CN109531424B - 抛光盘包络式修整方法及其装置 - Google Patents

抛光盘包络式修整方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可实现大口径平面抛光机的抛光盘高效高精度修整的包络式修整方法及其装置，首先选用较大的切削用量对抛光盘进行快速去除，去除表面大尺度的形状误差，使抛光盘的表面形状误差≤30μm；然后根据修整后的盘面形状来调节修整过程中Z轴的竖向补偿量，进一步提高抛光盘的形状精度到≤10μm；最后对抛光盘表面进行精细匀滑修整，并达到满足使用要求的形状精度。本发明基于超精密铣削原理，采用小口径式的修整盘对抛光盘进行修整，其运动方式结合了全口径式修整方法和小工具式修整方法的优点，实现了米级平面抛光盘的高精度修整，不仅提高了修整精度，也提高了修整效率，为大口径平面光学元件的面形收敛提供了一种有效的控制方法。

Description

抛光盘包络式修整方法及其装置
技术领域
本发明涉及光学加工技术领域，尤其涉及一种大口径平面抛光机的抛光盘修整方法及其装置。
背景技术
光学元件的抛光过程主要依靠抛光盘与元件之间的相对运动及化学侵蚀作用实现材料去除，因此，抛光盘的特性及形状精度对元件材料去除有决定性的影响。随着抛光的不断进行，聚氨酯等材料的抛光盘会有表层微孔堵塞及釉化的现象，不利于抛光表面质量及加工效率，为保持抛光盘的长周期加工能力，需要定期对抛光盘进行修整。
传统的大口径平面抛光机的抛光盘修整方法有两类，一种是全口径式修整方法，即采用与抛光盘半径相等或略大尺寸的金刚石修整器对抛光盘进行修整，修整***的结构刚性好，能快速去除并达到稳定的修整效果，但该方法受限于修整器的空间姿态精度，修整器与抛光盘之间有固有的倾斜角度，修整后的表面形状精度较差，且可控性低，不利于工程应用和加工精度的进一步提高；另一种方法是小工具式修整方法，即采用小口径金刚石盘对抛光盘进行局部去除，并通过小工具和抛光盘的插补运动，实现抛光盘的全局确定性修整，该方法的修整精度主要依赖于轨迹规划，相对于全口径式修整提高了抛光盘精度，但该方法抛光盘形状分布不匀滑且效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现大口径平面抛光机的抛光盘高效高精度修整的包络式修整方法及其装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：抛光盘包络式修整方法，首先假设为0，然后选用较大的切削用量对抛光盘进行快速去除，去除表面大尺度的形状误差，使抛光盘的表面形状误差达到/>然后根据修整后的盘面形状/>来调节修整过程中Z轴的竖向补偿量，进一步提高抛光盘的形状精度到/>最后对抛光盘表面进行精细匀滑修整，并达到满足使用要求的形状精度/>
抛光盘包络式修整方法，该方法包括以下步骤：
1)采用双频激光干涉仪或其它设备检测得到本发明的抛光盘包络式修整装置的第一导轨的直线度误差及第一导轨与抛光盘的平行度误差/>
2)对抛光盘进行快速修整，修整时抛光盘匀速转动，而修整器高速转动，并沿X方向缓慢平移；
3)采用激光位移传感器测量得到抛光盘的形状精度
4)对抛光盘进行精修，精修时抛光盘匀速转动，修整器高速转动，并沿X方向缓慢平移，修整器在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨的空间位置误差和抛光盘的形状误差/>上下移动量/>其中ap为对刀值；
5)采用激光位移传感器测量得到抛光盘的形状精度
6)对抛光盘进行精修，精修时抛光盘匀速转动，修整器高速转动，并沿X方向缓慢平移，修整器在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨的空间位置误差和抛光盘的形状误差/>上下移动量/>其中ap为对刀值；
7)采用激光位移传感器测量得到抛光盘的形状精度并判断其是否满足使用要求，若满足则停止修整，若不满足则返回步骤4再次进行精修。
进一步的，步骤2、步骤4和步骤6中所述的匀速转动的速度为1-10rpm；所述的高速转动的速度为100-200rpm；所述的缓慢平移的速度为修整器转动一圈平移的距离小于或等于修整器的直径。
进一步的，步骤2的切削量设置为40-60μm；步骤4的切削量设置为不超过10μm；步骤6的切削量设置为不超过5μm。
进一步的，修整器上上各金刚石颗粒相对于抛光盘的修整轨迹为：
上式中，r为金刚石颗粒距离修整器旋转轴心的距离，s为修整器的转速，C为抛光盘的转速，f为修整器的平移进给速度，ap为修整器的对刀值，为第一导轨的空间位置误差，/>为抛光盘的形状误差。
抛光盘包络式修整方法的修整装置，包括支撑座、横梁、第一导轨、第一丝杆、第一电机，所述横梁设置在两个支撑座上，在所述横梁上设置有第一导轨、第一丝杆和第一电机，还包括修整***，所述修整***包括第二导轨、第二丝杆、第二电机、修整轴箱和修整器，所述第二导轨设置在第一丝杆上，并通过第一电机驱动第一丝杆旋转带动修整***沿着第一导轨左右平移运动；在所述第二导轨上设置有第二丝杆和第二电机，所述修整轴箱设置在第二丝杆上，并通过第二电机驱动第二丝杆旋转带动修整轴箱沿着第二导轨上下垂直运动；在所述修整轴箱下端设置有修整器，所述修整器通过修整轴箱内部的高速电机驱动，在所述修整器上设置有多个金刚石颗粒。
本发明的有益效果是：本发明基于超精密铣削原理，采用小口径式的修整盘对抛光盘进行修整，其运动方式结合了全口径式修整方法和小工具式修整方法的优点，修整器固定在修整轴箱上，修整精度主要与机床的精度和运动控制方式有关；本发明的包络式修整方法实现了米级平面抛光盘的高精度修整，不仅提高了修整精度，也提高了修整效率，为大口径平面光学元件的面形收敛提供了一种有效的控制方法；本发明针对直径1700mm的聚氨酯抛光盘，可在数小时内修整至8μm；本发明可以实现平面抛光盘的快速修整，能够适应不同尺寸抛光盘的修整要求，修整操作简单，稳定性好。
附图说明
图1是本发明装置的立体图。
图2是本发明装置的主视图。
图3是图2的侧视图。
图4是本发明方法的原理图。
图5是本发明方法的流程图。
图6是本发明实施例的抛光盘的初始形状图。
图7是本发明实施例的步骤1测得的第一导轨的直线度误差
图8是本发明实施例的步骤1测得的抛光盘的平行度误差
图9是本发明实施例的步骤3抛光盘快速修整后的形状图。
图10是本发明实施例的步骤4修整器的上下移动量Z值。
图11是本发明实施例的抛光盘的精修后的形状图。
图12是本发明实施例的步骤6修整器的上下移动量Z值。
图13是本发明实施例的抛光盘的修整完成后的形状图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的抛光盘包络式修整装置包括支撑座1、横梁2、第一导轨3、第一丝杆4、第一电机5和修整***，其中，横梁2设置在两个支撑座1上，在横梁2上设置有第一导轨3、第一丝杆4和第一电机5；修整***包括第二导轨6、第二丝杆7、第二电机8、修整轴箱9和修整器10，其中，第二导轨6设置在第一丝杆4上，并通过第一电机5驱动第一丝杆4旋转从而带动修整***整体沿着第一导轨3左右平移运动；在第二导轨6上设置有第二丝杆7和第二电机8，修整轴箱9设置在第二丝杆7上，并通过第二电机8驱动第二丝杆7旋转从而带动修整轴箱9沿着第二导轨6上下垂直运动，运动的重复定位精度达到微米级；在修整轴箱9下端设置有修整器10，修整器10通过修整轴箱9内部的高速电机驱动，修整器10上设置有多个金刚石颗粒，修整器10直径一般为100mm，可对下方的抛光盘11进行修整。
上述修整装置采用刚性高的结构，抛光盘11的修整过程可以看作超精密的铣削过程，修整器10上的各金刚石颗粒的运动轨迹包络面即为修整后的抛光盘工作面。本发明通过控制修整器10的运动轨迹来实现抛光盘形状的主动控制。本发明方法的原理图如图4所示，修整器上10上各金刚石颗粒相对于抛光盘11的修整轨迹为：
上式中，r为金刚石颗粒距离修整器10旋转轴心的距离，s为修整器10的转速，C为抛光盘11的转速，f为修整器10的平移进给速度(即：沿X方向的速度)，ap为修整器10的对刀值，为第一导轨3的空间位置误差，即：第一导轨3的直线度误差/>及第一导轨3与抛光盘11的平行度误差/>之和/> 为抛光盘11的形状误差。
本发明方法首先假设为0，然后选用较大的切削用量对抛光盘11进行快速去除，去除表面大尺度的形状误差，使抛光盘11的表面形状误差达到/> 然后根据修整后的盘面形状/>来调节修整过程中Z轴的竖向补偿量，进一步提高抛光盘11的形状精度到/>最后对抛光盘11表面进行精细匀滑修整，并达到满足使用要求的形状精度如图5所示。
本发明的包络式修整方法包括以下步骤：
1)采用双频激光干涉仪或其它设备检测得到本发明的抛光盘包络式修整装置的第一导轨3的直线度误差及第一导轨3与抛光盘11的平行度误差/>
2)对抛光盘11进行快速修整，修整时抛光盘11匀速转动，匀速转动速度最好为1-10rpm，而修整器10高速转动，高速转动速度最好为100-200rpm，并沿X方向缓慢平移，缓慢平移速度为修整器10转动一圈平移的距离小于或等于修整器10的直径，切削量一般可设置为40-60μm；
3)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度
4)对抛光盘11进行精修，精修时抛光盘11匀速转动，匀速转动速度最好为1-10rpm，修整器10高速转动，高速转动速度最好为100-200rpm，并沿X方向缓慢平移，缓慢平移速度为修整器10转动一圈平移的距离小于或等于修整器10的直径，修整器10在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨3的空间位置误差和抛光盘11的形状误差上下移动量/>其中ap为对刀值，ap的设定要保证切削量不超过10μm；
5)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度具体测量方法可以采用103954237A所公开的方法；
6)对抛光盘11进行精修，精修时抛光盘11匀速转动，匀速转动速度最好为1-10rpm，修整器10高速转动，高速转动速度最好为100-200rpm，并沿X方向缓慢平移，缓慢平移速度为修整器10转动一圈平移的距离小于或等于修整器10的直径，修整器10在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨3的空间位置误差和抛光盘11的形状误差上下移动量/>其中ap为对刀值，ap的设定要保证切削量不超过5μm；
7)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度并判断其是否满足使用要求，若满足则停止修整，若不满足则返回步骤4再次进行精修。
实施例：
采用本发明的包络式修整方法对抛光盘11进行修整，该抛光盘11的初始形状PV为106μm，如图6所示，修整包括以下步骤：
1)采用双频激光干涉仪或其它设备检测得到本发明的抛光盘包络式修整装置的第一导轨3的直线度误差及第一导轨3与抛光盘11的平行度误差/>如图7-8所示；
2)对抛光盘11进行快速修整，修整时抛光盘11以1rpm的速度匀速转动，而修整器10以200rpm的速度高速转动，并沿X方向以80mm/min缓慢平移，切削量设置为40μm；
3)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度为30μm，如图9所示；
4)对抛光盘11进行精修，精修时抛光盘11以1rpm的速度匀速转动，修整器10以100rpm的速度高速转动，并沿X方向以60mm/min缓慢平移，修整器10在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨3的空间位置误差和抛光盘11的形状误差/>上下移动量/>如图10所示，其中ap为对刀值，切削量为10μm；
5)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度为8μm，如图11所示；
6)对抛光盘11进行精修，精修时抛光盘11以1rpm的速度匀速转动，修整器10以100rpm的速度高速转动，并沿X方向以60mm/min缓慢平移，修整器10在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨3的空间位置误差和抛光盘11的形状误差/>上下移动量/>如图12所示，其中ap为对刀值，切削量为4μm；
7)采用激光位移传感器测量得到抛光盘11的形状精度为8μm，如图13所示，满足使用要求，停止修整。
本发明提供了一种大口径平面抛光盘的包络式修整装置及其方法，通过控制小口径修整器的运动轨迹实现修整形状的主动可控，平面抛光盘的修整精度实现了大幅度提高。

Claims (9)

1.抛光盘包络式修整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采用双频激光干涉仪或其它设备检测得到抛光盘包络式修整装置的第一导轨(3)的直线度误差及第一导轨(3)与抛光盘(11)的平行度误差/>
2)对抛光盘(11)进行快速修整，修整时抛光盘(11)匀速转动，而修整器(10)高速转动，并沿X方向缓慢平移；
3)采用激光位移传感器测量得到抛光盘(11)的形状精度
4)对抛光盘(11)进行精修，精修时抛光盘(11)匀速转动，修整器(10)高速转动，并沿X方向缓慢平移，修整器(10)在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨(3)的空间位置误差和抛光盘(11)的形状误差/>上下移动量/>其中ap为对刀值；
5)采用激光位移传感器测量得到抛光盘(11)的形状精度
6)对抛光盘(11)进行精修，精修时抛光盘(11)匀速转动，修整器(10)高速转动，并沿X方向缓慢平移，修整器(10)在平移的同时沿Z方向进行上下移动，以补偿第一导轨(3)的空间位置误差和抛光盘(11)的形状误差/>上下移动量/>其中ap为对刀值；
7)采用激光位移传感器测量得到抛光盘(11)的形状精度并判断其是否满足使用要求，若满足则停止修整，若不满足则返回步骤4再次进行精修。
2.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤2、步骤4和步骤6中所述的匀速转动的速度为1-10rpm。
3.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤2、步骤4和步骤6中所述的高速转动的速度为100-200rpm。
4.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤2、步骤4和步骤6中所述的缓慢平移的速度为修整器(10)转动一圈平移的距离小于或等于修整器(10)的直径。
5.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤2的切削量设置为40-60μm。
6.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤4的切削量设置为不超过10μm。
7.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，步骤6的切削量设置为不超过5μm。
8.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，修整器(10)上各金刚石颗粒相对于抛光盘(11)的修整轨迹为：
上式中，r为金刚石颗粒距离修整器(10)旋转轴心的距离，s为修整器(10)的转速，C为抛光盘(11)的转速，f为修整器(10)的平移进给速度，ap为修整器(10)的对刀值，为第一导轨(3)的空间位置误差，/>为抛光盘(11)的形状误差。
9.如权利要求1所述的抛光盘包络式修整方法，其特征在于，所述抛光盘包络式修整装置，包括支撑座(1)、横梁(2)、第一导轨(3)、第一丝杆(4)、第一电机(5)，所述横梁(2)设置在两个支撑座(1)上，在所述横梁(2)上设置有第一导轨(3)、第一丝杆(4)和第一电机(5)，其特征在于，还包括修整***，所述修整***包括第二导轨(6)、第二丝杆(7)、第二电机(8)、修整轴箱(9)和修整器(10)，所述第二导轨(6)设置在第一丝杆(4)上，并通过第一电机(5)驱动第一丝杆(4)旋转带动修整***沿着第一导轨(3)左右平移运动；在所述第二导轨(6)上设置有第二丝杆(7)和第二电机(8)，所述修整轴箱(9)设置在第二丝杆(7)上，并通过第二电机(8)驱动第二丝杆(7)旋转带动修整轴箱(9)沿着第二导轨(6)上下垂直运动；在所述修整轴箱(9)下端设置有修整器(10)，所述修整器(10)通过修整轴箱(9)内部的高速电机驱动，在所述修整器(10)上设置有多个金刚石颗粒。
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