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CN107414632A - 对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置及方法 - Google Patents

对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置及方法 Download PDF

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CN107414632A
CN107414632A CN201710721335.6A CN201710721335A CN107414632A CN 107414632 A CN107414632 A CN 107414632A CN 201710721335 A CN201710721335 A CN 201710721335A CN 107414632 A CN107414632 A CN 107414632A
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polishing
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康健
谢京江
宋淑梅
宣斌
李俊峰
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Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
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Abstract

本发明提供一种对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置及方法，该抛光装置改进了现有技术无法修正元件面形精度以及只能采用单一加工方式的缺陷，可以根据实际需要在直接接触加工和准接触加工之间进行方式切换，且通过四轴联动功能为筒形超光滑非球面光学元件内表面进行面形精度修正和超光滑抛光加工。包括：用于带动待加工的筒形光学元件进行回转运动的工件轴部件；用于带动附有柔性抛光模的抛光磨头进行回转运动的抛光轴部件；用于带动所述抛光磨头俯仰运动，使所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面产生正压力的旋转扭矩轴部件；用于带动所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件的轴向运动的进给轴部件。

Description

对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置 及方法
技术领域
本发明属于光学冷加工技术领域，具体涉及一种为筒形光学元件内表面进行面形精度修正及超光滑加工的抛光装置及方法。
背景技术
随着我国国防建设和航空、航天事业的迅速发展，越来越多的需要超光滑光学元件的设备在工程实际中得到了广泛的应用。所谓超光滑表面具有以下主要特征：表面粗糙度小于l nm(Ra)、尽可能小的表层和亚表层损伤、表面残余应力极小、晶体表面具有完整的晶体结构。
对于各种超光滑表面的抛光加工手段，根据在加工过程中工件和抛光盘之间的接触状态可分为三种类型：直接接触、准接触和非接触。直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光磨料的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料。准接触抛光是指在抛光过程中产生的动压使抛光盘和工件之间存在合适的间隙。非接触抛光是指使工件与抛光盘在抛光时不发生接触，仅用抛光液冲击工件表面，以获得完美结晶性和精确面型的加工表面的抛光方法。
但以往的加工方法及设备仅仅能做到对光学元件的表面进行超光滑抛光，而无法对元件表面的面形精度进行修正，有的甚至会破坏了已经修正好的面形精度，尤其对于筒形非球面光学元件内表面的精度修正和超光滑加工，目前还没有有效的方法和实用的设备。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置及方法。
所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，包括：
用于带动待加工的筒形光学元件进行回转运动的工件轴部件；
用于带动附有柔性抛光模的抛光磨头进行回转运动的抛光轴部件；
用于带动所述抛光磨头俯仰运动，使所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面产生正压力的旋转扭矩轴部件；
用于带动所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件的轴向运动的进给轴部件；
浸在抛光液中的所述抛光磨头与浸在抛光液中的待加工筒形光学元件的内表面相接触进行超光滑抛光；
在超光滑抛光的同时需要对面形精度进行修正时：在需要增加去除量的区间降低所述进给轴部件的进给速度、增加所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、增加所述工件轴部件与所述抛光轴部件的转速；在需要减少去除量的区间降低所述进给轴部件的进给速度、减小所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、降低所述工件轴部件与所述抛光轴部件的转速。
所述工件轴部件包括：支撑座A、轴座、联轴器A、伺服电机A、工件驱动轴、轴端法兰和工件室；其连接关系为：所述伺服电机A通过连轴器A驱动工件驱动轴产生回转运动，工件驱动轴通过轴端法兰与工件驱动轴同轴相连；用于放置待加工筒形光学元件的工件室与轴端法兰同轴相连。
所述抛光轴部件包括：抛光磨头、磨头驱动轴、磨头轴承座、连轴器B、伺服电机B和支撑座B；其连接关系为：所述伺服电机B通过连轴器B驱动磨头驱动轴产生回转运动；附有柔性抛光模的抛光磨头同轴固定在磨头驱动轴端部；所述磨头驱动轴与所述工件轴部件同轴；所述磨头驱动轴通过轴承固在磨头轴承座内，所述磨头轴承座通过轴承固定于支撑座B上。
所述旋转扭矩轴部件包括：伺服电机C、连轴器C、旋转扭矩传感器、旋转轴座和摆动座；其连接关系为：所述伺服电机C通过联轴器C与旋转扭矩传感器相连，旋转扭矩传感器与摆动座相连，所述摆动座和所述旋转轴座分别通过轴承固定于支撑座B上，且所述摆动座、旋转轴座与所述磨头轴承座相连。
所述进给轴部件包括：伺服电机D、滑动台和丝杠；其连接关系为：所述伺服电机D的输出轴与所述丝杠同轴相连，所述丝杠的轴向与所述工件轴部件的轴向一致；所述丝杠与固定在所述滑台板底面上的丝母座配合；所述抛光轴部件和旋转扭矩轴部件均安装在所述滑动台上，所述丝母座带动所述滑台板沿所述丝杠轴向移动时，带动所述抛光轴部件和旋转扭矩轴部件沿所述工件轴部件的轴向移动。
所述旋转扭矩轴部件还包括设置在所述摆动座端部的配重块；所述旋转扭矩轴部件有两种工作状态：
(A)所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面施加恒定正压力，此时该抛光装置处于直接接触加工方式；
(B)断开所述旋转扭矩传感器与所述摆动座的连接，使所述摆动座带动所述磨头轴承座在自身重力作用下处于自由状态，调节所述配重块的位置与重量，使所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力为零或者接近零，由此所述抛光磨头在回转运动时与待加工的筒形光学元件内表面处于接触或未接触的临界状态，此时该抛光装置处于准接触加工方式。
对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光方法，具体为：
将抛光磨头和待加工筒形光学元件的内表面浸在抛光液中，两者相接触进行超光滑抛光；
在超光滑抛光的同时需要对面形精度进行修正时：在需要增加去除量的区间降低所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件轴向的进给速度、增加所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、增加所述抛光磨头与待加工筒形光学元件的转速；在需要减少去除量的区间降低所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件轴向的进给速度、减小所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、降低所述抛光磨头与待加工筒形光学元件的转速。
有益效果
(1)改进了现有技术无法修正元件面形精度的缺陷，通过四轴联动功能能为筒形超光滑光学元件内表面进行面形精度修正和超光滑抛光加工。加工时，工件加工表面和柔性抛光模部分浸于抛光液中，工件与抛光模各自运动，抛光液因工件轴的转动产生离心力而在光学元件的内表面均布上一层抛光液膜，依靠抛光液膜中的磨料磨削工件，来获得理想的面形精度与超光滑内表面。
(2)改进了现有技术中只能采用单一加工方式的缺陷，可以根据实际需要在直接接触加工和准接触加工方式之间进行切换。
附图说明
图1为该抛光装置的整体结构示意图；
图2为该抛光装置正向剖视图及抛光磨头运动示意；
图3为该抛光装置的俯视剖视图；
图4为该抛光装置的侧向剖视图。
其中：1-支撑座A、2-轴座、3-联轴器A、4-伺服电机A、5-工件驱动轴、6-轴端法兰、7-工件室、8-前端压盖、9-抛光磨头、10-磨头驱动轴、11-伺服电机C、12-连轴器C、13-旋转扭矩传感器、14-旋转轴座、15-摆动座、16-配重块、17-磨头轴承座、18-连轴器B、19-伺服电机B、20-支撑座B、21-伺服电机D、22-底座前档板、23-行程开关A、24-滑动台、25-行程开关B、26-丝杠、27-导轨A、28-导轨B、29-连接板、30-手柄
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种能够对筒形非球面光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置。该抛光装置改进了现有技术无法修正元件面形精度以及只能采用单一加工方式的缺陷，可以根据实际需要在直接接触加工和准接触加工之间进行方式切换，且通过四轴联动功能为筒形超光滑非球面光学元件内表面进行面形精度修正和超光滑抛光加工。
如图1-4所示，该抛光装置包括：工件轴部件、抛光轴部件、旋转扭矩轴部件和进给轴部件。
其中工件轴部件包括：支撑座A1、轴座2、联轴器A3、伺服电机A4、工件驱动轴5、轴端法兰6、工件室7和前端压盖8；其连接关系为：伺服电机A4的输出轴通过连轴器A3与工件驱动轴5的一端相连，即伺服电机A4通过连轴器A3驱动工件驱动轴5转动，工件驱动轴5径向跳动≤0.005mm，轴向窜动≤0.005mm，可在计算机程序控制下实现10转/分——100转/分无级调速且平稳运转。工件驱动轴5的另一端设置有轴端法兰6，轴端法兰6与工件驱动轴5用螺钉连接；工件室7与轴端法兰6间用螺钉连接，待加工的筒形非球面光学元件置于工件室7内，两者用胶粘结固定后在工件室7的端部盖上前端压盖8。以上组件再通过轴座2和支撑座A1固定到组件连接板29上，支撑座A1与组件连接板29用销钉及螺钉固定。调整支撑座1的俯仰角度，使抛光装置整体放置于安装平台上时，伺服电机A4的输出轴、联轴器A3、工件驱动轴5、轴端法兰6、工件室7的轴中心线同轴且处于水平状态。
抛光轴部件包括：抛光磨头9、磨头驱动轴10、磨头轴承座17、连轴器B18、伺服电机B19和支撑座B20；其连接关系为：伺服电机B19通过连轴器B18驱动磨头驱动轴10产生回转运动，磨头驱动轴10轴端端径跳均≤0.005mm，转速由计算机程序控制在10转/分——100转/分无级调速且平稳运转。附有柔性抛光模的抛光磨头9固定在磨头驱动轴10端部，随磨头驱动轴10一起产生回转运动。磨头驱动轴10通过轴承固在磨头轴承座17内，磨头轴承座17与摆动座15通过螺钉连接，摆动座15通过轴承固定于支撑座20上，支撑座20再固定于滑动台24上。装调的时候调整支撑座20的高度，使磨头驱动轴10、磨头轴承座17、联轴器18与伺服电机19的轴中心线同轴且轴中心线在水平状态时与工件轴部件的轴中心线重合，同轴度≤0.01mm。
旋转扭矩轴部件包括：伺服电机C11、连轴器C12、旋转扭矩传感器13、旋转轴座14、摆动座15和配重块16；其连接关系为：伺服电机C11通过联轴器C12与旋转扭矩传感器13相连，旋转扭矩传感器13与摆动座15相连，摆动座15、旋转轴座14分别通过轴承固定于支撑座B20之上，且摆动座15、旋转轴座14与磨头轴承座17相连，使旋转扭矩轴部件与抛光轴部件成为一个整体，这样伺服电机C11驱动摆动座15绕伺服电机C11输出轴的轴线转动时，通过磨头轴承座17带动抛光磨头9在俯仰方向摆动，由此抛光磨头9既可以在伺服电机A19的驱动下产生转动，又可以在伺服电机C11的驱动下绕伺服电机C11输出轴的轴线随摆动座15一起在一定角度内摆动。摆动座15的端部通过连接轴连接配重块16。
旋转扭矩轴部件有两种工作模式：(A)控制旋转扭矩传感器13使抛光磨头9对光学元件加恒定正压力；(B)不施加扭矩只调节配重块16的自由状态模式。(A)模式下，由设定的用户需要的抛光磨头9对工件内表面的正压力值，计算出伺服电机C11的输出功率，通过监测旋转扭矩传感器13，使其输出一个恒定的扭矩。伺服电机C11输出恒定的扭矩，可以保证抛光磨头9对光学元件内表面进行超光滑抛光时，附着在上面的抛光模对光学元件内表面的正压力是恒定不变的，压力值在0.1kg～1kg范围内可调，以保证光学元件在获得超光滑内表面的同时其面形精度不被破坏，这属于直接接触加工方式。(B)模式下，脱开旋转扭矩传感器13与摆动座15的连接，使摆动座15带动磨头轴承座17在自身重力作用下处于自由状态，通过调节摆动座15后面的配重块16的位置与重量，使抛光磨头9对光学元件内表面的正压力为零或者接近零，这样抛光磨头9在回转运动的时候与工件内表面就处于接触或未接触的临界状态，更能提高工件的超光滑程度，这属于准接触加工方式。
进给轴部件包括：伺服电机D21、底座前档板22、行程开关A23、滑动台24、行程开关B25、丝杠26、导轨A27和导轨B28；其连接关系为：伺服电机D21通过底座前挡板22固定于组件连接板29上，伺服电机D21的输出轴与丝杠26的一端相连，将运动传递给丝杠26，丝杠26与固定在滑台板24底面上的丝母座配合；在组件连接板29上丝杠26轴向的两侧分别设置有导轨A27和导轨B28，滑台板24通过滑块坐落在导轨A27和导轨B28上，导轨A27和导轨B28与工件轴部件的轴中心线平行，在工作范围150mm内直线度≤0.01mm。当伺服电机D21转动时，驱动丝杠26转动，进而通过丝母座带动滑台板24沿着导轨前后移动，即带动抛光轴部件和旋转扭矩轴部件沿着导轨前后移动。进给速度与进给量由控制单元控制，使滑台板24的速度绝对值在0.1mm/分～100mm/分范围内可调(如果进给方向反向，可将速度设置成负值)。在导轨28的外侧相应位置分别设置有行程开关A23和行程开关B25，以限制滑台板24前后移动的极限位置。
上述四个部件通过组件连接板29组装成一台整体装置，组件连接板29上安装四个手柄30，方便搬运和移动。
加工时，光学元件的加工表面和柔性抛光模部分浸于抛光液中，抛光液是一种含有相应比例超精细磨料的粘稠状溶液，待加工的光学元件与抛光模各自运动，抛光液因工件驱动轴5的转动产生离心力而在非球面光学元件的内表面均布上一层抛光液膜，依靠抛光液膜中的磨料磨削工件，来获得理想的面形精度与超光滑内表面。
该抛光装置采用四轴联动：每个轴部件可以单独控制运行，也可以四轴联动运行。待加工的筒形非球面光学元件固定到工件室7内并调整好与工件驱动轴5的同轴度后，计算好工作距离(即筒形光学元件在轴向上需要加工的总的长度)，将抛光液置于待加工的筒形非球面光学元件内，设定好工件轴(即工件驱动轴5)的转速、抛光轴(即磨头驱动轴10)的转速、旋转扭矩轴部件对光学元件内表面的正压力、进给轴部件的进给距离与速度等参数值后，整个装置就会按照设定好的参数值进行运转，由于非球面内表面在径向上会有矢高的变化，因此进给轴部件沿水平方向进给时磨头驱动轴10的轴心线与水平方向夹角也会产生变化，则抛光磨头9的正压力随之变化，由于旋转扭矩传感器13与伺服电机11对旋转扭矩轴采用的是闭环控制(光学元件内表面所受到抛光磨头9的压力值与扭矩轴的扭矩值存在数学模型，由压力值可以计算出扭矩值，压力值产生变化则扭矩值也随之变化，旋转扭矩传感器13在加工过程中实时检测扭矩轴的扭矩值，当检测的扭矩值与设定的扭矩值产生偏差时，扭矩传感器13通过电信号反馈给控制单元，控制单元再将此偏差反馈给伺服电机C11，实时补偿伺服电机C11的输出功率，使抛光磨头9得到的压力值与设定的压力值一致)，抛光磨头9产生的压力变化会被伺服电机11实时补偿，因此，非球面内表面所受的正压力始终都是恒定的不变的。附有柔性抛光模的抛光磨头9浸在抛光液中与工件内表面相接触进行超光滑抛光。如果光学元件在超光滑加工的同时还需要对面形精度进行修正，即在光学元件内表面的某些区域要增加表面去除量，可以在某个加工循环过程中分不同区间设置不同的参数值，如：在增加去除量的区间降低进给轴进给速度、增加旋转扭矩轴对工件表面的正压力，增加工件轴与抛光轴的转速；在减少去除量的区间可以提高进给轴进给速度、减少旋转扭矩轴对工件表面的正压力、降低工件轴与抛光轴的转速，这样在得到超光滑表面的同时又对元件内表面的面形精度进行了修正。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：包括：
用于带动待加工的筒形光学元件进行回转运动的工件轴部件；
用于带动附有柔性抛光模的抛光磨头进行回转运动的抛光轴部件；
用于带动所述抛光磨头俯仰运动，使所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面产生正压力的旋转扭矩轴部件；
用于带动所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件的轴向运动的进给轴部件；
浸在抛光液中的所述抛光磨头与浸在抛光液中的待加工筒形光学元件的内表面相接触进行超光滑抛光；
在超光滑抛光的同时需要对面形精度进行修正时：在需要增加去除量的区间降低所述进给轴部件的进给速度、增加所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、增加所述工件轴部件与所述抛光轴部件的转速；在需要减少去除量的区间降低所述进给轴部件的进给速度、减小所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、降低所述工件轴部件与所述抛光轴部件的转速。
2.如权利要求1所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述工件轴部件包括：支撑座A(1)、轴座(2)、联轴器A(3)、伺服电机A(4)、工件驱动轴(5)、轴端法兰(6)和工件室(7)；其连接关系为：所述伺服电机A(4)通过连轴器A(3)驱动工件驱动轴(5)产生回转运动，工件驱动轴(5)通过轴端法兰(6)与工件驱动轴(5)同轴相连；用于放置待加工筒形光学元件的工件室(7)与轴端法兰(6)同轴相连。
3.如权利要求1所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述抛光轴部件包括：抛光磨头(9)、磨头驱动轴(10)、磨头轴承座(17)、连轴器B(18)、伺服电机B(19)和支撑座B(20)；其连接关系为：所述伺服电机B(19)通过连轴器B(18)驱动磨头驱动轴(10)产生回转运动；附有柔性抛光模的抛光磨头(9)同轴固定在磨头驱动轴(10)端部；所述磨头驱动轴(10)与所述工件轴部件同轴；所述磨头驱动轴(10)通过轴承固在磨头轴承座(17)内，所述磨头轴承座(17)通过轴承固定于支撑座B(20)上。
4.如权利要求3所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述旋转扭矩轴部件包括：伺服电机C(11)、连轴器C(12)、旋转扭矩传感器(13)、旋转轴座(14)和摆动座(15)；其连接关系为：所述伺服电机C(11)通过联轴器C(12)与旋转扭矩传感器(13)相连，旋转扭矩传感器(13)与摆动座(15)相连，所述摆动座(15)和所述旋转轴座(14)分别通过轴承固定于支撑座B(20)上，且所述摆动座(15)、旋转轴座(14)与所述磨头轴承座(17)相连。
5.如权利要求1所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述进给轴部件包括：伺服电机D(21)、滑动台(24)和丝杠(26)；其连接关系为：所述伺服电机D(21)的输出轴与所述丝杠(26)同轴相连，所述丝杠(26)的轴向与所述工件轴部件的轴向一致；所述丝杠(26)与固定在所述滑台板(24)底面上的丝母座配合；所述抛光轴部件和旋转扭矩轴部件均安装在所述滑动台(24)上，所述丝母座带动所述滑台板(24)沿所述丝杠(26)轴向移动时，带动所述抛光轴部件和旋转扭矩轴部件沿所述工件轴部件的轴向移动。
6.如权利要求4所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述旋转扭矩轴部件还包括设置在所述摆动座(15)端部的配重块(16)；所述旋转扭矩轴部件有两种工作状态：
(A)所述抛光磨头(9)对待加工的筒形光学元件内表面施加恒定正压力，此时该抛光装置处于直接接触加工方式；
(B)断开所述旋转扭矩传感器(13)与所述摆动座(15)的连接，使所述摆动座(15)带动所述磨头轴承座(17)在自身重力作用下处于自由状态，调节所述配重块(16)的位置与重量，使所述抛光磨头(9)对待加工的筒形光学元件内表面的正压力为零或者接近零，由此所述抛光磨头(9)在回转运动时与待加工的筒形光学元件内表面处于接触或未接触的临界状态，此时该抛光装置处于准接触加工方式。
7.如权利要求5所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：沿所述丝杠(26)的轴向设置有用于对所述滑台板(24)的轴向运动起导向作用的导轨，所述滑台板(24)通过滑块坐落在导轨上。
8.如权利要求7所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述导轨(28)的外侧设置有两个行程开关，分别用于限制所述滑台板(24)前后移动的极限位置。
9.如权利要求1、2、3、4或5所述的对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光装置，其特征在于：所述工件轴部件、所述抛光轴部件、所述旋转扭矩轴部件和所述进给轴部件通过组件连接板(29)组装为一体，所述组件连接板(29)上安装有手柄(30)。
10.对筒形光学元件进行面形精度修正和超光滑加工的抛光方法，其特征在于：
将抛光磨头和待加工筒形光学元件的内表面浸在抛光液中，两者相接触进行超光滑抛光；
在超光滑抛光的同时需要对面形精度进行修正时：在需要增加去除量的区间降低所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件轴向的进给速度、增加所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、增加所述抛光磨头与待加工筒形光学元件的转速；在需要减少去除量的区间降低所述抛光磨头沿待加工的筒形光学元件轴向的进给速度、减小所述抛光磨头对待加工的筒形光学元件内表面的正压力、降低所述抛光磨头与待加工筒形光学元件的转速。
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