘盖板162，滑动轴163，轴套164，限位筒165，连接圆盘166以及精密压缩弹簧167。弹性浮动单元16的活动部分由浮动盘161、浮动盘盖板162和一端为球状的滑动轴163组成，浮动盘161通过螺钉与浮动盘盖板162连接，并嵌套在滑动轴163球状末端上，可以发生大角度的转动。滑动轴163的另一端通过螺钉与连接圆盘166相连，连接圆盘166与内置在限位筒165内的精密压缩弹簧167下端接触。用于配合滑动轴163的轴套164嵌套在支撑板2上预置的沉孔内，通过螺钉将限位筒165固定在支撑盘2上，同时固定轴套164。

支撑板2上排布多个通过螺钉固定连接的弹性浮动单元16，弹性浮动单元16底部的浮动盘161表面粘接抛光垫1，用于抛光工件表面；支撑板2通过螺钉固定连接盘9，连接盘9为中心处为圆柱底面并开有矩形槽，穿过球头连接件12中心的连接销钉11嵌入连接盘9的矩形槽内，传递转动功能，盖板10通过螺钉固定在连接盘9上表面，用于避免支撑板2提起时发生脱落；球头连接件12上端表面加工有外螺纹，与下端加工有内螺纹的轴向连接件3通过螺纹副实现连接固定，传递来自连接柄7的转动功能；滚珠花键轴5的下端加工有垂直于轴向的圆柱孔，轴向连接件3上端加工有直径相同的圆柱孔，使用轴端连接销钉13穿过滚珠花键轴5和轴向连接件3设置的圆孔，实现两者的连接固定，弹性挡圈4嵌套在轴向连接件3外表面的凹槽内，以防止轴端连接销钉13发生脱落；滚珠花键轴5的上端加工有垂直于轴向的圆柱孔，用于安装限位销钉14，以防止滚珠花键轴5从滚珠花键轴套6内脱落；滚珠花键轴5和滚珠花键轴套6配合使用，滚珠花键轴5可在滚珠花键轴套6内发生纵向滑动的同时可以传递回转运动；滚珠花键轴套6通过螺钉连接固定在连接柄7的下端；连接柄7的上端加工有锥孔，用于安装弹簧筒夹15，弹簧筒夹15的内孔用于连接外设主轴，使用时通过筒夹螺帽8锁紧，实现弹簧筒夹15与外设主轴的固定连接，实现传递回转运动，并依次经过连接柄7，滚珠花键轴5，球头连接件12，连接盘9将回转运动传递到支撑盘2上。

本实施方式的技术效果是：将大口径抛光盘与工件表面之间的接触方式由整体接触改为多片局部接触，有效改善了大口径抛光盘与非球面工件表面之间的有效贴合难题，有利于保证加工过程稳定性、表面质量以及面形修形精度。在抛光盘自重作用下，依靠单个弹性浮动单元的精密压缩弹簧产生变形来适配局部面形高低，无需增加外部施加压力，弹性浮动单元结构简洁，采用阵列方式排布，布置灵活，使用方便。

本发明抛光工具以自身重量产生工作压力，支撑盘2上设置的弹性浮动单元16支撑工具重量，并将压力传递到加工镜面上。在重力的作用下，支撑盘2上布置的若干弹性浮动单元16内的精密压缩弹簧167发生压缩变形，滑动轴163发生轴向浮动，从而使独立设计的弹性浮动单元的托盘161能够根据镜面局部表面产生相应的位移，实现有效贴合镜面表面，再配合抛光工具转动产生材料去除。用于连接驱动主轴和支撑盘之间的连接柄7内置有滚珠花键轴5和滚珠花键轴套6，可以使连接的支撑盘2产生轴向浮动，从而适应镜面表面大幅度起伏变化的情况，保证施加压力的稳定。综上，本发明中支撑盘2可以大幅度的沿轴向浮动，支撑盘2上设置的弹性浮动单元16的浮动盘161可以随镜面局部起伏产生轴向浮动以贴合加工镜面，从而实现加工过程中抛光垫1与加工表面的有效贴合，确保加工质量。

Claims (5)

1.一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，其特征在于，该抛光工具包括：抛光垫(1)，支撑板(2)，轴向连接件(3)，弹性挡圈(4)，滚珠花键轴(5)，滚珠花键轴套(6)，连接柄(7)，筒夹螺帽(8)，连接盘(9)，盖板(10)，连接销钉(11)，球头连接件(12)，轴端连接销钉(13)，限位销钉(14)，弹簧筒夹(15)和弹性浮动单元(16)，其中：支撑板(2)上排布多个通过螺钉固定连接的弹性浮动单元(16)，弹性浮动单元(16)底部的浮动盘(161)表面粘接抛光垫(1)，用于抛光工件表面；支撑板(2)通过螺钉固定连接盘(9)，连接盘(9)为中心处为圆柱底面并开有矩形槽，穿过球头连接件(12)中心的连接销钉(11)嵌入连接盘(9)的矩形槽内，传递转动功能，盖板(10)通过螺钉固定在连接盘(9)上表面，用于避免支撑板(2)提起时发生脱落；球头连接件(12)上端表面加工有外螺纹，与下端加工有内螺纹的轴向连接件(3)通过螺纹副实现连接固定，传递来自连接柄(7)的转动功能；滚珠花键轴(5)的下端加工有垂直于轴向的圆柱孔，轴向连接件(3)上端加工有直径相同的圆柱孔，使用轴端连接销钉(13)穿过滚珠花键轴(5)和轴向连接件(3)设置的圆孔，实现两者的连接固定，弹性挡圈(4)嵌套在轴向连接件(3)外表面的凹槽内，以防止轴端连接销钉(13)发生脱落；滚珠花键轴(5)的上端加工有垂直于轴向的圆柱孔，用于安装限位销钉(14)，以防止滚珠花键轴(5)从滚珠花键轴套(6)内脱落；滚珠花键轴(5)和滚珠花键轴套(6)配合使用，滚珠花键轴(5)可在滚珠花键轴套(6)内发生纵向滑动的同时可以传递回转运动；滚珠花键轴套(6)通过螺钉连接固定在连接柄(7)的下端；连接柄(7)的上端加工有锥孔，用于安装弹簧筒夹(15)，弹簧筒夹(15)的内孔用于连接外设主轴，使用时通过筒夹螺帽(8)锁紧，实现弹簧筒夹(15)与外设主轴的固定连接，实现传递回转运动，并依次经过连接柄(7)，滚珠花键轴(5)，球头连接件(12)，连接盘(9)将回转运动传递到支撑板(2)上；

所述的弹性浮动单元(16)由浮动盘(161)，浮动盘盖板(162)，滑动轴(163)，轴套(164)，限位筒(165)，连接圆盘(166)以及精密压缩弹簧(167)组成；弹性浮动单元(16)的活动部分由浮动盘(161)、浮动盘盖板(162)和一端为球状的滑动轴(163)组成，浮动盘(161)通过螺钉与浮动盘盖板(162)连接，并嵌套在滑动轴(163)球状末端上，可以发生大角度的转动；滑动轴(163)的另一端通过螺钉与连接圆盘(166)相连，连接圆盘(166)与内置在限位筒(165)内的精密压缩弹簧(167)下端接触；用于配合滑动轴(163)的轴套(164)嵌套在支撑板(2)上预置的沉孔内，通过螺钉将限位筒(165)固定在支撑板(2) 上，同时固定轴套(164)；在支撑板(2)阵列多个弹性浮动单元(16)构成加工用的抛光工具。

2.根据权利要求1所述的一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，其特征在于：连接柄(7)内置的弹簧筒夹(15)和筒夹螺帽(8)与传动主轴连接，传递回转运动；滚珠花键轴(5)和滚珠花键轴套(6)组成滑动副，在传递转动的同时，滚珠花键轴(5)及其连接的支撑板(2)可以大范围的上下浮动；滚珠花键轴(5)的上端设计有销孔用于安装限位销钉(14)避免滚珠花键轴(5)从滚珠花键轴套(6)中下滑脱落；滚珠花键轴(5)的下端设计有销孔用于安装轴端连接销钉(13)，同时连接轴向连接件(3)，设有弹性挡圈(4)避免销钉脱落；连接轴向连接件(3)下端加工有螺纹，用于连接球头连接件(12)，实现和支撑板(2)的连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，其特征在于：支撑板(2)中心部分安装有连接盘(9)，连接盘(9)设有圆柱沉孔和矩形槽，用于安装球头连接件(12)及通过其内部的连接销钉(11)，具备在大角度倾斜条件下传递转动的功能，设有盖板(10)通过螺钉固定在连接盘(9)上部，防止支撑板(2)从球头连接件(12)上脱落。

4.根据权利要求1所述的一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，其特征在于：弹性浮动单元(16)通过螺钉固定在支撑板(2)上预置的沉孔内，根据实际使用需求在支撑板(2)上设计特定的分布，再安装弹性浮动单元(16)。

5.根据权利要求1所述的一种用于大口径光学元件加工的可变形柔性抛光工具，其特征在于：抛光垫(2)粘接在弹性浮动单元(16)中的浮动盘(161)底面上，根据需要将抛光垫(1)进行分割处理，增加适应性。

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