CN112536674A - 大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统及其工作方法，以磨镜机为载体，抛光系统由数控系统、气囊抛光装置及配重结构组成，气囊抛光装置由柔性气囊以及双摆头结构组成，采用配重浮动结构悬挂于配重杆前端，始终以固定的压力浮在被抛光镜面，在数控导轨带动下在X、Y方向直线进给；气囊抛光装置由抛光伺服电机、空心主轴、气囊夹持头、方形轴套、上下轴承座组成；双摆头结构由L型支架、C型支架、C轴伺服电机及精密行星减速机、A轴伺服电机及精密行星减速机组成；抛光伺服电机通过同步带轮驱动空心主轴旋转，从而带动柔性气囊旋转。本发明可有效消除其他抛光系统结构卧式结构及龙门结构存在的被抛光镜面口径尺寸限制，以及精度不高的问题。

Description

大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种抛光系统，具体涉及一种适用于大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统。本发明还涉及这种抛光系统的工作方法。

背景技术

目前，大口径异形离轴非球面广泛应用于空间光学领域以及天文领域，异形离轴非球面镜具有减轻光学系统的整体重量、避免遮光、避免镜体与机械结构相互干涉、便于装调等优点，其外形一般为圆角矩形、体育场形、类八角形等形状 (称之为异形)如图1。如何研制高质量大口径异形离轴非球面光学元件对空间光学和天文光学的发展有极为重要的意义。多年来，国内外学者为了获得高精密非球面光学表面发明了多种抛光方法：古典法修带法、计算机控制光学表面成形技术、离子束抛光法、磁流变抛光法及气囊式抛光法等。

1、计算机控制光学表面成型技术（CCOS）根据定量的面形检测数据,建立磨制过程的控制模型,用计算机控制一个小磨头对光学零件进行研磨或抛光,通过控制磨头在光学镜面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。

缺点：①研抛收敛效率低；②小磨盘研抛非常容易导致光学镜面产生中高频误差；③存在边缘效应；④研抛过程中小磨盘始终垂直于光学镜面接触区域, 接触区域中心点的线速度为零，且离接触中心越远的区域线速度越大，磨削去除量越大，需要引入公转运动改善去除模型的外形，抛光头结构复杂。

2、磁流变抛光技术(MRF)利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光的。在高强度的梯度磁场中,磁流变抛光液变硬,成为具有粘塑性的介质，当这种介质通过光学镜面与运动盘形成的很小空隙时,对光学表面与之接触的区域产生很大的剪切力,从而使镜面材料被去除。

缺点：磁流变抛光去除效率低，在应用磁流变抛光技术之前，被抛光镜面需要采用其他抛光方法进行预抛光，面形精度需基本达到要求才可采用使磁流变抛光技术

3、离子束抛光原理是离子束溅射去除加工，它使用聚焦离子束轰击被抛光镜面,轰击过程中镜面原子和离子之间以及镜面原子相互之间发生一系列复杂的级联碰撞。级联碰撞过程也是能量传递和交换的过程,当光学镜面的原子获得足以摆脱表面束缚能的能量时,就会以溅射原子的形式脱离光学镜面。

缺点：①材料去除效率较低，抛光前镜面需要应用其他抛光方法进行预抛光，面形精度需基本达到要求才可采用离子束抛光方法。②设备昂贵，运营成本很高。

气囊式抛光是近几年国内外新兴的抛光技术，它采用类似陀螺的“进动”方式运动，如图2，以球形柔性气囊作为抛光工具, 通过控制抛光气囊在镜面的运动轨迹、气囊内部压力和气囊头的转速，来实现镜面的抛光，柔性气囊与被抛光镜面形成一定面积的仿形接触，具有吻合特性好、抛光面形平滑、材料去除率高、抛光区稳定、面形收敛快等特点,非常适合抛光离轴非球面。具有以下优点：

1、避免了抛光区域内有相对线速度为零点的问题。在抛光时，气囊旋转轴与被抛光镜面局部法线成一固定角度,由气囊抛光头凸起的一个侧面与镜面接触, 将气囊表面转速为零的点转到抛光接触区外, 避免了同轴旋转导致中心速度为零的问题。

2、实现了近似高斯分布去除函数，图2中A点为被抛光镜面上的抛光点，O点为气囊的球心，δ为气囊自转轴与被抛光镜面A点法线夹角，将气囊自转轴绕法线转动一周在空间扫过一个圆锥面的轨迹。抛光时气囊抛光头的旋转轴线在被抛光镜面局部高速旋转使得抛光区域内材料表面受不同方向的切削作用，去除函数近似于高斯分布，便于驻留时间解算及提高面形质量。

3、仿形接触，且抛光头转速高，提高了抛光效率，。以球形柔性气囊作为抛光工具,通过控制抛光气囊在镜面的运动轨迹和气囊内部压力,控制被抛光镜面面形质量和抛光效率，柔性气囊与被抛光镜面表面形成较大面积的仿形接触。具有吻合特性好、抛光面形平滑，、材料去除率高、抛光区稳定等特点, 非常适合抛光离轴非球面。

气囊抛光技术的现状

2000年气囊抛光技术由英国伦敦大学实验室和Zeeko公司的D.D.Walker等人提出，随后 zeeko公司研制了IRP系列抛光设备，并且已经走上实际应用的道路。

缺点：虽然IRP系列气囊抛光设备性能优异，但是价格却十分昂贵并且技术严格保密。

在国内，哈尔滨工业大学的高波等人基于D.D.Walker等人的研究，对抛光气囊的结构进行了改进，并且成功试制了卧式气囊抛光设备，随后在抛光试验中得到表面粗糙度为0.931nm的光滑表面。

缺点：虽然试制的实验样机精度可达到超精密抛光的要求，但由于结构的限制该设备 只适用于中小口径光学元件。浙江工业大学计时鸣等人主要针对模具自由曲面抛光技术，应 用机器人控制气囊抛光头，实现了模具自由曲面的抛光，抛光后模具的表面粗糙度可以达到 5nm的镜面级要求。

缺点：其面向的是自由曲面模具的抛光，不适用于大口径离轴非球面光学元件的超精密抛光。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种适用于大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，该系统可完成轨迹输入到控制程序生成，程序控制数控系统进动自动抛光，达到收敛面形的目的。

完成上述发明任务的技术方案是，一种适用于大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，（如图3所示）以磨镜机为载体，其特征在于：抛光系统由数控系统、气囊抛光装置（图4所示），及配重结构组成，所述气囊抛光装置由柔性气囊（气囊头）以及双摆头结构组成，采用配重浮动结构悬挂于配重杆前端，始终以固定的压力浮在被抛光镜面，同时可在数控导轨的带动下在X、Y方向进行直线进给；所述气囊抛光装置（图5所示）由抛光伺服电机、空心主轴、气囊夹持头、方形轴套、上下轴承座组成；所述双摆头结构（图4所示）由L型支架、C型支架、C轴伺服电机及精密行星减速机、A轴伺服电机及精密行星减速机组成；所述抛光伺服电机通过同步带轮驱动所述空心主轴旋转，从而带动柔性气囊旋转。

申请人推荐：本系统以传统1.5米磨镜机为载体。

本发明的气囊抛光系统为六轴四联动抛光机床，系统X、Y、A、B、轴由数控系统控制联动，Z轴采用配重浮动结构，气囊抛光头始终以固定的压力浮在镜面表面，自适应镜面面形起伏变化，可有效消除其他结构小磨头或者气囊结构由于Z轴异常或者对刀失误对工件的损伤，安全性好。

本发明的气囊抛光系统采用传统抛光机床坐式结构，镜面水平装夹于工作台上，工作台可以做垂直翻转，便于加工中的在线检验。

所述空心主轴中空，上端部设计有管螺纹可与气动旋转接头相连，下端部设计有输出法兰和密封圈；所述气囊夹持头通过法兰安装固定在该空心主轴上。可根据被抛光光学镜面口径的需要更换不同尺寸的气囊。

气囊抛光装置的前端装有气压可控的柔性气囊（也称为气囊头或气囊抛光头），气囊由橡胶气囊、气囊保持架、金属固定环等组成，并通过气囊保持架和自转轴与气压控制系统连接。为协调充气下气囊的抗变形能力与柔性之间的关系，柔性气囊（如图6所示）由橡胶气囊、抛光膜层及加强布层组成。加强层采用抗拉强度较高、厚度很薄的纤维布，抛光膜层选用聚氨酯抛光垫。

换言之，本发明的总体结构是：以传统1.5米磨镜机为载体，结合西门子控制系统采 用六轴四联动数控技术实现大口径离轴非球面光学元件的抛光。气囊抛光装置采用配重浮动 结构，并可在数控导轨的带动下在X、Y方向进行直线进给。X、Y轴的行程均为-1500～1500mm。 被抛光镜面装夹在1.5m磨镜机上，工作台可做垂直翻转便于抛光过程中检验镜面面形。Z轴 由配重结构控制，气囊抛光头始终以固定的压力浮在镜面自适应镜面面形变化，可有效消除 其他结构小磨头或者气囊结构由于Z轴异常或者对刀失误对工件的损伤。气囊抛光装置具有 3个旋转轴，A、B、C轴。A轴控制气囊抛光头在水平面内的水平旋转，B轴为气囊头的自 转轴，C轴控制气囊头在垂直面内的前后摆动，A轴和C轴旋转范围为-2π～2π，两轴协同运 动可以控制气囊自转轴B轴在空间的位置，确保抛光过程中气囊与被抛光镜面接触点、气囊 球心在镜面抛光点的局部表面法线上。

气囊抛光装置设计：

气囊抛光装置由气囊抛光头、双摆头结构组成。气囊抛光头主要由抛光伺服电机、空心主轴、气囊夹持头、方形轴套、上下轴承座等组成。双摆头结构由L型支架、C型支架、C轴伺服电机及精密行星减速机、A轴伺服电机及精密行星减速机组成。

伺服电机通过同步带轮驱动空心主轴旋转，从而带动气囊旋转。空心轴中空，上端部设计有管螺纹可与气动旋转接头相连，下端部设计有输出法兰和密封圈。气囊夹持头通过法兰安装固定在空心主轴上。根据被抛光光学镜面口径需要更换不同尺寸的气囊。

气囊抛光装置的前端装有气压可控的柔性气囊，该柔性气囊由橡胶气囊、气囊保持架、金属固定环等组成，并通过气囊保持架和自转轴与气压控制系统连接。为协调充气下气囊的抗变形能力与柔性之间的关系，气囊部分由橡胶气囊、抛光膜层及加强布层组成。加强层采用抗拉强度较高、厚度很薄的纤维布，抛光膜层选用聚氨酯抛光垫。

气囊抛光技术的工作原理如图7，气囊头内部压力由气泵提供，并通过电气比例阀调节压力大小，抛光系统的X、Y、A、B、C轴均有步进电机控制，并与数控系统相连，根据被抛光工件的面形检验结果制定运动抛光轨迹，将运动轨迹转化为运动控制程序，输入数控系统，数控系统控制抛光头在三维空间内平移和旋转。

结合MATLAB软件，研发离线编程软件，输入镜面参数、进动角、初始压力等参数，即可完成轨迹输入到控制程序生成，程序控制数控系统进动自动抛光，达到收敛面形的目的。程序生成流程如图8。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述适用于大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.针对不同的异形离轴非球面镜的结构与参数，选择合适的气囊抛光头；

⑵.针对不同的面形检测结果设计对应的抛光轨迹；

⑶.根据抛光轨迹生成二维坐标G代码（X、Y轴坐标值）；

⑷.根据非球面面形检验结果确定气囊压力；

⑸.根据非球面面形检验结果确定主轴转速；

⑹.根据非球面面形检验结果确定气囊倾斜角度；

⑺.根据步骤⑵-⑹的参数进行坐标反解；

⑻ .将反解坐标整理成四轴G代码（X、Y、A、C轴坐标值）；

⑼.将四轴G代码输入数控机床；

⑽.自动抛光。

以上步骤⑵-⑹的编号不等于前后顺序。

本发明Z轴采用配重浮动结构，气囊抛光头始终以固定的压力浮在工件表面，可有效消除其他结构小磨头或者气囊结构由于Z轴异常或者对刀失误对工件的损伤，安全性好。本系统结构为传统磨镜机的坐式结构，可有效消除其他抛光系统结构卧式结构及龙门结构存在的被抛光镜面口径尺寸限制，以及精度不高的问题。克服了现有技术研抛收敛效率低、工具无法实现与抛光面的仿形接触、存在边缘效应、设备昂贵，运营成本很高等不足；通过综合分析气囊抛光技术优势及气囊抛光机床发展状况选用全软件数控系统作为开发工具，结合德国西门子公司的828D数控系统，将气囊抛光技术与传统1.5米磨镜机融为一体，采用六轴四联动数控技术，通过坐标变换及坐标反解，将二维平面运动轨迹转化为四轴G代码精准控制气囊抛光头空间位置，确保抛光过程中气囊旋转轴线与被抛光区域局部法线成固定角度（即进动角不变）实现对大口径离轴非球面光学元件的均匀、高效抛光。

研究机构	适用范围	可加工镜面尺寸mm	总结
				伦敦光学实验室	轴对称/离轴非球面光学镜面加工	1200	性能优异，但是价格昂贵，并且技术对我国保密严格保密。
浙江工业大学	模具加工	×	不适用于光学镜面抛光。
				厦门大学	轴对称光学镜面加工	320	卧式结构，由于结构限制，只能抛光小口径镜面，且不适用于离轴非球面抛光。
哈尔滨工业大学	轴对称光学镜面加工	100	卧式结构，由于结构限制，只能抛光小口径镜面，且不适用于离轴非球面抛光。
				本案	轴对称/离轴非球面光学镜面加工	1500	价格经济，传统坐式结构，结构稳定性好，精度高，适用于大口径镜面抛光，且适用于离轴非球面抛光。

附图说明

图1a、图1b分别为大口径异形离轴非球面镜（光学面与背面）示意图；

图2a、图2b为气囊抛光运动简图；

图3为气囊抛光设备总体结构示意图；

图4为气囊抛光装置结构示意图；

图5为柔性气囊（气囊抛光头）结构示意图；

图6为柔性气囊（气囊抛光头）结构图；

图7为气囊抛光技术工作原理图；

图8为程序生成流程图。

具体实施方式

实施例1，适用于大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，参照图3、图4、图5：本系统以传统1.5米磨镜机为载体，气囊抛光装置由气囊抛光头、双摆头结构组成，所述气囊抛光装置采用配重浮动结构，悬挂于配重杆前端，可在数控导轨的带动下在X、Y方向进行直线进给；所述气囊抛光头20由抛光伺服电机12、空心主轴18、气囊夹持头19、方形轴套16、上轴承座15、下轴承座17组成；所述双摆头结构由L型支架7、C型支架8、C轴伺服电机10及精密行星减速机、A轴伺服电机5及精密行星减速机组成；所述抛光伺服电机12通过同步带14、同步带轮13驱动空心主轴18旋转，从而带动气囊20旋转。气囊20在本实施例中为橡胶气囊23，由抛光膜层21及加强布层22组成。参照图7：气泵24提供的压缩空气通过气压控制系统25输送给气囊抛光工具26，对工件28进行抛光。计算机27与数控系统29控制整个工艺流程。参照图1、图2：气囊旋转轴1围绕A点法线2摆动，形成气囊转轴锥面3。图中：被抛光镜面4， A轴伺服电机5，A轴精密行星齿轮6，B轴伺服电机9，C轴伺服电机10,C轴精密行星齿轮11,气囊夹持头19。

Claims (7)

1.一种大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，以磨镜机为载体，其特征在于：抛光系统由数控系统、气囊抛光装置，及配重结构组成，所述气囊抛光装置由柔性气囊以及双摆头结构组成，采用配重浮动结构悬挂于配重杆前端，始终以固定的压力浮在被抛光镜面，同时可在数控导轨的带动下在X、Y方向进行直线进给；所述气囊抛光装置由抛光伺服电机、空心主轴、气囊夹持头、方形轴套、上下轴承座组成；所述双摆头结构由L型支架、C型支架、C轴伺服电机及精密行星减速机、A轴伺服电机及精密行星减速机组成；所述抛光伺服电机通过同步带轮驱动所述空心主轴旋转，从而带动柔性气囊旋转。

2.根据权利要求1所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，其特征在于，气囊抛光系统为六轴四联动抛光机床，系统X、Y、A、B、轴由数控系统控制联动，Z轴采用配重浮动结构，柔性气囊始终以固定的压力浮在镜面表面，自适应镜面面形起伏变化。

3.根据权利要求1所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，其特征在于，气囊抛光系统采用抛光机床坐式结构，镜面水平装夹于工作台上，工作台可以做垂直翻转，便于加工中的在线检验。

4.根据权利要求1所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，其特征在于，所述空心主轴中空，上端部设计有管螺纹可与气动旋转接头相连，下端部设计有输出法兰和密封圈；所述气囊夹持头通过法兰安装固定在该空心主轴上。

5.根据权利要求1所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，其特征在于，所述气囊抛光装置的前端装有气压可控的柔性气囊，该柔性气囊由橡胶气囊、气囊保持架、金属固定环组成，并通过气囊保持架和自转轴与气压控制系统连接。

6.根据权利要求1-5之一所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统，其特征在于，所述柔性气囊由橡胶气囊、抛光膜层及加强布层组成；所述加强层采用抗拉强度高、厚度很薄的纤维布，所述抛光膜层选用聚氨酯抛光垫。

7.权利要求1所述的大口径异形离轴非球面镜的气囊抛光系统的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.针对不同的异形离轴非球面镜的结构与参数，设计对应的抛光工艺路径；

⑵.根据抛光工艺路径生成二维坐标G代码；

⑶.根据待加工镜的结构参数选择确定曲面方程；

⑷.根据抛光工艺路径确定气囊压力；

⑸.根据抛光工艺路径确定主轴转速；

⑹.根据抛光工艺路径确定气囊倾斜角度；

⑺.根据步骤⑵-⑹的参数进行坐标反解；

⑻.将反解坐标整理成四轴G代码；

⑼.将四轴G代码输入数控机床；

⑽.自动抛光；

以上步骤⑵-⑹的编号不等于前后顺序。

Images