大氣等離子體加工大口徑非球面光學元件的對刀裝置的製作方法

2023-05-04 03:57:26

本發明屬於光學加工領域，具體涉及一種大氣等離子體加工大口徑非球面光學元件的對刀裝置。

背景技術：

隨著現代光學技術的進步和發展，對光學元件的形狀精度、加工效率及生產成本等指標要求相對於傳統光學元件有相當大的提升。大氣等離子體加工技術是近年來發展的一項創新技術，特別針對熔石英等硬脆材料的光學元件加工新方法。大氣等離子體加工技術是基於非接觸式的化學加工方法，利用射頻電源激發產生等離子體，進而電離激發通入含氟的反應氣體，產生高反應活性中性原子與工件表面材料發生化學反應，生成具有揮發性的反應產物來實現材料的高效去除，在光學元件加工中具有獨特的優勢。

在大氣等離子體加工大口徑非球面元件過程中，由於是非接觸加工方式，因此元件對刀的精度和效率直接影響等離子體加工面形精度和生產效率。目前，等離子體加工過程中元件對刀採用傳統的頂針裝調方式，工件裝調過程主要由操作人員移動工作檯，眼睛觀察頂針與工件的位置，手動記錄工件邊緣位置坐標，並計算工件中心坐標。該操作嚴重依賴操作人員的經驗和熟練程度，受人為影響較大，並且存在對刀精度和質量難以保證，操作耗時較長等問題。因此，需要一種操作更方便，對刀精度和效率更高的對刀裝置。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種高精度的大氣等離子體加工大口徑非球面光學元件的對刀裝置。

本發明解決技術問題所採用的技術方案是：大氣等離子體加工大口徑非球面光學元件的對刀裝置，包括空氣壓縮機、儲氣罐、過濾器、電磁閥、調速閥、觸發測頭、氣動滑臺、支撐架、轉接板、Z軸導軌、夾具和二維調節平臺，所述空氣壓縮機、儲氣罐、過濾器、電磁閥、調速閥和氣動滑臺之間依次通過氣管連接，所述氣動滑臺安裝在支撐架上，所述氣動滑臺端部連接觸發測頭，所述觸發測頭的上下運動由氣動滑臺帶動，所述觸發測頭設置在支撐架上，所述轉接板的一端通過軸承與Z軸導軌的端部連接，並由安裝在轉接板上的電機驅動可繞Z軸旋轉，所述轉接板的另一端通過軸承與支撐架連接，所述夾具放置於二維調節平臺上並位於觸發測頭下方。

進一步的，所述儲氣罐對空氣壓縮機產生的氣體進行能量儲存並穩定氣壓，所述過濾器濾去氣管內的微顆粒雜質。

進一步的，所述觸發測頭的運動方向和運動速率通過電磁閥和調速閥調節。

進一步的，所述轉接板的另一端通過軸承與支撐架連接，安裝在轉接板上的另一電機驅動支撐架可繞X軸轉動。

進一步的，所述觸發測頭採用三向高精度的觸發測頭。

進一步的，所述觸發測頭通過數據線與數據採集卡連接，數據採集卡通過數據線與計算機連接。

本發明的有益效果是：本發明綜合考慮對刀效率和對刀精度兩個方面的因素，採用高精度的觸發測頭替代傳統固定式頂針頭，根據觸發測頭與等離子體炬管標定的相對位置，計算機自動補償計算出等離子體炬管與光學元件的相對位置坐標。本發明減小了操作人員的經驗、觀察角度等人為因素的影響，極大地提高了光學元件的對刀精度和裝調質量，提高了操作的便利性和對刀效率，有利於提高加工質量以及工藝穩定性。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的工作示意圖。

具體實施方式

如圖1-2所示，本發明由空氣壓縮機1、儲氣罐2、過濾器3、電磁閥4、調速閥5、觸發測頭6、氣動滑臺7、支撐架10、轉接板11、Z軸導軌8、夾具13和二維調節平臺14構成。空氣壓縮機1、儲氣罐2、過濾器3、電磁閥4、調速閥5和氣動滑臺7之間依次通過氣管連接，儲氣罐2對空氣壓縮機1產生的氣體進行能量儲存並穩定氣壓，過濾器3濾去氣體管道內的微顆粒雜質，氣動滑臺7安裝在支撐架10上，氣動滑臺7端部連接三向高精度的觸發測頭6，觸發測頭6的上下運動由氣動滑臺7帶動，且運動方向和運動速率可以通過電磁閥4和調速閥5調節。

等離子體加工工具機17包括等離子體炬管9、工作檯15和計算機16。等離子體炬管9是產生等離子體射流的裝置。

觸發測頭6和等離子體炬管9都設置在支撐架10上，觸發測頭6設置在等離子體炬管9的側方，且運動方向與等離子體炬管9相同。L形轉接板11的一端通過軸承與Z軸導軌8的端部連接，並由安裝在轉接板11上的電機驅動可繞Z軸旋轉，使等離子體炬管9和觸發測頭6也可繞Z軸旋轉。L形轉接板11的另一端也通過軸承與支撐架10連接，並由安裝在轉接板11上的另一電機驅動可繞X軸轉動，使等離子體炬管9和觸發測頭6也可繞X軸轉動，用於等離子體炬管9加工時與光學元件12的法線垂直。其中，本發明所述Z軸是指豎直軸，X軸是垂直於紙面的軸，Y軸是水平軸，如圖1所示，以下同。

光學元件12通過夾具13定位夾緊，一起放置於二維調節平臺14上，並位於觸發測頭6下方，二維調節平臺14放置於等離子體加工工具機17的工作檯15上。光學元件12的運動由計算機16控制，並且運動速率連續可調。觸發測頭6通過數據線與數據採集卡連接，數據採集卡又通過數據線與計算機16連接。光學元件12與觸發測頭6接觸後，觸發測頭6會產生觸發通斷信號，觸發通斷信號經過數據採集卡處理後傳送至計算機16，計算機16內的控制軟體讀取觸發信號。

本發明採用三向高精度的觸發測頭6並結合數控程序對光學元件12進行姿態調整和空間坐標值確定。對刀時，先進行光學元件12側邊平行於水平坐標軸的調正，然後對光學元件12表面沿中心軸線對稱坐標位置的Z向進行調平，最後再通過兩邊對刀確定光學元件12的中心坐標，以及等離子體炬管9中心和光學元件12中心的位置，從而完成大口徑非球面光學元件12的高精度快速對刀。

採用本發明的裝置進行自動對刀的方法包括以下步驟：

1)打開等離子體加工工具機17的計算機16，使等離子體加工工具機17的各電機處於待工作狀態，開啟空氣壓縮機1，使出口氣體壓力維持在0.5～2Mpa，壓縮氣體通過氣管進入儲氣罐2進行穩壓，保持出口壓力在0.7～1Mpa；

2)通過夾具13對光學元件12進行裝夾，使裝夾後的光學元件12的非球面表面沿中心軸線呈對稱狀態；

3)將二維調節平臺14放置在等離子體加工工具機17的工作檯15上，將裝夾後的光學元件12放置在二維調節平臺14上，並目測使光學元件12的中心在觸發測頭6下方0～50mm範圍內；

4)通過計算機16控制觸發測頭6向下運動，並依次觸碰光學元件12沿X方向或Y方向側邊上的兩個點，通過比較兩個點的X或Y坐標值，相應調整光學元件12的位置，再次控制觸發測頭6向下運動，最後確保觸發測頭6碰觸光學元件12相同邊上的兩個點的X或Y坐標值誤差小於10μm；

5)通過計算機16控制Z軸導軌8豎直運動，帶動觸發測頭6向上運動至光學元件12上方，然後以2～5mm/s的速度向下運動依次碰觸光學元件12沿邊界對稱的四個點的位置，通過比較四個點的Z向坐標值，再通過二維調節平臺14來調節光學元件12的姿態，然後再次運行進行檢驗，最後確保觸發測頭6碰觸光學元件12的表面上沿邊界對稱的四個點的Z向坐標值誤差小於10μm；

6)通過計算機16控制觸發測頭6快速第一次碰觸光學元件12的兩對平行側邊，運動速度為10～20mm/s，並基本(大致)確定平行於Y軸兩條側邊的X坐標值X1』、X2』，以及平行於X軸兩條側邊的Y坐標值Y1』、Y2』；然後慢速第二次(再次)碰觸光學元件12的兩對平行側邊，運動速度為1～5mm/s，並精確得到平行於Y軸兩條側邊的X坐標值X1、X2，以及平行於X軸兩條側邊的Y坐標值Y1、Y2,計算機16通過運算(X1-X2)/2和(Y1-Y2)/2得到光學元件12中心的精確X、Y坐標值；

7)計算機16根據標定的等離子體炬管9與觸發測頭6之間的相對位置ΔX和ΔY，計算出光學元件12的中心與等離子體炬管9的中心之間的坐標位置(X+ΔX，Y+ΔY)，並通過計算機16控制工作檯15運動使光學元件12運動至其中心與等離子體炬管9中心重合，對刀完成。

對刀完成後，觸發測頭6由氣動滑臺7帶動向上運動並收起。本發明採用觸髮式測頭結合等離子體工具機及其運動數控程序對非球面光學元件實現自動對刀操作，對刀精度高。