用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置的製作方法

2023-12-10 00:06:41

專利名稱：用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學零件加工技術領域，尤其涉及用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置。
背景技術：
光學系統中，球面光學零件是不能理想聚焦成像的。傳統球面光學零件具有曲率半徑確定，弧度統一，價格便宜以及製造簡單等特點，但是光路構造中存在原理性像差，容易造成成像變形、模糊以及視場狹小等不良現象。較之球面和平面光學零件而言，非球面光學零件在光學系統中引入了更多的設計參數，因此使得光學系統的設計具有更大的靈活性，能夠校正像差、改善像質、擴大視場，並使光學系統結構簡化、重量減輕。非球面光學零件的優點使得其在空間望遠鏡、地基望遠鏡、空間高解析度光電偵察相機等眾多領域中得到了越來越廣泛的應用，已經發展成為現代光學系統中不可或缺的關鍵部件。現代光學系統的發展對於非球面光學零件的加工精度、加工效率等均提出了越來越嚴格的要求，傳統光學加工手段已經無法滿足非球面光學零件的加工需求。隨著計算機技術的高速發展，20世紀70年代初期美國Itek公司的W. J. Rupp提出將計算機技術引入光學製造領域以提高加工精度和加工效率，從而建立了計算機控制光學表面成形的概念。隨後世界各國相繼對該技術進行了深入研究，其中具有代表性的包括美國Perkin-Elmer公司、Arizona大學光學科學中心、Rochester大學光學製造中心、Tinsley公司、柯達公司、美國LLNL實驗室、法國REOSC公司、俄羅斯Vavilov國家光學研究所及中國科學院長春光機所等。計算機控制光學表面成形技術(Computer-Controlled Optical Surfacing,簡稱CC0S)的基本思想，是採用一個尺寸遠小於被加工工件的拋光工具(該拋光工具的運動能夠產生類似高斯形狀的去除函數模型)，在計算機的控制下沿特定的加工路徑在光學零件表面運動，同時根據測量得到的面形誤差分布控制不同位置時的運動速度、加工壓力等參數，精確實現光學零件表面的材料量去除，從而得到滿足使用要求的光學零件。利用CCOS技術實現高精度加工，在滿足測量精度和工藝參數穩定性要求的條件下，去除函數的穩定性起著至關重要的作用。CCOS中去除函數的穩定性由加工壓力的穩定性、相對運動速度的穩定性以及拋光工具同工件之間的適應性共同決定的。由於加工壓力和相對運動速度的控制一般都能滿足使用要求，因此最終決定去除函數是否穩定不變的因素在於拋光工具同工件之間的適應特性。通常情況下，拋光工具同工具機磨頭軸之間是「柔性」連接的，從而使得其能夠吸收拋光工具表面同工件表面之間的間隙，同時還能有效適應光學零件表面一定量陡度的變化。CCOS產生類高斯去除函數模型的方式主要有兩種平轉動方式和行星運動方式。雖然平轉動方式和行星運動方式均具有多種機構組成形式，但是它們的磨頭(即拋光工具)同自轉軸的「柔性」連接主要有兩種結構形式，即萬向軸連接和球鉸鏈加撥銷。比如中國科學院長春光學精密機械研究所的王權陡研究的行星運動磨頭機構，中國科學院光電技術研究所研製的「XGJ1600」型拋光機上採用的拋光模結構，以及公開號為CN101088705的中國專利文獻公開的平轉動式研磨拋光機構均採用球鉸鏈加撥銷的結構來實現「柔性」連接；而公開號為CN1490125的中國專利文獻公開的行星輪式雙轉子研拋機構的研拋盤同自轉軸軸端則採用萬向聯軸節連接，達到適應非球面光學零件面形變化的目的。由於球鉸的運動範圍受撥銷尺寸限制，因此球鉸鏈加撥銷的這種結構形式所能夠「柔性」適應的非球面光學零件的陡度是有限的；而萬向聯軸節的適應陡度雖然不受限制，但是由於磨頭工作過程中需要保持恆定的加工壓力輸出，在加工高陡度非球面光學零件時可能引起加壓失穩或者受力不均勻等現象，不利於去除函數的穩定控制。綜上所述，現在典型的「柔性」連接形式雖然能夠一定程度上滿足低陡度非球面光學零件的應用需求，但是在加工高陡度非球面光學零件時表現出適應性不足、加工壓力波動大、去除函數不穩定等缺點，難以滿足高陡度非球面光學零件加工的需求。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能夠在任何時段提供壓力更恆定、去除性能更穩定的高斯去除函數，對於加工高陡度的非球面光學零件效率更高、精度更易實現的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案
一種用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，包括雙擺軸機構和雙轉子拋光機構，所述雙擺軸機構包括偏擺組件和俯仰組件，所述俯仰組件裝設於所述偏擺組件的偏擺運動輸出端，所述雙轉子拋光機構裝設於所述俯仰組件的俯仰運動輸出端。所述偏擺組件包括偏擺電機、偏擺轉臺和偏擺輸出法蘭，所述偏擺電機和偏擺輸出法蘭均裝設於偏擺轉臺上，所述偏擺電機驅動偏擺輸出法蘭作偏擺旋轉運動，所述俯仰組件裝設於偏擺輸出法蘭上。所述俯仰組件包括俯仰電機、俯仰基座、俯仰轉軸和俯仰連接板，所述俯仰基座與所述偏擺輸出法蘭連接，所述俯仰電機和俯仰轉軸均裝設於俯仰基座上，所述俯仰連接板與俯仰轉軸連接，所述俯仰電機驅動俯仰轉軸帶動俯仰連接板作俯仰旋轉運動。所述俯仰組件還包括俯仰減速器、俯仰聯軸器和連接座，所述俯仰電機與俯仰減速器連接，所述俯仰減速器的輸出端通過俯仰聯軸器與俯仰轉軸連接，所述連接座與俯仰基座固接，所述俯仰減速器、俯仰聯軸器和俯仰電機通過連接座支撐。所述俯仰基座上設有定心孔，所述偏擺輸出法蘭上設有定心軸，所述定心軸與所述定心孔插接配合。所述偏擺組件的偏擺軸旋轉線與所述俯仰組件的俯仰旋轉軸線正交。所述雙轉子拋光機構包括公轉軸系、自轉軸系、研拋盤、偏心調整機構、平動保持機構和基板，所述公轉軸系裝設於基板上，公轉軸系的輸出端連接於偏心調整機構上方，所述自轉軸系裝設於偏心調整機構下方，所述平動保持機構連接於自轉軸系與基板之間，所述研拋盤裝設於自轉軸系下端。所述公轉軸系包括公轉電機、公轉傳動機構、公轉軸、公轉軸基座和公轉電機基座，所述公轉電機通過公轉電機基座裝設於基板上，所述公轉軸通過公轉軸基座裝設於基板上，所述公轉電機輸出端通過公轉傳動機構與公轉軸連接。所述偏心調整機構包括上滑座、下滑塊和偏心調整栓，所述上滑座上部與公轉軸連接，並於下部設有燕尾槽；所述下滑塊下部與自轉軸系連接，並於上部設有燕尾臺，所述燕尾臺滑設於所述燕尾槽中，所述偏心調整栓連接於上滑座和下滑塊之間，並驅動下滑塊相對於上滑座滑動。所述自轉軸系包括自轉軸、自轉電機、自轉傳動機構、自轉軸基座和自轉電機基座，所述自轉軸基座內套設有一傳動軸，所述傳動軸上端連接於下滑塊上，所述自轉軸裝設於自轉軸基座內，所述自轉電機固定於自轉電機基座上，自轉電機的輸出端經自轉傳動機構與自轉軸連接，所述自轉軸與傳動軸之間裝設有可調節壓力的氣缸，所述研拋盤裝設於自轉軸下端；所述平動保持機構包括固定於基板上的橫導軌、垂直於基板和橫導軌的豎導軌、設於自轉電機基座上的橫滑塊和設於自轉軸基座上的豎滑塊，所述橫滑塊滑設於橫導軌上，所述豎滑塊滑設於豎導軌上。與現有技術相比，本發明的優點在於
本發明的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，由偏擺組件和俯仰組件提供二維旋轉功能，由雙轉子拋光機構產生高斯去除函數，通過偏擺組件和俯仰組件的二維旋轉調整可以使雙轉子拋光機構的軸線始終與被加工表面的法線方向重合，雙轉子拋光機構能夠在任何時段提供壓力更恆定、去除性能更穩定的高斯去除函數，對於加工高陡度的非球面光學零件效率更高、精度更易實現。


圖1是本發明的雙擺軸拋光裝置加工方式示意圖。圖2是本發明的雙擺軸拋光裝置的結構示意圖。圖3是本發明中雙擺軸機構的結構示意圖。圖4是本發明中俯仰組件的結構示意圖。圖5是本發明中雙轉子拋光機構的立體結構示意圖。圖6是本發明中雙轉子拋光機構另一視角的立體結構示意圖。圖7是本發明中自轉軸系的剖視結構示意圖。圖中各標號表示1、雙擺軸機構；2、雙轉子拋光機構；11、偏擺組件；12、俯仰組件；21、公轉軸系；22、自轉軸系；23、研拋盤；24、偏心調整機構；25、平動保持機構；26、基板；111、偏擺電機；112、偏擺轉臺；113、偏擺輸出法蘭；121、俯仰電機；122、俯仰基座；123、俯仰轉軸；124、俯仰連接板；125、俯仰減速器；126、俯仰聯軸器；127、連接座；211、公轉電機；212、公轉傳動機構；213、公轉軸；214、公轉軸基座；215、公轉電機基座；221、自轉軸；222、自轉軸基座；223、自轉電機；224、自轉傳動機構；225、氣缸；226、自轉電機基座；227、傳動軸；241、上滑座；242、下滑塊；243、偏心調整栓；244、燕尾槽；245、燕尾臺；251、橫導軌；252、豎導軌；253、橫滑塊；254、豎滑塊；1221、定心孔；1222、定心軸。
具體實施例方式圖1至圖7示出了本發明的一種用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置實施例，包括雙擺軸機構I和雙轉子拋光機構2，雙擺軸機構I包括偏擺組件11和俯仰組件12，俯仰組件12裝設於偏擺組件11的偏擺運動輸出端，雙轉子拋光機構2裝設於俯仰組件12的俯仰運動輸出端，偏擺組件11的偏擺軸旋轉線與俯仰組件12的俯仰旋轉軸線正交。由偏擺組件11和俯仰組件12提供二維旋轉功能，由雙轉子拋光機構2產生高斯去除函數，通過偏擺組件11和俯仰組件12的二維旋轉調整可以使雙轉子拋光機構2的軸線始終與被加工表面的法線方向重合，雙轉子拋光機構2能夠在任何時段提供壓力更恆定、去除性能更穩定的高斯去除函數，對於加工高陡度的非球面光學零件效率更高、精度更易實現。本實施例中，偏擺組件11包括偏擺電機111、偏擺轉臺112和偏擺輸出法蘭113，偏擺電機111和偏擺輸出法蘭113均裝設於偏擺轉臺112上，偏擺電機111驅動偏擺輸出法蘭113作偏擺旋轉運動，俯仰組件12裝設於偏擺輸出法蘭113上，偏擺輸出法蘭113作偏擺旋轉運動時，俯仰組件12以及其上的雙轉子拋光機構2隨之作偏擺旋轉運動。本實施例中，俯仰組件12包括俯仰電機121、俯仰基座122、俯仰轉軸123、俯仰連接板124、俯仰減速器125、俯仰聯軸器126和連接座127，俯仰基座122與偏擺輸出法蘭113連接，俯仰連接板124與俯仰轉軸123連接，俯仰電機121與俯仰減速器125連接，俯仰減速器125的輸出端通過俯仰聯軸器126與俯仰轉軸123連接，連接座127與俯仰基座122固接，俯仰減速器125、俯仰聯軸器126和俯仰電機121通過連接座127支撐於俯仰基座122上，俯仰電機121驅動俯仰轉軸123帶動俯仰連接板124作俯仰旋轉運動；俯仰基座122上設有定心孔1221，偏擺輸出法蘭113上設有定心軸1222，定心軸1222與定心孔1221插接配合，以保證偏擺旋轉運動的穩定性。本實施例中，雙轉子拋光機構2包括公轉軸系21、自轉軸系22、研拋盤23、偏心調整機構24、平動保持機構25和基板26，公轉軸系21裝設於基板26上，公轉軸系21的輸出端連接於偏心調整機構24上方，自轉軸系22裝設於偏心調整機構24下方，平動保持機構25連接於自轉軸系22與基板26之間，研拋盤23裝設於自轉軸系22下端，研拋盤23在自轉軸系22的驅動下自轉，在公轉軸系21、偏心調整機構24和平動保持機構25的作用下以平動的形式公轉。本實施例中，公轉軸系21包括公轉電機211、公轉傳動機構212、公轉軸213、公轉軸基座214和公轉電機基座215，公轉電機211通過公轉電機基座215裝設於基板26上，公轉軸213通過公轉軸基座214裝設於基板26上,公轉電機211輸出端通過公轉傳動機構212與公轉軸213連接。偏心調整機構24包括上滑座241、下滑塊242和偏心調整栓243，上滑座241上部與公轉軸213連接，並於下部設有燕尾槽244 ;下滑塊242下部與自轉軸系22連接，並於上部設有燕尾臺245，燕尾臺245滑設於燕尾槽244中，偏心調整栓243連接於上滑座241和下滑塊242之間，並驅動下滑塊242相對於上滑座241滑動，用以調整公轉半徑。自轉軸系22包括自轉軸221、自轉電機223、自轉傳動機構224、自轉軸基座222和自轉電機基座226，自轉軸基座222內套設有一傳動軸227，傳動軸227上端連接於下滑塊242上，自轉軸221裝設於自轉軸基座222內，自轉電機223固定於自轉電機基座226上，自轉電機223的輸出端經自轉傳動機構224與自轉軸221連接，自轉軸221與傳動軸227之間裝設有可調節壓力的氣缸225，研拋盤23裝設於自轉軸221下端，氣缸225用於調整加工壓力；平動保持機構25包括固定於基板26上的橫導軌251、垂直於基板26和橫導軌251的豎導軌252、設於自轉電機基座226上的橫滑塊253和設於自轉軸基座222上的豎滑塊254，橫滑塊253滑設於橫導軌251上，豎滑塊254滑設於豎導軌252上，在平動保持機構25的作用下，自轉軸系22以平動的形式完成公轉。本實施例中的公轉傳動機構212和自轉傳動機構224均為皮帶轉動機構。
以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，包括雙擺軸機構(I)和雙轉子拋光機構(2)，其特徵在於所述雙擺軸機構(I)包括偏擺組件(11)和俯仰組件(12)，所述俯仰組件(12)裝設於所述偏擺組件(11)的偏擺運動輸出端，所述雙轉子拋光機構(2 )裝設於所述俯仰組件(12)的俯仰運動輸出端。
2.根據權利要求1所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述偏擺組件(11)包括偏擺電機(111)、偏擺轉臺(112)和偏擺輸出法蘭(113)，所述偏擺電機(111)和偏擺輸出法蘭(113)均裝設於偏擺轉臺(112)上，所述偏擺電機(111)驅動偏擺輸出法蘭(113)作偏擺旋轉運動，所述俯仰組件(12)裝設於偏擺輸出法蘭(113)上。
3.根據權利要求2所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述俯仰組件(12)包括俯仰電機(121)、俯仰基座(122)、俯仰轉軸(123)和俯仰連接板(124)，所述俯仰基座(122)與所述偏擺輸出法蘭(113)連接，所述俯仰電機(121)和俯仰轉軸(123)均裝設於俯仰基座(122)上，所述俯仰連接板(124)與俯仰轉軸(123)連接，所述俯仰電機(121)驅動俯仰轉軸(123)帶動俯仰連接板(124)作俯仰旋轉運動。
4.根據權利要求3所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述俯仰組件(12)還包括俯仰減速器(125)、俯仰聯軸器(126)和連接座(127)，所述俯仰電機(121)與俯仰減速器(125)連接，所述俯仰減速器(125)的輸出端通過俯仰聯軸器(126)與俯仰轉軸(123)連接，所述連接座(127)與俯仰基座(122)固接，所述俯仰減速器(125)、俯仰聯軸器(126)和俯仰電機(121)通過連接座(127)支撐。
5.根據權利要求3所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述俯仰基座(122)上設有定心孔(1221)，所述偏擺輸出法蘭(113)上設有定心軸(1222)，所述定心軸(1222)與所述定心孔(1221)插接配合。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述偏擺組件(11)的偏擺軸旋轉線與所述俯仰組件(12)的俯仰旋轉軸線正交。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述雙轉子拋光機構(2)包括公轉軸系(21)、自轉軸系(22)、研拋盤(23)、偏心調整機構(24)、平動保持機構(25)和基板(26)，所述公轉軸系(21)裝設於基板(26)上，公轉軸系(21)的輸出端連接於偏心調整機構(24)上方，所述自轉軸系(22)裝設於偏心調整機構(24)下方，所述平動保持機構(25)連接於自轉軸系(22)與基板(26)之間，所述研拋盤(23 )裝設於自轉軸系(22 )下端。
8.根據權利要求7所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述公轉軸系(21)包括公轉電機(211)、公轉傳動機構(212)、公轉軸(213)、公轉軸基座(214 )和公轉電機基座(215)，所述公轉電機(211)通過公轉電機基座(215)裝設於基板(26)上，所述公轉軸(213)通過公轉軸基座(214)裝設於基板(26)上，所述公轉電機(211)輸出端通過公轉傳動機構(212 )與公轉軸(213)連接。
9.根據權利要求8所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述偏心調整機構(24)包括上滑座(241 )、下滑塊(242 )和偏心調整栓(243 )，所述上滑座(241)上部與公轉軸(213)連接，並於下部設有燕尾槽(244);所述下滑塊(242)下部與自轉軸系(22)連接，並於上部設有燕尾臺(245)，所述燕尾臺(245)滑設於所述燕尾槽(244)中，所述偏心調整栓(243 )連接於上滑座(241)和下滑塊(242 )之間，並驅動下滑塊(242 )相對於上滑座(241)滑動。
10.根據權利要求9所述的用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，其特徵在於所述自轉軸系(22)包括自轉軸(221)、自轉電機(223)、自轉傳動機構(224)、自轉軸基座(222 )和自轉電機基座(226 )，所述自轉軸基座(222 )內套設有一傳動軸(227 )，所述傳動軸(227 )上端連接於下滑塊(242 )上，所述自轉軸(221)裝設於自轉軸基座(222 )內，所述自轉電機(223)固定於自轉電機基座(226)上，自轉電機(223)的輸出端經自轉傳動機構(224)與自轉軸(221)連接，所述自轉軸(221)與傳動軸(227)之間裝設有可調節壓力的氣缸(225)，所述研拋盤(23)裝設於自轉軸(221)下端；所述平動保持機構(25)包括固定於基板(26)上的橫導軌(251)、垂直於基板(26)和橫導軌(251)的豎導軌(252)、設於自轉電機基座(226 )上的橫滑塊(253 )和設於自轉軸基座(222 )上的豎滑塊(254)，所述橫滑塊(253 )滑設於橫導軌(251)上，所述豎滑塊(254)滑設於豎導軌(252)上。
全文摘要
本發明公開了一種用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置，包括雙擺軸機構和雙轉子拋光機構，所述雙擺軸機構包括偏擺組件和俯仰組件，所述俯仰組件裝設於所述偏擺組件的偏擺運動輸出端，所述雙轉子拋光機構裝設於所述俯仰組件的俯仰運動輸出端。該用於高陡度非球面光學零件的雙擺軸拋光裝置能夠在任何時段提供壓力更恆定、去除性能更穩定的高斯去除函數，對於加工高陡度的非球面光學零件效率更高、精度更易實現。
文檔編號B24B13/01GK103056744SQ20121055099
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者戴一帆, 李聖怡, 王建敏, 宋辭, 彭小強, 石峰 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學