CN112847017A - 多轴自由曲面光学元件的抛光设备及工作方法 - Google Patents

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Abstract

公开了多轴自由曲面光学元件的抛光设备及工作方法，床身水平放置，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上，因此利于定位和装夹，提高了加工效率，降低了装夹难度和装夹造成的变形，可以加工大口径自由曲面光学元件；高精度转台相对于床身能沿X轴移动并围绕C轴旋转，多轴自由曲面抛光装置在横梁上能沿Y轴和Z轴两个方向移动，并能围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，基于确定性修形方法，因此可以对经过超精密车削和磨削的光学元件进行进一步的修形，能够实现优于传统机械加工的精度。

Description

多轴自由曲面光学元件的抛光设备及工作方法
技术领域
本发明涉及光学元件超精密加工的技术领域，尤其涉及一种多轴自由曲面光学元件的抛光设备，以及该抛光设备的工作方法。
背景技术
近半个世纪以来，人类在半导体制造、空间观测等技术领域取得了飞速进展。与此同时，这些领域对各类光学元件的制造精度和尺寸提出了更多要求，光学元件口径不断变大，面形也由最初的球面、抛物面等面形发展为各种自由曲面。在光学系统中，应用多轴自由曲面光学元件可以使复杂的光学系统变得简单，它们可以有效地消除像差，提高系统的成像质量。而且能够使系统的尺寸及重量减少，稳定性提高，成本降低，这在航天器领域尤其明显。因此使得多轴自由曲面光学元件应用更加广泛，人们在光学设计中越来越多地考虑用多轴自由曲面光学元件替换原来复杂的球面元件组成的光学系统。但是，多轴自由曲面光学元件的加工制造难度很大。
为此，科研人员想出了许多解决方法，其中计算机控制光学成形(ComputerControlled Optical Surfacing，CCOS)是非常重要的一种。自上世纪70年代提出以来，其加工设备和加工工艺发展迅速，实现了在经过超精密车削和超精密磨削后的光学元件上面形精度的进一步提升，凭借其高效率、高确定性和高精度等优点已有取代传统手工光学研抛的趋势，如今被广泛用于平面和自由曲面光学元件的高精度修形。计算机控制光学成形CCOS的原理是：在其他因素(接触压力、接触区域内抛光头的相对速度、温度、抛光介质等)保持不变时，抛光头在加工区域驻留时间与材料去除量与呈线性关系，表面误差高点位置的驻留时间较长，抛光头在该处去除更多材料，反之在误差低点，抛光头在工件表面停留时间更短，以去除更少材料。在测量得到准确的初始面形误差并获得具有时间线性性和长时间稳定性的去除函数后，进行控制加工。
在有了光学成形加工模型后，若想实现光学元件自由曲面的超精密修形，需要机床具备较好的运动精度、刚度以及尺寸稳定性。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其利于定位和装夹，提高了加工效率，降低了装夹难度和装夹造成的变形，可以加工大口径自由曲面光学元件，能够实现优于传统机械加工的精度。
本发明的技术方案是：这种多轴自由曲面光学元件的抛光设备，包括：床身(2)、工件装夹平台(3)、立柱(4)、横梁(5)、直线运动机构(6)、多轴自由曲面抛光装置(7)，
床身(2)水平放置，工件装夹平台(3)安装于床身上且包括：夹具(31)、高精度转台(32)、X轴直线运动溜板(33)和X轴直线运动导轨(34)，夹具(31)固定于高精度转台(32)上，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台(32)上，高精度转台固定于X轴直线运动溜板(33)上，围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转，X轴直线运动溜板安装在X轴直线运动导轨上且沿X轴方向进行直线运动；
立柱(4)对称地置于床身的左右两侧，横梁(5)架设在两根立柱上，横梁上安装直线运动机构(6)，直线运动机构由两组运动方向相互垂直的直线运动模块组成，分别为Y轴直线运动模块(61)和Z轴直线运动模块(62)；
Y轴直线运动模块直接安装在横梁上且包括：Y轴直线导轨(611)、Y轴直线运动溜板(612)，Y轴直线运动溜板(612)安装在Y轴直线导轨(611)上并沿Y轴方向进行直线运动，Y轴直线运动溜板的一端与Y轴直线导轨的平面相配合，另一端与Z轴直线运动模块(62)配合；
Z轴直线运动模块(62)包括：Z轴直线运动导轨(621)、Z轴直线运动溜板(622)，Z轴直线运动溜板安装在Z轴直线运动导轨上并沿Z轴方向进行直线运动，Z轴直线运动溜板上装有多轴自由曲面抛光装置(7)，多轴自由曲面抛光装置分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，从而使多轴自由曲面抛光装置的光学抛光头(71)在与待加工工件接触时始终正交接触于工件表面；
在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得抛光头按照预设抛光路径进给。
本发明的床身水平放置，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上，因此利于定位和装夹，提高了加工效率，降低了装夹难度和装夹造成的变形，可以加工大口径自由曲面光学元件；高精度转台相对于床身能沿X轴移动并围绕C轴旋转，多轴自由曲面抛光装置在横梁上能沿Y轴和Z轴两个方向移动，并能围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，基于确定性修形方法，因此可以对经过超精密车削和磨削的光学元件进行进一步的修形，能够实现优于传统机械加工的精度。
还提供了一种多轴自由曲面光学元件的抛光设备的工作方法，其包括以下步骤：
(1)测量得到初始面形误差并获得具有时间线性和长时间稳定性的去除函数后，通过驻留时间算法解算出抛光头在光学元件表面各个位置的驻留时间；
(2)将待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上；
(3)在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得磁流变抛光头按照预设抛光路径进给并在工件每一处位置的驻留时间被精确控制，其中高精度转台上的待加工工件围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转且沿X轴方向进行直线运动，磁流变抛光头在沿Y轴、Z轴直线运动的同时，分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转。
附图说明
图1是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备的整体结构示意图。
图2是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备的床身结构示意图。
图3是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备的立柱与横梁结构示意图。
图4是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备上Y轴直线运动导轨平面示意图。
图5是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备上直线运动机构示意图。
图6是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备上多轴自由曲面抛光装置绕B轴偏摆的示意图。
图7是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备上多轴自由曲面抛光装置绕A轴偏摆的示意图。
图8是根据本发明的多轴自由曲面光学元件的抛光设备的抛光头加工路径示意图。
图中各标号表示：
1、底座；2、床身；3、工件装夹平台；31、夹具；32、高精度转台；33、X轴直线运动溜板；34、X轴直线运动导轨；4、立柱；5、横梁；6、直线运动机构；61、Y轴直线运动模块；611、Y轴直线导轨；612、Y轴直线运动溜板；62、Z轴直线运动模块；621、Z轴直线导轨；622、Z轴直线运动溜板；63、平衡缸；7、多轴自由曲面抛光装置；71、光学抛光头。
具体实施方式
如图1-7所示，这种多轴自由曲面光学元件的抛光设备，包括：床身2、工件装夹平台3、立柱4、横梁5、直线运动机构6、多轴自由曲面抛光装置7，
床身2水平放置，工件装夹平台3安装于床身上且包括：夹具31、高精度转台32、X轴直线运动溜板33和X轴直线运动导轨34，夹具31固定于高精度转台32上，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台32上，高精度转台固定于X轴直线运动溜板33上，围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转，X轴直线运动溜板安装在X轴直线运动导轨上且沿X轴方向进行直线运动；
立柱4对称地置于床身的左右两侧，横梁5架设在两根立柱上，横梁上安装直线运动机构6，直线运动机构由两组运动方向相互垂直的直线运动模块组成，分别为Y轴直线运动模块61和Z轴直线运动模块62；
Y轴直线运动模块直接安装在横梁上且包括：Y轴直线导轨611、Y轴直线运动溜板612，Y轴直线运动溜板612安装在Y轴直线导轨611上并沿Y轴方向进行直线运动，Y轴直线运动溜板的一端与Y轴直线导轨的平面相配合，另一端与Z轴直线运动模块62配合；
Z轴直线运动模块62包括：Z轴直线运动导轨621、Z轴直线运动溜板622，Z轴直线运动溜板安装在Z轴直线运动导轨上并沿Z轴方向进行直线运动，Z轴直线运动溜板上装有多轴自由曲面抛光装置7，多轴自由曲面抛光装置分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，从而使多轴自由曲面抛光装置的光学抛光头71在与待加工工件接触时始终正交接触于工件表面；在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得抛光头按照预设抛光路径进给。
本发明的床身水平放置，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上，因此利于定位和装夹，提高了加工效率，降低了装夹难度和装夹造成的变形，可以加工大口径自由曲面光学元件；高精度转台相对于床身能沿X轴移动并围绕C轴旋转，多轴自由曲面抛光装置在横梁上能沿Y轴和Z轴两个方向移动，并能围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，基于确定性修形方法，因此可以对经过超精密车削和磨削的光学元件进行进一步的修形，能够实现优于传统机械加工的精度。
如图8所示，根据联动控制方式的不同，可以实现光栅扫描轨迹和螺旋进给轨迹等多种抛光路径的加工。通过多轴自由曲面抛光装置7的在A、B轴方向上的偏摆，实现抛光头在工件的每一处均正交接触于工件表面。通过准确地控制抛光路径、驻留时间和接触角度，实现自由曲面光学元件确定性的抛光。
优选地，如图4、5所示，所述Y轴直线导轨611的平面与竖直平面之间有夹角，Y轴直线运动溜板612的一端为斜面(该斜面的角度范围是5°-30°，其中30°为效果最佳)，与Y轴直线导轨611的平面相配合，另一端为竖直面，与Z轴直线运动模块62配合。该设计能提高Y轴直线运动模块61的承载能力，提升直线运动机构6和多轴自由曲面抛光装置7的刚度，保证加工精度。
优选地，如图1-3所示，所述床身2由一整块花岗岩加工而成，其尺寸和形位精度较高，一体化的对称结构设计具备较高的刚度，同时降低了热变形带来的影响。另外，床身、立柱和横梁均采用花岗岩材质，其吸振性较好，能尽可能减小外界振动对机床加工精度的影响；尺寸稳定性优良，在长时间加工时的热变形小。
优选地，所述待加工工件通过真空吸附或者卡盘夹紧的方式固定。当然也可以采用其他方式将待加工工件固定到高精度转台。
优选地，所述X轴直线运动溜板在沿X轴方向进行直线运动时，依靠光栅尺进行高精度的位置反馈。
优选地，如图5所示，所述Z轴直线运动溜板622与Y轴直线运动溜板612之间通过平衡缸63相连接，平衡缸将Z轴直线运动模块和多轴自由曲面抛光装置的部分重量分摊至Y轴直线运动模块上。这样能够降低驱动Z轴直线运动模块62上滚珠丝杠的接触应力，减小Z轴直线运动模块62中运动部件的磨损与冲击，提升Z轴直线运动模块62的动态特性及使用寿命。
优选地，如图1-3所示，该抛光设备还包括底座1，其放置在地面上，床身2固定在底座上。采用这样的结构能够减振，而且如果底座上装有滚轮，可以方便地移动该多轴自由曲面光学元件的抛光设备。
优选地，所述光学抛光头71是具有公自转类型的光学抛光头，或磁流变光学抛光头(也可以是其他指定类型的光学抛光头)，可拆卸地安装在多轴自由曲面抛光装置上。这样就能够更换为其他加工形式的抛光头，对不同尺寸、不同材料工件的加工适应性好。
优选地，如图6、7所示，所述多轴自由曲面抛光装置上设有气缸弹出装置，其沿Z方向弹出光学抛光头并使其以恒定压力与工件接触。
还提供了一种多轴自由曲面光学元件的抛光设备的工作方法，其包括以下步骤：
(1)测量得到初始面形误差并获得具有时间线性和长时间稳定性的去除函数后，通过驻留时间算法解算出抛光头在光学元件表面各个位置的驻留时间；
(2)将待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上；
(3)在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得磁流变抛光头按照预设抛光路径进给并在工件每一处位置的驻留时间被精确控制，其中高精度转台上的待加工工件围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转且沿X轴方向进行直线运动，磁流变抛光头在沿Y轴、Z轴直线运动的同时，分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转。
本发明在测量得到准确的初始面形误差并获得具有时间线性和长时间稳定性的去除函数后，通过驻留时间算法解算出抛光头在光学元件表面各个位置的驻留时间，通过工件装夹平台3、高精度转台32这两个运动部件在数控系统控制下的联动，可以使得光学抛光头在工件每一处位置的驻留时间被精确控制，从而实现工件每一处位置误差的定量修正。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的床身、立柱和横梁均采用花岗岩材质，其吸振性较好，能尽可能减小外界振动对机床加工精度的影响；尺寸稳定性优良，在长时间加工时的热变形小。
2.本发明采用龙门结构，机床整体刚度较高、结构设计对称，利于高精度的加工。相较于传统龙门结构的机床，该横梁上的导轨平面与竖直面有一定角度，进一步提升该导轨在竖直方向上的刚度
3.本发明在加工时工件为水平放置，利于定位和装夹，提高了加工效率，降低了装夹难度和装夹造成的变形。结合龙门式的结构设计，本发明可以放置大口径的工件。
4.本发明基于确定性修形方法，可以对经过超精密车削和磨削的光学元件进行进一步的修形，能够实现优于传统机械加工的精度。
5.本发明的自由曲面抛光装置为模块化设计，可以更换为其他加工形式的光学抛光头，对不同尺寸、不同材料工件的加工适应性好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.多轴自由曲面光学元件的抛光设备，包括：床身(2)、工件装夹平台(3)、立柱(4)、横梁(5)、直线运动机构(6)、多轴自由曲面抛光装置(7)，其特征在于：
床身(2)水平放置，工件装夹平台(3)安装于床身上且包括：夹具(31)、高精度转台(32)、X轴直线运动溜板(33)和X轴直线运动导轨(34)，夹具(31)固定于高精度转台(32)上，待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台(32)上，高精度转台固定于X轴直线运动溜板(33)上，围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转，X轴直线运动溜板安装在X轴直线运动导轨上且沿X轴方向进行直线运动；
立柱(4)对称地置于床身的左右两侧，横梁(5)架设在两根立柱上，横梁上安装直线运动机构(6)，直线运动机构由两组运动方向相互垂直的直线运动模块组成，分别为Y轴直线运动模块(61)和Z轴直线运动模块(62)；
Y轴直线运动模块直接安装在横梁上且包括：Y轴直线导轨(611)、Y轴直线运动溜板(612)，Y轴直线运动溜板(612)安装在Y轴直线导轨(611)上并沿Y轴方向进行直线运动，Y轴直线运动溜板的一端与Y轴直线导轨的平面相配合，另一端与Z轴直线运动模块(62)配合；
Z轴直线运动模块(62)包括：Z轴直线运动导轨(621)、Z轴直线运动溜板(622)，Z轴直线运动溜板安装在Z轴直线运动导轨上并沿Z轴方向进行直线运动，Z轴直线运动溜板上装有多轴自由曲面抛光装置(7)，多轴自由曲面抛光装置分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转，从而使多轴自由曲面抛光装置的光学抛光头(71)在与待加工工件接触时始终正交接触于工件表面；在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得抛光头按照预设抛光路径进给。
2.根据权利要求1所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述Y轴直线导轨(611)的平面与竖直平面之间有夹角，Y轴直线运动溜板(612)的一端为斜面，与Y轴直线导轨(611)的平面相配合，另一端为竖直面，与Z轴直线运动模块(62)配合。
3.根据权利要求2所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述床身(2)由一整块花岗岩加工而成，立柱和横梁均采用花岗岩材质。
4.根据权利要求3所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述待加工工件通过真空吸附或者卡盘夹紧的方式固定。
5.根据权利要求4所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述X轴直线运动溜板在沿X轴方向进行直线运动时，依靠光栅尺进行高精度的位置反馈。
6.根据权利要求5所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述Z轴直线运动溜板(622)与Y轴直线运动溜板(612)之间通过平衡缸(63)相连接，平衡缸将Z轴直线运动模块和多轴自由曲面抛光装置的部分重量分摊至Y轴直线运动模块上。
7.根据权利要求6所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：该抛光设备还包括底座(1)，其放置在地面上，床身(2)固定在底座上。
8.根据权利要求7所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述光学抛光头(71)是具有公自转类型的光学抛光头，或磁流变光学抛光头，可拆卸地安装在多轴自由曲面抛光装置上。
9.根据权利要求8所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备，其特征在于：所述多轴自由曲面抛光装置上设有气缸弹出装置，其沿工件接触面的法向方向弹出光学抛光头，并使其以恒定压力与工件表面接触。
10.根据权利要求1所述的多轴自由曲面光学元件的抛光设备的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)测量得到初始面形误差并获得具有时间线性和长时间稳定性的去除函数后，通过驻留时间算法解算出抛光头在光学元件表面各个位置的驻留时间；
(2)将待加工工件通过夹具水平放置在高精度转台上；
(3)在数控系统的控制下，通过高精度转台、X轴直线运动溜板、Y轴直线运动溜板和Z轴直线运动溜板的联动，使得磁流变抛光头按照预设抛光路径进给并在工件每一处位置的驻留时间被精确控制，其中高精度转台上的待加工工件围绕垂直于床身的C轴进行高精度伺服旋转且沿X轴方向进行直线运动，磁流变抛光头在沿Y轴、Z轴直线运动的同时，分别围绕平行于X轴的A轴和平行于Y轴的B轴进行伺服旋转。
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