CN112847015A - 多机器人协同加工光学元件的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多机器人协同加工光学元件的装置及方法，解决现有大口径光学元件加工过程需要复杂运动控制以免碰撞，交接位置产生接缝效应的问题。该装置包括机架、工件台、固定块和N个机器人，N为≥2的整数；工件台设在机架上，可相对机架旋转，工件台上表面设有N个第一凹槽，N个第一凹槽的一端位于工件台中心，另一端沿直线向外侧延伸，且N个第一凹槽以工件台中心为圆心周向均布；工件台上表面还设有分别与N个第一凹槽相交的N个第二凹槽；固定块设置在第一凹槽上，或固定块设置在第一凹槽和第二凹槽上，将光学元件固定在工件台上；N个机器人位于工件台的外周；N个机器人的工作端均安装有抛光头，抛光头用于对光学元件表面抛光。

Description

多机器人协同加工光学元件的装置及方法

技术领域

本发明属于光学加工领域，涉及一种加工光学元件的装置及方法，具体涉及一种多机器人协同加工光学元件的装置及方法。

背景技术

根据光学衍射理论，增加光学系统的有效口径是提高光学系统分辨率最直接有效的方法。此外光学元件的口径越大，汇聚光线的能力越强，可以观测到更加遥远的目标。因此在高分辨率地基望远镜以及空间对地遥感领域中，光学元件的口径越来越大。研究高精度大口径光学元件的制造技术，对于提升高分辨率地基望远镜以及空间对地遥感光学系统的成像质量具有重要意义。

相对于龙门式机床，工业机器人具有成本低、灵活性好、可靠性高的优点，成为光学加工的主力设备。在大口径光学元件加工中，可以实现机器人多工位加工。但目前的机器人多工位加工是分区域加工，需要复杂的运动控制以避免发生碰撞，且在区域交接的位置会产生接缝效应、严重影响加工精度。

发明内容

为了解决现有大口径光学元件加工过程，由于机器人采用分区域加工，需要复杂运动控制以免碰撞，以及区域交接位置产生接缝效应，严重影响加工精度的技术问题，本发明提供了一种多机器人协同加工光学元件的装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种多机器人协同加工光学元件的装置，其特殊之处在于：包括机架、工件台、固定块和N个机器人，N为大于等于2的整数；

所述工件台设置在机架上，可相对机架旋转，工件台上表面设有N个第一凹槽，N个第一凹槽的一端位于工件台中心，另一端沿直线向外侧延伸，且N个第一凹槽以工件台中心为圆心周向均布；

所述工件台上表面还设有分别与N个第一凹槽相交的N个第二凹槽；

所述固定块设置在第一凹槽上，或固定块设置在第一凹槽和第二凹槽上，将光学元件固定在工件台上；

所述N个机器人位于工件台的外周；

所述N个机器人的工作端均安装有抛光头，抛光头用于对光学元件表面抛光。

进一步地，所述工件台为圆形；

所述N个机器人沿工件台外圆面周向均布，且N个机器人与N个第一凹槽的位置一一对应。

进一步地，所述第二凹槽的中心线与第一凹槽的中心线垂直相交。

进一步地，所述第一凹槽和第二凹槽的截面均为倒T型结构。

进一步地，所述抛光头为轮式抛光头或小磨头或气囊抛光头或磁流变抛光头。

基于上述多机器人协同加工光学元件的装置，本发明提供了一种多机器人协同加工光学元件的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将光学元件放置在工件台上，通过第一凹槽上的固定块将光学元件加紧在工件台中部；

2)驱动工件台做旋转运动，同时N个机器人驱动N个抛光头从光学元件表面中部向光学元件表面边缘，或者从光学元件表面边缘向光学元件表面中部沿径向做径向运动，完成光学元件表面抛光。

进一步地，步骤2)中，抛光头径向运动过程中，通过改变抛光头的抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量。

同时，本发明还提供了一种多机器人协同加工光学元件的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将M个光学元件放置在工件台上，且分别位于第一凹槽和第二凹槽的相交位置处，通过第一凹槽和第二凹槽上的固定块将M个光学元件夹紧在工件台上；

其中，M＝1,2,……N；

2)任意M个机器人驱动其上的抛光头分别在M个光学元件表面按照栅格路径或螺旋路径行走，完成M个光学元件表面抛光。

进一步地，步骤2)中，在抛光头行走过程中，通过改变抛光头的驻留时间或抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明装置在大口径光学元件抛光加工时，工件台做旋转运动，机器人做半径方向移动，这样的复合运动在光学元件表面产生螺旋形加工路径，这样每个抛光头的加工轨迹都遍历整个光学元件，没有交接处，不会产生接缝效应，加工精度高；且机器人只做半径方向移动，不会发生碰撞，以及多个机器人的运动程序是一致的，编程也简单。

2、本发明装置可在大口径光学元件加工的空档期，工件台不旋转，单个机器人单独加工中等口径光学元件，实现对多个中等口径光学元件的抛光。本发明装置可实现大口径光学元件的高效高精度加工；也适用于多个中等口径光学元件的加工，提高设备利用率，减少设备闲置折损。

3、本发明装置通过固定块和第一凹槽、第二凹槽的配合，实现光学元件夹紧在工件台上，固定块可在第一凹槽、第二凹槽内滑动，适用于多种尺寸口径光学元件的夹紧固定。

4、本发明装置采用机器人加工，通过多机器人协同加工，可极大的提高大口径光学元件的加工效率，缩短加工周期，同时协同加工还可有效抑制面形上的中频误差。

附图说明

图1是本发明装置实施例的3个机器人协同加工1个大口径光学元件轴测图；

图2是本发明装置实施例的3个机器人分别加工3个中等口径光学元件的轴测图；

图3是本发明装置实施例中工件台的俯视图；

图4是本发明装置实施例中轮式抛光头轴测图；

图5是本发明装置实施例中轮式抛光头的抛光速度与路径速度示意图；

图6是加工路径示意图，其中，(a)为传统加工路径，(b)为本发明加工路径；

其中，附图标记如下：

1-工件台，11-第一凹槽，12-第二凹槽；

2-机器人；

3-大口径光学元件；

4-抛光头，41-力控单元，42-抛光头电机，43-抛光轮；

5-中等口径光学元件；

6-机架；

7-固定块。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种多机器人协同加工光学元件的装置，包括工件台1，光学元件通过固定块7安装于工件台1上，工件台1外侧圆周设有若干机器人2，机器人2输出端(末端)安装有抛光头4，抛光头4对光学元件表面进行机械抛光处理。本实施例机器人2的数量为3个，在其它实施例中，机器人2的数量可根据实际需要进行合理设计为大于2即可。

工件台1设置在机架6上，可相对机架6旋转，优选为圆形，工件台1上表面开设有定位槽，定位槽的基本拓扑结构为：沿半径方向的第一凹槽11以及与半径方向第一凹槽11垂直的第二凹槽12。定位槽的数量与机器人2的数量相等，本实施例装置为三工位机器人2加工，基本定位槽结构绕台面中心圆周镜像3次，如图3所示，即工件台1上表面沿径向设有3个均布的第一凹槽11以及分别与3个第一凹槽11垂直的3个第二凹槽12，本实施例中第一凹槽11和第二凹槽12均为倒T型结构。在其它实施例中，若装置为四工位机器人2加工时，基本定位槽拓扑结构绕台面中心圆周镜像4次；以此类推。

上述工件台1结构的优点是：当加工大口径光学元件3时，将大口径光学元件3设置在工件台1中部，在工件台1半径方向的第一凹槽11内安装固定块7，用半径方向T型槽内的固定块7夹紧光学元件，如图1所示，3机器人2协同加工一个大口径光学元件3；当加工中等口径光学元件5时，将3个光学元件分别设置在3个第一凹槽11和第二凹槽12的相交位置处，并且每个第一凹槽11和第二凹槽12上均设置2个固定块7，且位于光学元件的外侧用于夹紧光学元件，即每个光学元件通过半径方向T型槽和与其垂直的T型槽内的固定块7实现夹紧光学元件，如图2所示，3机器人2加工3个中等口径光学元件5；这样即可以多机器人2协同加工一个大口径光学元件3，又可以分别加工多个中等口径光学元件5，能够提高设备利用率，减少设备闲置折损。另外，本实施例光学元件通过固定块7安装于工件台1上，固定块7可在工件台1的T型槽内滑动，可适用于多种尺寸口径光学元件的夹紧固定。

所有机器人2位于工件台1的外周，机器人2可以为3轴、4轴、5轴或6轴工业机器人，所有机器人2沿工件台1外圆面周向均布或以其他角度置于工件台1圆周上。本实施例中，3个机器人2沿工件台1外圆面周向均布，且3个机器人2与3个第一凹槽11的位置一一对应。

每个机器人2的工作端(末端)均安装有抛光头4，抛光头4用于对光学元件表面抛光，抛光头4可以为轮式抛光头、小磨头、气囊抛光头、磁流变抛光头等。本实施例中抛光头4采用专利号为2020102387137的轮式抛光头，其结构如图4所示，主要由力控单元41、抛光头电机42和抛光轮43构成，力控单元41控制抛光压力，抛光头电机42控制抛光轮43转速，抛光轮43实现对光学元件的材料去除，轮式抛光头通过法兰盘安装于工业机器人2输出端(末端)。

本实施例工件台1、工业机器人2与抛光头4进行联动。

根据Preston方程(式1)，材料去除量Z等于去除常数K、抛光压力P、抛光速度V与驻留时间T的乘积；

Z＝KPVT(1)

在光学抛光过程中，传统方法是保持抛光压力P与抛光速度V恒定，通过控制驻留时间T来控制材料去除量Z。因为驻留时间与材料去除量之间具有良好的线性。驻留时间对应于加工路径速度，抛光速度对应于抛光头4中电机转速，如图5所示。但这种方法用在多机器人2协同加工中时，光学元件必须保持不动，机器人2分区域加工，机器人2对光学元件的加工路径，见图6中(a)，这时在区域交接的地方会产生接缝效应、严重影响加工精度，而且为了不让机器人2在区域交接处发生碰撞，编程也很复杂。

基于上述多机器人协同加工光学元件的装置，本实施例提出一种多机器人2协同加工大口径光学元件3的方法。该方法在光学加工中，保持抛光压力P、驻留时间T恒定，通过控制抛光速度V来控制材料去除量Z，或保持抛光速度V、驻留时间T恒定，通过控制抛光压力P去控制材料去除量Z。

在光学元件抛光加工时，工件台1做旋转运动，机器人2做半径方向移动，这样的复合运动在光学元件表面产生螺旋形加工路径，见图6中(b)。本实施例加工方法要求驻留时间T保持恒定，即抛光头4在螺旋形加工路径上的运动速度保持恒定。通过工件台1与机器人2联动，且每个抛光头4都处于同一环带，可以实现每条加工路径速度恒定。这样每个抛光头4的加工轨迹都遍历整个光学元件，没有交接处，不会产生接缝效应，加工精度高。且机器人2只做半径方向移动，不会发生碰撞，以及多个机器人2的运动程序是一致的，编程也简单。

抛光速度V对应于抛光头4中电机转速，抛光压力P对应于抛光头4中力控单元41输出力。抛光头4中电机转速(或抛光头4中力控单元41输出力)是根据抛光头4在光学元件上所处的位置决定。当所处位置需要去除的材料多时，抛光头4中电机转速快(或抛光头4中力控单元41输出力大)，加大材料去除率。当所处位置需要去除的材料少时，抛光头4中电机转速慢(或抛光头4中力控单元41输出力小)，减小材料去除率。这样根据每个抛光头4所处位置需要去除材料的多少，控制抛光头4中电机转速的快慢(或控制抛光头4中力控单元41输出力大小)。抛光头4中电机(或抛光头4中力控单元41)需要与工件台1，机器人2联动，精确控制每个位置的加工量，实现确定性定量光学加工。

为了提高设备利用率，减少设备闲置折损，在大口径光学元件3加工的空档期，本实施例装置还可用于单个机器人2单独加工中等口径光学元件5。单独加工时，工件台1不转动，机器人2走栅格路径或螺旋路径。这时，可以通过控制驻留时间T来控制材料去除量Z，也可以通过控制抛光速度V(或抛光压力P)来控制材料去除量Z。当通过控制驻留时间T来控制材料去除量Z时，机器人2与抛光头4中电机(或抛光头4中力控单元41)可以不联动。

本实施例装置在加工大口径光学元件3时，包括以下步骤：

1)将大口径光学元件3放置在工件台1上，并在第一凹槽11内安装固定块7，所有固定块7将大口径光学元件3加紧在工件台1的中部；

2)驱动工件台1做旋转运动，同时3个机器人2驱动3个抛光头4从光学元件表面中部向光学元件表面边缘，或者从光学元件表面边缘向光学元件表面中部沿径向做径向运动，完成光学元件表面抛光；

在抛光头4径向运动过程中，通过改变抛光头4的抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量。

本实施例装置在加工中等口径光学元件5时，包括以下步骤：

1)将3个中等口径光学元件5放置在工件台1上，且分别位于3个第一凹槽11和第二凹槽12的相交位置处，并在第一凹槽11和第二凹槽12内安装固定块7，每个相交第一凹槽11和第二凹槽12上的固定块7将一个中等口径光学元件5夹紧在工件台1上；

2)工件台1不转动，每个机器人2走栅格路径或螺旋路径，每个机器人2单独加工完成一个光学元件，在抛光头4行走过程中，可通过改变抛光头4的驻留时间或抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量；该方式是每个机器人2可独立加工一个光学元件，则本实施例装置也可加工1或2个中等口径光学元件5，相应的1或2个机器人2对光学元件进行单独表面抛光。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种多机器人协同加工光学元件的装置，其特征在于：包括机架(6)、工件台(1)、固定块(7)和N个机器人(2)，N为大于等于2的整数；

所述工件台(1)设置在机架(6)上，可相对机架(6)旋转，工件台(1)上表面设有N个第一凹槽(11)，N个第一凹槽(11)的一端位于工件台(1)中心，另一端沿直线向外侧延伸，且N个第一凹槽(11)以工件台(1)中心为圆心周向均布；

所述工件台(1)上表面还设有分别与N个第一凹槽(11)相交的N个第二凹槽(12)；

所述固定块(7)设置在第一凹槽(11)上，或固定块(7)设置在第一凹槽(11)和第二凹槽(12)上，将光学元件固定在工件台(1)上；

所述N个机器人(2)位于工件台(1)的外周；

所述N个机器人(2)的工作端均安装有抛光头(4)，抛光头(4)用于对光学元件表面抛光。

2.根据权利要求1所述多机器人协同加工光学元件的装置，其特征在于：所述工件台(1)为圆形；

所述N个机器人(2)沿工件台(1)外圆面周向均布，且N个机器人(2)与N个第一凹槽(11)的位置一一对应。

3.根据权利要求2所述多机器人协同加工光学元件的装置，其特征在于：所述第二凹槽(12)的中心线与第一凹槽(11)的中心线垂直相交。

4.根据权利要求1至3任一所述多机器人协同加工光学元件的装置，其特征在于：所述第一凹槽(11)和第二凹槽(12)的截面均为倒T型结构。

5.根据权利要求1所述多机器人协同加工光学元件的装置，其特征在于：所述抛光头(4)为轮式抛光头或小磨头或气囊抛光头或磁流变抛光头。

6.一种多机器人协同加工光学元件的方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一所述多机器人协同加工光学元件的装置，所述方法包括以下步骤：

1)将光学元件放置在工件台(1)上，通过第一凹槽(11)上的固定块(7)将光学元件加紧在工件台(1)中部；

2)驱动工件台(1)做旋转运动，同时N个机器人(2)驱动N个抛光头(4)从光学元件表面中部向光学元件表面边缘，或者从光学元件表面边缘向光学元件表面中部做径向运动，完成光学元件表面抛光。

7.根据权利要求6所述多机器人协同加工光学元件的方法，其特征在于：步骤2)中，抛光头(4)径向运动过程中，通过改变抛光头(4)的抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量。

8.一种多机器人协同加工光学元件的方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一所述多机器人协同加工光学元件的装置，所述方法包括以下步骤：

1)将M个光学元件放置在工件台(1)上，且分别位于第一凹槽(11)和第二凹槽(12)的相交位置处，通过第一凹槽(11)和第二凹槽(12)上的固定块(7)将M个光学元件夹紧在工件台(1)上；

其中，M＝1,2,……N；

2)任意M个机器人(2)驱动其上的抛光头(4)分别在M个光学元件表面按照栅格路径或螺旋路径行走，完成M个光学元件表面抛光。

9.根据权利要求8所述多机器人协同加工光学元件的方法，其特征在于：步骤2)中，在抛光头(4)行走过程中，通过改变抛光头(4)的驻留时间或抛光速度或抛光压力，改变光学元件表面的材料去除量。

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