CN202701944U - 一种任意曲率半径光学零件的加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学精密制造技术领域，具体涉及一种任意曲率半径光学零件的加工设备。本实用新型的目的是提供一种可高质量且迅速地加工任意曲率半径的球面光学零件的加工设备。为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案是：一种任意曲率半径光学零件的加工设备，包括机座、摆轴装置、摆臂装置、主轴装置和磨头装置，摆轴装置铰接安装在机座上，摆轴装置的另一端与摆臂装置铰接，主轴装置固定在摆臂装置上，磨头装置固定在机座上。本实用新型可高质量且迅速地加工任意曲率半径的球面光学零件。

Description

一种任意曲率半径光学零件的加工设备

技术领域：

    本实用新型涉及光学精密制造技术领域，具体涉及一种任意曲率半径光学零件的加工设备。

背景技术：

    目前，常规的不同曲率半径工件抛光制造技术，是利用和工件面型吻合的磨具或抛光盘进行抛光制造光学零件。这类方法中的抛光用具有一个相同的特征，有相对较硬和固定不变的面型，因此，在实际的加工中，对不同面形的光学零件，需要制作不同面形的专门的抛光磨具，同时，在加工的过程中需要不断检测和校正精磨抛光磨具的面形，才能保证加工的继续。这是一个需要不断重复的过程，稍有不慎就会制造出废品。在整个加工过程中，需要根据零件面形的变化，不断修正抛光模具，以满足被加工对象精度的需求。因而在上述传统方法中人为经验因素也是一个非常重要的条件，很难实现自动化，不能通过设备的精度控制工件的加工精度。

    在公开的资料中，也有一些其它技术可以实现任意曲率半径工件表面的加工，中国专利ZL96198445.7是美国罗切斯特大学实用新型的一种用磁流变流体精加工工件表面的方法，该方法是将磁流变液置于一个转动的轮子表面，带动磁流变液到一个磁场中，工件和磁场有一定的间隙，磁流变液在通过这个间隙时被磁化，并形成瞬时精加工工具，用于与工件表面的部分接触并去除工件表面这部分的材料。它类似于一个接触面很小的点接触式研磨抛光，来实现需要的面形和光滑表面，需要结合超精密的机械系统和数控技术来实现。中国专利CN 1872494A介绍了一种磁流变柔性精磨抛光设备和方法，其要求工件主轴装置是移动、自转和摆动的三维运动主轴装置，主要是由摆动机构、上下滑动机构和变速旋转机构组成，机座向上通过连接轴连接有摆架，连接轴中心现即抛光加工控制的虚拟轴，通过控制连接轴跟工件的位置关系实现不同曲率半径光学零件的加工，这种方式对加工零件的曲率半径范围有一定的限制，该方法实现不同曲率半径加工过程中，零件所绕摆点位置是固定不动的，要实现不同零件的加工时，只能通过改变摆杆的长度来实现。

    上述的加工方法都是可以实现球面光学零件的加工，但是在技术上还存在一定限制，传统的方法需要采用特殊的工装磨具，在进行单件光学零件生产时，其加工成本较高，中国专利ZL96198445.7采用的是点接触式的方法，其用于球面或者平面光学零件加工时，加工效率低，中国专利CN 1872494A介绍的方法能实现球面光学零件的加工，且具有较高的加工效率，但是其只能加工部分曲率半径范围的球面光学零件。

实用新型内容

    本实用新型的目的是提供一种任意曲率半径光学零件的加工设备，即可高质量且迅速地加工任意曲率半径的球面光学零件的加工设备。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种任意曲率半径光学零件的加工设备，包括机座、摆轴装置、摆臂装置、主轴装置和磨头装置，其特殊之处在于：摆轴装置铰接安装在机座上，连接点为坐标原点，摆轴装置设置于XOZ平面上且与Z轴的夹角可调，摆轴装置的另一端与摆臂装置铰接，摆臂装置设置于XOY平面上且在XOY平面上可以绕着摆轴装置做往复的摆动，主轴装置固定在摆臂装置上，且主轴装置在XOZ平面内与Z轴的夹角可调，主轴装置可沿摆臂装置在X轴方向上进行左右平行移动，所述磨头装置固定在机座上，磨头装置设置于XOZ平面内且与Z轴平行设置，磨头装置可沿Z轴方向进行上下平行移动，磨头装置也可沿着X轴方向进行左右平行移动。

上述摆轴装置包括摆轴旋转轴、支架、角度调节装置和支撑座，支架通过支撑座与机座固连，支撑座的中心线与坐标轴X轴重合，角度调节装置固定于机座上，摆轴旋转轴通过轴承固定在支架上；

上述摆臂装置包括摆动竖架、摆动横梁、摆臂调平装置和摆动驱动装置,摆动横梁与摆动竖架活动连接，摆臂调平装置一端与摆动竖架活动连接，另一端与摆动横梁活动连接，摆动驱动装置固定于支架上；

上述主轴装置包括变速电机、减速器、皮带传速装置、滑动平台、主轴支撑架和旋转主轴,滑动平台滑动设置于摆动横梁上，变速电机固定安装在滑动平台上，减速器固定设置于主轴支撑架上，主轴支撑架两端与滑动平台活动连接，变速电机通过皮带传速装置与减速器输入轴连接，减速器的输出轴与旋转主轴同心连接，旋转主轴通过轴承固定于主轴支撑架上；

上述磨头装置包括磨头组件、水平移动台和升降台，磨头组件由环带结构的磨头和驱动其旋转的磨头电机组成，磨头组件安装在水平移动平台上，水平移动平台安装在升降台上。 

本实用新型相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、本实用新型提供了一种被加工表面与柔性精磨抛光磨具自适应吻合，进行柔性和可塑性面研磨，还可以加工制造任意曲率半径面形的光学零件，具有通用性，加工效率高，易于操作和控制；同时无需更换磨具就可对不同曲率或不同型面的工件进行抛光加工的磁流变柔性精磨抛光设备。解决了生产实际中急需的粗糙度小于几个纳米的光学面的超光滑加工的问题。

2、本实用新型的设备具有结构简单，设备制造成本相比较低，具有较高的加工制造的效率，不用更换工装夹具，就可以实现不同曲率半径光学零件的制造，具有非常广的通用性，在更换不同口径磨头中，可以实现不同口径光学零件的加工，同时实现了柔性、可塑性、通用性加工，效率高，成本低。

3、本实用新型的设备，简单易行，解决了生产实际中急切需要的高效，低成本，易操作的柔性超精加工问题。

附图说明：

图1是传统方法实现不同曲率半径加工摆动方式示意图

图2是本实用新型实现不同曲率半径加工摆动方式示意图

图3是本实用新型机械结构运动原理示意图；

图4是本实用新型的环带状柔性精磨抛光设备结构； 

图5是本实用新型的磁流变柔性精磨抛光实施例中加工凸球面光学面的示意图；

图6是本实用新型的磁流变柔性精磨抛光实施例中加工凹球面光学面的示意图；

图7是本实用新型的磁流变柔性精磨抛光实施例中加工平面光学面的示意图。

图8 是本实用新型要求环带状磨头结构形状。

1-机座，2-摆轴装置，3-摆臂装置，4-主轴装置，5-磨头装置，6-光学零件，7-摆轴旋转轴，8-支架，9-角度调节装置，10-支撑座，11-摆动竖架，12-摆动横梁，13-摆臂调平装置，14-摆动驱动装置，15-变速电机，16-减速器，17-皮带传速装置，18-滑动平台，19-主轴支撑架，20-旋转主轴，21-磨头，22-水平移动台，23-升降台，24-未磁化的磁流变液，25-宾汉体，26-磁极，27-磨头电机。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做详细地说明。

球面光学零件被加工表面是某个球体的一部分，其在空间上一个有一个旋转对称点，即球心。零件的加工采用摆动的运动方式时，要求球面光学零件绕球心的摆动，才能够保证球面光学零件的表面加工出来为球面，否则将会形成一个不规则面。

现有技术中，参见图1，在实现不同曲率半径半径加工时，保持摆点的位置不变，即加工光学零件6的球心O点的位置是保持不变的，通过调整主轴装置4的长度来实现。该方法要求摆轴装置2通过轴承固定在机座1上，主轴装置4固定安装在摆轴装置2上，且摆轴装置2与主轴装置4的交点为光学零件6的球心O点。

其核心的思想是：摆轴装置2可以绕自身旋转中心线转动，进而带动主轴装置4绕球心O点往复摆动。

该方法实现了光学零件6绕其球心O点的往复摆动，可用于球面光学零件的加工，但是由于主轴装置4的长度是有限的，在实际应用过程中不可能将主轴装置4的长度的变化范围从0mm变化到无穷长，所以该方法存在的问题是只能够实现部分曲率半径球面光学零件的加工。

参见图2，本实用新型逆向思维，突破了传统思路的限制，给出了一种任意曲率半径球面光学零件的加工方法，摆轴装置2铰接安装在机座1上， 摆臂装置3铰接安装在摆轴装置2上，主轴装置4铰接安装在摆臂装置3上。

其设计思路是：在实现不同曲率半径半径加工时，保持主轴装置4的长度不变，加工光学零件6的球心O点在空间中位置可变，且该方法能够保证，在加工过程中，光学零件6绕球心O点往复摆动。球面光学零件绕球心的摆动，需要保证的是主轴装置4或者其延长线与摆轴装置2或者其延长线必须相交于一点，且该相交点就是球心位置。主轴装置4绕摆轴装置2作往复摆动，即实现的动作实际是主轴装置4绕球心O点的往复摆动。

本实用新型给出的一种任意曲率半径光学零件的加工方法，是通过改变主轴装置4与摆轴装置2在空间的相交点的位置，实现不同曲率半径的球面光学零件的加工。

在该方法的指导下，要改变主轴装置4与摆轴装置2在空间的相交点位置的方式有很多种，其中：

方法一是保持主轴装置4固定不动，通过调整摆轴装置2的角度，即引起摆轴装置2与主轴装置4的夹角变化来实现。

方法二是保持主轴装置4和摆轴装置2的夹角不变，通过调整主轴装置与摆轴装置2之间的距离来实现。

方法三是保持摆轴装置2固定不动，通过调整主轴装置4的角度，即引起摆轴装置2与主轴装置4的夹角变化来实现。

方法四是保持主轴装置4的角度不变，通过调整摆轴装置2的角度和调整主轴装置与摆轴装置2之间的距离来实现。

方法五是保持摆轴装置2的角度不变，通过调整主轴装置4的角度和调整主轴装置与摆轴装置2之间的距离来实现。

方法六是保持主轴装置与摆轴装置2之间的距离不变，通过调整主轴装置4的角度和调整与摆轴装置2之间的角度来实现。

方法七是调整主轴装置与摆轴装置2之间的距离，同时调整主轴装置4的角度和调整与摆轴装置2之间的角度来实现，该方式为优选方案，由于其对磨头的调整机构要求较为简单，且易于实现，本实用新型给出了这种优选方案的具体实现方式。参照图3所述，本实用新型提供的一种任意曲率半径光学零件的加工设备，包括机座1、摆轴装置2、摆臂装置3、主轴装置4和磨头装置5，摆轴装置2铰接安装在机座1上，连接点为坐标原点，摆轴装置2设置于XOZ平面上且与Z轴的夹角可调，摆轴装置2的另一端与摆臂装置3铰接，摆臂装置3设置于XOY平面上且在XOY平面上可以绕着摆轴装置2做往复的摆动，主轴装置4固定在摆臂装置3上，且主轴装置4在XOZ平面内与Z轴的夹角可调，主轴装置4可沿摆臂装置3在X轴方向上进行左右平行移动，所述磨头装置5固定在机座1上，磨头装置5设置于XOZ平面内且与Z轴平行设置，磨头装置5可沿Z轴方向进行上下平行移动，磨头装置5也可沿着X轴方向进行左右平行移动。

在该运动原理机构中，摆轴装置2与机座连接点为坐标原点，设为O，水平向右为X轴正方向，垂直页面向外为Y轴方向，竖直方向向上为Z轴方向。摆轴装置2与摆臂装置3的夹角是可变的。

摆臂调平装置13用于，当摆轴与Z轴角度发生变化时，用于调整摆臂装置的水平。通过摆动驱动装置驱动摆臂装置绕摆轴以一定的幅度进行摆动。

本实用新型摆臂装置、摆轴装置和主轴装置可以位于坐标平面XOY之上，而磨头装置位于坐标平面XOY之下。同时也可让摆臂装置、摆轴装置和主轴装置可以位于坐标平面XOY之下，同时磨头装置位于坐标平面XOY之上。

参照图4，下面将对本实用新型提出的结构进行详细地说明：

（一）摆轴装置2包括摆轴旋转轴7、支架8、角度调节装置9和支撑座10，支架8通过支撑座10与机座1固连，支撑座10的中心线与坐标轴X轴重合，角度调节装置9固定于机座1上，摆轴旋转轴7通过轴承固定在支架8上。

摆轴装置的功能特征在于：实现摆轴装置与Z轴夹角的调整。支架8绕着X轴进行角度调节，支架8角度的调节通过角度调节装置9实现；摆轴旋转轴7绕其中心线位置旋转；

（二）摆臂装置3包括摆动竖架11、摆动横梁12、摆臂调平装置13和摆动驱动装置14。摆动横梁12与摆动竖架11活动连接，摆臂调平装置13 一端与摆动竖架11活动连接，另一端与摆动横梁12活动连接，摆动驱动装置14固定于支架8上。

摆臂装置3的功能特征在于：实现摆臂横梁16与摆动竖架11之间夹角的调整。摆动驱动装置14驱动摆动竖架11绕着摆轴旋转轴7往复摆动，带动其它部件摆动。当支架8与Z轴的夹角发生变化时，引起摆轴旋转轴7与Z轴的夹角发生变化，进而引起摆动竖架11与Z轴的角度变化。摆臂调平装置13用于调整摆动横梁12处于水平状态。

其核心是摆臂调平装置13，其实现的公知结构非常多，例如下述的结构，主要由斜角支撑杆和连接轴组成，斜角支撑杆一端与摆动横梁通过连接轴连接，轴的中心线设为                                               

,两者之间的夹角角度可变。斜角支撑杆的另外一端与摆动竖架通过连接轴连接，轴的中心线设为,两者之间的夹角角度可变。当需要调整摆臂装置的水平时，通过改变斜角支撑杆的长度，即改变

与

之间的距离实现。

（三）主轴装置4包括变速电机15、减速器16、皮带传速装置17、滑动平台18、主轴支撑架19和旋转主轴20。滑动平台18滑动设置于摆动横梁12上，变速电机15固定安装在滑动平台18上，减速器16固定设置于主轴支撑架19上，主轴支撑架19两端与滑动平台18活动连接，变速电机15通过皮带传速装置17与减速器16输入轴连接，减速器16的输出轴与旋转主轴20同心连接，旋转主轴20通过轴承固定于主轴支撑架19上。

主轴装置的功能特征在于：可实现移动，角度调节和自转。

滑动平台18可以沿着摆动横梁12在X方向改变位置。主轴支撑架19随着滑动平台18的移动而一同移动，且主轴支撑架19与滑动平台18的夹角可调。旋转主轴20自转运动。

滑动平台18与摆动横梁12的滑动连接结构，其实现的公知结构非常多，例如下述的结构，主要由导轨和丝杠组成，导轨安装在摆动横梁12上，丝杠两端固定在摆动横梁12上，滑动平台18固定在导轨移动副上，通过丝杠就调节滑动平台18沿X方向的位置。

    （四）磨头装置5包括磨头组件、水平移动台22和升降台23。磨头组件由环带结构的磨头21和驱动其旋转的变速电机组成，磨头组件安装在水平移动平台22上，水平移动平台22安装在升降台23上。

磨头装置的功能特征在于：实现平面移动、自转和上下移动。

磨头组件沿着X方向作水平位置调整。变速电机用于驱动磨头21绕自身旋转中心线旋转。磨头组件和水平移动台22借助升降台23沿着Z方向作升降调整。

    上述任意曲率半径光学零件的加工设备的使用方法为：

一、将被加工工件固定在旋转主轴20上，根据工件的口径，选择合适口径的磨头21；

二、根据工件的曲率半径R，以及磨头21的中径D，通过公式（1）计算出旋转主轴20旋转中心线与垂直方向Z轴的夹角α，调节旋转主轴20与Z轴的夹角为α；

                   

                       （1）

三、根据

值和公式（2）计算出磨头21旋转中心线到坐标原点的距离

的值，则调节磨头21在X轴的坐标位置为

。

       

                      （2）

四、拟定一个合适的摆轴旋转轴7旋转中心线与Z轴的夹角β的值，根据公式（3）计算出旋转主轴20旋转中心线到坐标原点距离

的值，则调节摆轴旋转轴7与Z轴的夹角为β，调节旋转主轴20在X坐标位置为

。

               （3）

五、调节磨头21向上运动，使磨头21最上端的环带面与工件保持一定的距离，并固定；

六、在液体循环回路中加入磁流变抛光液，启动液体循环泵，磁流变抛光液通过电磁铁的内磁极中的液体流动通道，流到非磁性槽内；

七、启动变速电机15，使旋转主轴20带动工件旋转，启动磨头电机27，驱动磨头21转动，启动摆动驱动装置14，使得旋转主轴20绕着摆轴旋转轴7开始摆动；

八、给电磁铁通电，磁极端面附近的磁流变抛光液，被磁场磁化，产生环带状宾汉体，即形成环带状的柔性精磨抛光磨具与工件的被抛光面吻合，对工件进行精磨抛光加工；

九、工作过的磁流变抛光液经过与非磁性槽底部连接的回收通道流出，流到密封的回收箱内，经过过滤、冷却、搅拌进行循环使用；

十、改变被加工工件时，重复上述步骤进行加工。

    下面将通过具体的例子对本实用新型的工作过程进行描述：

（一）参照图4、图5，设相对于Z轴或者Z轴平行线正方向的夹角顺时针方向为正，逆时针方向为负。通过角度调节装置9调整摆轴旋转轴7与Z轴夹角，设为β，调节β为正，调整主轴支撑架19与Z轴夹角为负，即使得旋转主轴20与Z轴夹角，设为α，调节α为负，调整旋转主轴20到摆动横梁12的合适位置，摆轴旋转轴7与旋转主轴20中心线在空间相交于点O，该点就是被加工件面型的的球心位置，保证磨头21旋转中心线与空间上点O相交。启动摆动驱动装置14，变速电机15，磨头电机27，旋转主轴20绕摆轴旋转轴7往返摆动，同时旋转主轴20绕自身旋转中心线旋转，磨头21绕自身旋转中心线旋转，从而实现凸球面光学零件的加工。

    （二）参照图4、图6，通过角度调节装置9调整摆轴旋转轴7与Z轴夹角，设为β，调节β为负，调整主轴支撑架19与Z轴夹角为正，即使得旋转主轴20与Z轴夹角，设为α，调整旋转主轴20到摆动横梁12的合适位置，摆轴旋转轴7与旋转主轴20中心线在空间相交于点O，该点就是被加工件面型的的球心位置，保证磨头21旋转中心线与空间上点O相交。启动摆动驱动装置14，变速电机15，磨头电机27，旋转主轴20绕摆轴旋转轴7往返摆动，同时旋转主轴20绕自身旋转中心线旋转，磨头21绕自身旋转中心线旋转，从而实现凹球面光学零件的加工。

    （三）参照图4、图7，通过角度调节装置9调整摆轴旋转轴7与Z轴夹角，设为β，调节β为0度，调整主轴支撑架19与Z轴夹角为0度，即使得旋转主轴20与Z轴夹角，调整旋转主轴20到摆动横梁12的合适位置，启动摆动驱动装置14，变速电机15，磨头电机27，旋转主轴20绕摆轴旋转轴7往返摆动，同时旋转主轴20绕自身旋转中心线旋转，磨头21绕自身旋转中心线旋转，从而实现平面光学零件的加工。

（四）参照图4、图8，实现该方法要求磨头21为环带结构，在添加磁流变液且磨头21通电后，形成环带状的宾汉体25，宾汉体25与光学零件6接触，进而实现加工。

本实用新型进行光学零件加工时，摆臂装置绕摆轴装置做往复的摆动，主轴装置4以一定的速度旋转，磨头装置5以一定的速度旋转。不同的光学零件进行加工时，因其表面曲率半径不同，进行结构调整的方式也略有不同，详细说明如下： 

（一）本实用新型当需要实现平面光学零件的加工时，需要保持摆轴旋转轴7与Z轴重合，旋转主轴20与Z轴平行。

    （二）本实用新型当需要加工球面光学零件加工时，调整摆轴旋转轴7与Z轴保持一定的角度，设为β，调整旋转主轴20与Z轴保持一定的角度，设为α，当角度调整后，摆轴旋转轴7延长线与旋转主轴20延长线在XOZ平面内有一个交点，设为A点，然后调整磨头21沿X轴方向进行调整，使得磨头21旋转中心线延长线与A点相交。三个旋转轴的旋转中心在空间上的交点为球面光学零件的球心。被加工零件的曲率半径R满足公式：

                  

                         （1）

                  

                         （2）

             

                     （3）

其中为磨头21旋转中心线到坐标原点的距离，

为旋转主轴20旋转中心线到坐标原点的距离，D为磨头的中径，α是旋转主轴20旋转中心线与垂直方向的夹角，β是磨头旋转中心线与垂直方向的夹角。

Claims (2)

1.一种任意曲率半径光学零件的加工设备，包括机座（1）、摆轴装置（2）、摆臂装置（3）、主轴装置（4）和磨头装置（5），其特征在于：摆轴装置（2）铰接安装在机座（1）上，连接点为坐标原点，摆轴装置（2）设置于XOZ平面上且与Z轴的夹角可调，摆轴装置（2）的另一端与摆臂装置（3）铰接，摆臂装置（3）设置于XOY平面上且在XOY平面上可以绕着摆轴装置（2）做往复的摆动，主轴装置（4）固定在摆臂装置（3）上，且主轴装置（4）在XOZ平面内与Z轴的夹角可调，主轴装置（4）可沿摆臂装置（3）在X轴方向上进行左右平行移动，所述磨头装置（5）固定在机座（1）上，磨头装置（5）设置于XOZ平面内且与Z轴平行设置，磨头装置（5）可沿Z轴方向进行上下平行移动，磨头装置（5）也可沿着X轴方向进行左右平行移动。

2.如权利要求1所述的一种任意曲率半径光学零件的加工设备，其特征在于：

所述摆轴装置（2）包括摆轴旋转轴（7）、支架（8）、角度调节装置（9）和支撑座（10），支架（8）通过支撑座（10）与机座（1）固连，支撑座（10）的中心线与坐标轴X轴重合，角度调节装置（9）固定于机座（1）上，摆轴旋转轴（7）通过轴承固定在支架（8）上；

所述摆臂装置（3）包括摆动竖架（11）、摆动横梁（12）、摆臂调平装置（13）和摆动驱动装置（14）,摆动横梁（12）与摆动竖架（11）活动连接，摆臂调平装置（13） 一端与摆动竖架（11）活动连接，另一端与摆动横梁（12）活动连接，摆动驱动装置（14）固定于支架（8）上；

所述主轴装置（4）包括变速电机（15）、减速器（16）、皮带传速装置（17）、滑动平台（18）、主轴支撑架（19）和旋转主轴（20）,滑动平台（18）滑动设置于摆动横梁（12）上，变速电机（15）固定安装在滑动平台（18）上，减速器（16）固定设置于主轴支撑架（19）上，主轴支撑架（19）两端与滑动平台（18）活动连接，变速电机（15）通过皮带传速装置（17）与减速器（16）输入轴连接，减速器（16）的输出轴与旋转主轴（20）同心连接，旋转主轴（20）通过轴承固定于主轴支撑架（19）上；

所述磨头装置（5）包括磨头组件、水平移动台（22）和升降台（23），磨头组件由环带结构的磨头（21）和驱动其旋转的磨头电机（27）组成，磨头组件安装在水平移动平台（22）上，水平移动平台（22）安装在升降台（23）上。

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