CN103192305A

CN103192305A - 一种非球面光学元件的点接触抛光装置及方法

Info

Publication number: CN103192305A
Application number: CN2013100872922A
Authority: CN
Inventors: 陈耀龙; 张川; 陈晓燕
Original assignee: BEIJING LONG ORIGINAL TECHNOLOGY Co Ltd; Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Current assignee: BEIJING LONG ORIGINAL TECHNOLOGY Co Ltd; Suzhou Academy of Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-07-10

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元件的点接触抛光装置，包括工具柄和磨抛盘基体，所述工具柄用于连接磨抛盘基体并可安装在数控加工设备的工具轴上，或者将磨抛盘基体与工具柄合为一个整体，作为一个独立的抛光装置，所述磨抛盘基体上粘贴有抛光膜；公开了一种非球面光学元件的点接触抛光方法，使磨抛盘与待加工工件以点接触的方式接触，由数控加工设备精确定位磨抛盘在抛光加工过程中的位置以及两者之间的接触压力，从而实现确定量加工；将该装置应用在中国专利（ZL200810103309.8）中提到的磨床上，与专有的工艺软件配合使用，能够达到提高加工精度及加工效率、降低生产成本的目的。

Description

一种非球面光学元件的点接触抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非球面光学元件的点接触抛光装置及抛光工艺方法。

背景技术

非球面光学元件相对于球面光学元件具有巨大的优势，在现代社会的各个领域都对非球面光学元件具有巨大的需求。因此，如何高精度高效率地进行非球面元件的加工成为当今社会亟待解决的问题。

目前，成熟的非球面光学元件数控抛光技术主要应用在大口径的光学元件加工中，诸如基于小研抛盘工具的数控光学表面成形技术、应力盘抛光技术、离子束抛光技术、磁流变抛光技术等等。如上所述的数控加工技术，其加工的面形精度非常高，均能达到优于λ/10 的精度，但是其加工成本对于应用范围越来越广泛的非球面光学元件加工而言，却是无法承受的。大口径非球面光学元件的加工已经基本上摆脱了手工加工的方式。

对于中小口径的非球面光学元件，现阶段仍是手工加工及数控加工的并存状态。手工加工对工人的经验有较高的要求，加工精度较高，具有丰富经验的加工工人加工出来的元件的面形精度同样能达到λ/10 的程度，但是加工效率低下，很难适应社会对非球面光学元件的需求；而中小口径非球面光学元件的数控加工技术普遍采用模压成形、注塑成形等技术，这些数控技术的加工效率相当高，但是因为其加工原理均属于复制加工范畴，加工精度在很大程度上受限模具的精度，而且其可加工材料也有一定的局限性。

发明内容

本发明目的是：提供一种适用于非球面光学元件数控抛光加工的加工工艺及与之相对应的磨抛装置，在中国专利（ZL 200810103309.8）中提到的磨床上，与专有的工艺软件配合使用，能够达到提高加工精度及加工效率、降低生产成本的目的。

本发明的技术方案是：一种非球面光学元件的点接触抛光装置，包括工具柄和磨抛盘基体，所述工具柄用于连接磨抛盘基体并可安装在数控加工设备的工具轴上，或者将磨抛盘基体与工具柄合为一个整体，作为一个独立的抛光装置，所述磨抛盘基体上粘贴有抛光膜，所述磨抛盘基体可以是碗形磨抛盘基体或球形磨抛盘基体。

优选的，所述工具柄底部有突出的磨抛盘连接杆，用于跟所述磨抛盘基体顶部凹陷的磨抛盘定位接口进行配合，将工具柄和磨抛盘基体连接固定后，所述磨抛盘连接杆被压入磨抛盘定位接口中，两者之间不出现空隙。从而保证所述磨抛盘基体、工具柄的同轴度。

优选的，所述工具柄和磨抛盘基体上都设有螺纹接口，两者通过螺钉连接固定。所述螺钉优选为内六角螺钉。既保证两者间的连接可靠性，又方便安装维护。

优选的，所述磨抛盘基体可以是碗形磨抛盘基体，外形为圆筒形，底端为圆弧状，所述碗形磨抛盘基体包括顶部向下凹陷的碗形磨抛盘定位接口，碗形磨抛盘基体下部圆弧处用于粘贴抛光膜；所述碗形磨抛盘基体底端圆弧的曲率半径为r ₁ ，修整后的抛光膜表面截面曲线为一精确的圆弧，圆弧曲率半径为r ₂ ，抛光膜厚度为h，满足r ₂ = r ₁ +h。

优选的，所述磨抛盘基体可以是球形磨抛盘基体，外形为球形或是球的一部分，所述球形磨抛盘基体包括顶部向下凹陷的球形磨抛盘定位接口，所述抛光膜粘贴在球面上；所述球形磨抛盘基体的球面曲率半径为r ₃ ，修整后的抛光膜球面曲率半径为r ₄ ，抛光膜厚度为h，满足r ₄ = r ₃ +h。

一种非球面光学元件的点接触抛光方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将磨抛盘连接杆压入磨抛盘定位接口中，并通过螺钉将两者固定，使磨抛盘连接杆与磨抛盘定位接口之间不出现间隙；

（2）采用粘结剂将抛光膜粘贴于磨抛盘基体上，待粘贴剂凝固后对抛光膜的圆弧曲率半径进行修整；

（3）修整时，将磨抛装置安装在数控加工设备的工件轴上，将修整砂轮安装在数控加工设备的工具轴上，采用点接触方式对抛光膜的圆弧曲率半径进行修整，使抛光膜上的圆弧曲率半径处处一致；

（4）使用时，将磨抛装置安装在数控设备的工具轴上，待加工工件安装在数控设备的工件轴上，在磨抛的加工过程中，首先将待加工非球面的相关参数及磨抛装置的尺寸数据输入工艺软件，并生成数控NC文件，磨抛装置及待加工工件即可在数控设备的控制下，使得在任意加工位置上，磨抛装置与待加工工件均在P 点处实现接触，且P点相对于待加工工件的运动轨迹完全吻合于待加工非球面的子午截面曲线。

优选的，若待加工工件为凸面且采用外抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜的外侧圆弧进行修整；若待加工工件为凸面且采用内抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜的内侧圆弧进行修整；若待加工工件为凹面，则只需对抛光膜的外侧圆弧进行修整；也可同时对抛光膜的外侧圆弧及内侧圆弧进行修整。所述修整工具可以是切削刃几何形状不确定的砂轮或者切削刃几何形状确定的铣刀盘。所述抛光膜可依据待加工工件的材料进行选取，抛光膜裁剪形状可任意，以粘贴方便、紧固为准则。

优选的，使用时，磨抛装置安装在数控设备的工具轴上，可绕工具轴轴线转动，以及绕工具轴摆动中心B点摆动，而且磨抛装置可在水平方向上进给；待加工工件安装在数控设备的工件轴上，可绕工件轴轴线转动，待加工工件可在竖直方向上进给，由数控加工设备控制各个加工位置上磨抛盘基体的进给速度及待加工工件的转速。即可以保证在各个加工位置上磨抛盘与工件之间的接触压力恒定，保证了恒定的去除量，进而实现确定量加工。

优选的，所述碗形磨抛盘基体底端圆弧的曲率半径为r ₁ ，修整后的抛光膜表面截面曲线为一精确的圆弧，圆弧曲率半径为r ₂ ，抛光膜厚度为h，满足r ₂ = r ₁ +h；所述球形磨抛盘基体的球面曲率半径为r ₃ ，修整后的抛光膜球面曲率半径为r ₄ ，抛光膜厚度为h，满足r ₄ = r ₃ +h。

本发明的优点是：

1. 本发明装置中的抛光膜表面的曲率半径可以实现在位精确修整；点接触的加工方式可以保证各种曲面均可加工。

2. 本发明由数控加工设备控制各个加工位置上磨抛盘基体的进给速度及待加工工件的转速，即可以保证在各个加工位置上磨抛盘与工件之间的接触压力恒定，保证了恒定的去除量，进而实现确定量加工。

3. 本发明中独立的工具柄具有通用性，从而降低了装置的加工成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明磨抛装置的第一实施例的结构图；

图2 为工具柄的结构图；

图3 为碗形磨抛盘基体的结构图；

图4 是碗形磨抛盘进行抛光膜修整的示意图；

图5 是采用第一实施例对凸面元件进行外抛加工的示意图；

图6 是采用第一实施例对凸面元件进行内抛加工的示意图；

图7 是采用第一实施例对凹面元件进行磨抛加工的示意图；

图8 是本发明磨抛装置的第二实施例的结构图；

图9 是图8 中球形磨抛盘基体的结构图；

图10 是采用第二实施例对凸面元件进行磨抛加工的示意图；

图11 是采用第二实施例对凹面元件进行磨抛加工的示意图。

其中：1、工具柄；11、磨抛盘连接杆；2、碗形磨抛盘基体；21、碗形磨抛盘定位接口；3、抛光膜；31、外侧圆弧；32、内侧圆弧；4、螺钉；5、球形磨抛盘基体；51、球形磨抛盘定位接口；6、修整砂轮；7、待加工工件；100、磨抛装置。

具体实施方式

实施例一：如图1所示，工具柄1下部设有磨抛盘连接杆11，可压入碗形磨抛盘基体2上部的碗形磨抛盘定位接口21 中。安装时，将磨抛盘连接杆11压入碗形磨抛盘定位接口21中，并与碗形磨抛盘基体2固定，使得磨抛盘连接杆11与碗形磨抛盘定位接口21之间不出现间隙。其中，工具柄1 通过任意一种扳手接口，如内三角、内四角、内六角、双孔接口等与碗形磨抛盘基体2紧固，由此既保证两者间的连接可靠性，又方便安装维护。

碗形磨抛盘基体2下部圆弧处用于粘贴抛光膜3。抛光膜3可依据待加工工件7的材料进行选取，抛光膜3裁剪形状可任意，以粘贴方便、紧固为准则。采用粘结剂将抛光膜3粘贴于碗形磨抛盘基体2下部的圆弧处，粘贴高度以粘贴紧固为准则。

装配时，首先将磨抛盘连接杆11压入碗形磨抛盘定位接口21中，优选地通过内六角螺钉与碗形磨抛盘基体2固定，使得磨抛盘连接杆11与碗形磨抛盘定位接口21之间不出现间隙；再在裁剪好的抛光膜3一面涂抹粘结剂粘贴于碗形磨抛盘基体2下部的圆弧处，待粘结剂凝固后，即完成加工准备。

按照上述结构并装配后，即可对磨抛装置100进行抛光膜3的修整。将磨抛装置100安装在数控加工设备的工件轴上，将修整砂轮6安装在数控加工设备的工具轴上，采用点接触方式对抛光膜3圆弧曲率半径进行修整。若待加工工件7为凸面且采用外抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜3的外侧圆弧31进行修整；若待加工工件7为凸面且采用内抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜3的内侧圆弧32进行修整；若待加工工件7为凹面，则只需对抛光膜3的外侧圆弧31进行修整；也可同时对抛光膜3的外侧圆弧31及内侧圆弧32进行修整。经过修整后的抛光膜3的圆弧曲率半径处处一致，提高了磨抛加工时的定位精度及加工精度。

如图5所示为采用本实施例一对凸面元件进行外抛加工的示意图。在使用过程中，磨抛装置100安装在数控设备的工具轴上，可绕工具轴轴线转动，及绕工具轴摆动中心B点摆动，而且磨抛装置100可在水平方向上进给；待加工工件7安装在数控设备的工件轴上，可绕工件轴轴线转动，工件可在竖直方向上进给。在外抛的加工方式中，P点位于抛光膜3外侧区域。在磨抛的加工过程中，首先将待加工非球面的相关参数及磨抛装置100的尺寸数据输入工艺软件，并生成数控NC文件，磨抛装置100及待加工工件7即可在数控设备的控制下，使得在任意加工位置上，磨抛装置100与待加工工件7均在P点处实现接触，且P点相对于工件的运动轨迹完全吻合于待加工非球面的子午截面曲线。

如图6所示为采用本实施例一对凸面元件进行内抛加工的示意图。与外抛加工方式所不同的是，在内抛的加工方式中，P点位于抛光膜3的内侧区域。

如图7所示为采用本实施例一对凹面元件进行磨抛加工的示意图。

实施例二：如图8所示，本实施例的磨抛装置100包括工具柄1和球形磨抛盘基体5，所述工具柄1与实施例一中的相同，所述球形磨抛盘基体5如图9所示，所述工具柄1用于安装球形磨抛盘基体5；所述球形磨抛盘基体5用于贴附抛光膜3；所述抛光膜3用于以P点作为指定接触点与工件（图未示）接触实现磨抛加工。本实施例的装配流程及对抛光膜的修整与第一实施例相同。

本实施例中，球形磨抛盘基体5采用了球形外观，此外形的优点在于指定接触点P的位置选择范围较第一实施例大，因此P点的线速度范围也较大，有利于磨抛加工。与第一实施例不同的是，采用第二实施例进行加工时，凸面元件只能采用外抛的方式进行加工。

如图10、图11所示，分别为采用本实施例二对凸面元件、凹面元件进行磨抛加工的示意图。

可以理解的是，无论是采用第一实施例还是第二实施例，由于是点接触的加工方式，在指定接触点P处及其附近区域内会出现持续的磨损，在出现磨损后，加工精度必然会出现下降。此时，可以通过改变指定接触点P在抛光膜3上的位置或重新对抛光膜3进行修整来恢复加工精度。优选地采用更改接触点P的位置，由于通过修整，抛光膜3的圆弧形状是标准的圆，P点在圆弧上任意位置，其与圆弧中心的距离关系都是唯一确定的。更改接触点P的位置可以避免对抛光膜3的反复修整，提高抛光膜3的利用率。在多次更改指定接触点P的位置后，为了保证加工精度，则必须对抛光膜3进行再次修整。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非球面光学元件的点接触抛光装置，其特征在于：包括工具柄（1）和磨抛盘基体，所述工具柄（1）用于连接磨抛盘基体并可安装在数控加工设备的工具轴上，所述磨抛盘基体上粘贴有抛光膜（3），所述磨抛盘基体可以是碗形磨抛盘基体（2）或球形磨抛盘基体（5）。

2.根据权利要求1所述的一种非球面光学元件的点接触抛光装置，其特征在于：所述工具柄（1）底部有突出的磨抛盘连接杆（11），用于跟所述磨抛盘基体顶部凹陷的磨抛盘定位接口进行配合，将工具柄（1）和磨抛盘基体连接固定后，所述磨抛盘连接杆（11）被压入磨抛盘定位接口中，两者之间不出现空隙。

3.根据权利要求1所述的一种非球面光学元件的点接触抛光装置，其特征在于：所述工具柄（1）和磨抛盘基体上都设有螺纹接口，两者通过螺钉（4）连接固定。

4.根据权利要求1所述的一种非球面光学元件的点接触抛光装置，其特征在于：所述磨抛盘基体可以是碗形磨抛盘基体（2），外形为圆筒形，底端为圆弧状，所述碗形磨抛盘基体（2）包括顶部向下凹陷的碗形磨抛盘定位接口（21），碗形磨抛盘基体（2）下部圆弧处用于粘贴抛光膜（3），所述碗形磨抛盘基体（2）底端圆弧的曲率半径为r₁，修整后的抛光膜（3）表面截面曲线为一精确的圆弧，圆弧曲率半径为r₂，抛光膜（3）厚度为h，满足r₂= r₁+h。

5.根据权利要求1所述的一种非球面光学元件的点接触抛光装置，其特征在于：所述磨抛盘基体可以是球形磨抛盘基体（5），外形为球形或是球的一部分，所述球形磨抛盘基体（5）包括顶部向下凹陷的球形磨抛盘定位接口（51），所述抛光膜（3）粘贴在球面上，所述球形磨抛盘基体（5）的球面曲率半径为r₃，修整后的抛光膜（3）球面曲率半径为r₄，抛光膜（3）厚度为h，满足r₄= r₃+h。

6.一种非球面光学元件的点接触抛光方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将磨抛盘连接杆（11）压入磨抛盘定位接口中，并通过螺钉（4）将两者固定，使磨抛盘连接杆（11）与磨抛盘定位接口之间不出现间隙；

（2）采用粘结剂将抛光膜（3）粘贴于磨抛盘基体下部的圆弧处，待粘贴剂凝固后对抛光膜（3）的圆弧曲率半径进行修整；

（3）修整时，将磨抛装置（100）安装在数控加工设备的工件轴上，将修整砂轮（6）安装在数控加工设备的工具轴上，采用点接触方式对抛光膜（3）的圆弧曲率半径进行修整，使抛光膜（3）上的圆弧曲率半径处处一致；

（4）使用时，将磨抛装置（100）安装在数控设备的工具轴上，待加工工件（7）安装在数控设备的工件轴上，在磨抛的加工过程中，首先将待加工非球面的相关参数及磨抛装置（100）的尺寸数据输入工艺软件，并生成数控NC文件，磨抛装置（100）及待加工工件（7）即可在数控设备的控制下，使得在任意加工位置上，磨抛装置（100）与待加工工件（7）均在P 点处实现接触，且P点相对于待加工工件（7）的运动轨迹完全吻合于待加工非球面的子午截面曲线。

7.根据权利要求6所述的一种非球面光学元件的点接触抛光方法，其特征在于：若待加工工件（7）为凸面且采用外抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜（3）的外侧圆弧（31）进行修整；若待加工工件（7）为凸面且采用内抛方式进行磨抛加工，则只需对抛光膜（3）的内侧圆弧（32）进行修整；若待加工工件（7）为凹面，则只需对抛光膜（3）的外侧圆弧（31）进行修整；也可同时对抛光膜（3）的外侧圆弧（31）及内侧圆弧（32）进行修整。

8.根据权利要求6所述的一种非球面光学元件的点接触抛光方法，其特征在于：使用时，磨抛装置（100）安装在数控设备的工具轴上，可绕工具轴轴线转动，以及绕工具轴摆动中心B点摆动，而且磨抛装置（100）可在水平方向上进给；待加工工件（7）安装在数控设备的工件轴上，可绕工件轴轴线转动，待加工工件（7）可在竖直方向上进给，由数控加工设备控制各个加工位置上磨抛盘基体的进给速度及待加工工件（7）的转速。

9.根据权利要求6所述的一种非球面光学元件的点接触抛光方法，其特征在于：所述碗形磨抛盘基体（2）底端圆弧的曲率半径为r₁，修整后的抛光膜（3）表面截面曲线为一精确的圆弧，圆弧曲率半径为r₂，抛光膜（3）厚度为h，满足r₂= r₁+h；所述球形磨抛盘基体（5）的球面曲率半径为r₃，修整后的抛光膜（3）球面曲率半径为r₄，抛光膜（3）厚度为h，满足r₄= r₃+h。