自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置的製作方法

2023-10-23 06:23:07 3

專利名稱：自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於等離子體加工大口徑非球面光學零件的技術領域。
背景技術：
隨著現代光學技術的發展，不僅對光學表面提出了超低表面粗糙度、超高面型精度以及儘量減輕表層損傷等要求，而且光學零件表面幾何形狀也越來越複雜。傳統的接觸式加工方法會在光學零件表面產生殘餘應力，從而造成亞表層損傷。而大氣等離子體加工是基於粒子之間的化學反應，這種非接觸的加工方式可以避免亞表層損傷的產生，有利於提高零件的表面質量。但是目前的大氣等離子體拋光裝置採用的是三軸聯動控制系統，只具有水平的X向、豎直的Y向以及繞Y旋轉的B向三個自由度，而且加工範圍小，這使得大口逕自由曲面光學零件的超精密加工受到一定的限制，因此需要一種運動更加靈活、控制更加精確、加工範圍更大的加工裝置。

發明內容
本發明的目的 是提供一種自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，為了解決高精度大口徑非球面光學零件的加工效率和表面質量問題。所述的目的是通過以下方案實現的:所述的一種自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，它由大口徑的等離子體炬、中口徑的等離子體炬、小口徑的等離子體炬、五軸聯動數控工具機、射頻電源、混合等離子體氣源組成；
五軸聯動數控工具機的絕緣工作架上安裝有大口徑的等離子體炬或中口徑的等離子體炬或小口徑的等離子體炬，大口徑的等離子體炬或中口徑的等離子體炬或小口徑的等離子體炬可與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；將待加工光學零件裝卡在地電極上，地電極固定在五軸聯動數控工具機的水平運動工作檯上；將地電極接地作為大氣等離子體放電的陰極；當絕緣工作架上安裝有大口徑的等離子體炬時，大口徑的等離子體炬的進氣埠可通過絕緣工作架上的導氣孔、氣管與混合等離子體氣源導氣連通；當絕緣工作架上安裝有中口徑的等離子體炬時，中口徑的等離子體炬的進氣埠可通過絕緣工作架上的導氣孔、氣管與混合等離子體氣源導氣連通；當絕緣工作架上安裝有小口徑的等離子體炬時，小口徑的等離子體炬的進氣埠可通過絕緣工作架上的導氣孔、氣管與混合等離子體氣源導氣連通；大口徑的等離子體炬的放電工作面或中口徑的等離子體炬的放電工作面或小口徑的等離子體炬的放電工作面靠近待加工光學零件的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離範圍為2mm-5mm。本發明採用五軸聯動的運動控制系統，具有X向、Y向、Z向、繞X旋轉的A向以及繞Z旋轉的C向五個自由度，一般情況下，等離子體炬安裝在Z軸上，可以實現Z向的直線運動、A向的擺動和C向的轉動；光學零件放置在水平工作檯上，可以實現X向和Y向兩個方向的直線運動。由此，保證等離子體炬的軸線方向與光學零件被加工表面的法線方向重合，從而實現對複雜自由曲面的大氣等離子體加工。其中，X軸和Y軸的行程均為500mm，Z軸行程為300mm，可以加工口徑< 450mm、厚度< 250mm的自由曲面光學零件；而由於在大氣等離子體加工過程中，需要在等離子體炬上施加射頻電源，為了防止射頻線的纏繞和過度扭曲，並且兼顧等離子體炬的運動靈活性，A軸的擺動範圍設定為±45°，C軸的轉動範圍設定為±90°。另外，裝夾等離子體炬的夾具與A/C軸的接口設計成模塊化的可拆卸式結構，可以根據不同等離子體炬的尺寸更換不同的夾具。這樣，可以根據不同的加工目標，採用不同類型的等離子體炬進行大氣等離子體加工。加工過程由計算機通過數控系統進行控制，並且該過程中的電流、電壓以及其他與等離子體相關的各參數均由在線監測系統進行實時監測，從而保證加工的精確性、高效性和靈活性。本發明還具有的優點為:
1.本發明採用五軸聯動運動系統實現了等離子體炬與待加工光學零件表面之間靈活、精確的相對運動，實現了對複雜非迴轉對稱自由曲面光學零件高效、高精度的大氣等離子體加工，並且避免了傳統接觸式研拋方法造成的表面殘餘應力及亞表層損傷等問題；
2.通過對大氣等離子體加工過程中各參數的在線監測，可以及時發現影響該加工過程的不利因素並加以調整，使得加工過程穩定可控；
3.實現了對複雜 曲面光學零件大氣等離子體加工過程的計算機數字控制；
4.裝夾等離子體炬的夾具與A/C軸的接口設計成模塊化的可拆卸式結構，可以根據不同等離子體炬的尺寸更換不同的夾具。這樣，可以根據不同的加工目標，採用不同類型的等離子體炬進行大氣等離子體加工；
5.該加工過程在大氣條件下實現，避免了採用真空反應容器，大大降低了使用成本。


圖1是本發明的整體結構示意 圖2是圖1中絕緣工作架4-1上安裝有大口徑的等離子體炬I時，大口徑的等離子體炬I與待加工光學零件6之間的位置關係結構示意 圖3是圖1中絕緣工作架4-1上安裝有中口徑的等離子體炬2時，中口徑的等離子體炬2與待加工光學零件6之間的位置關係結構示意 圖4是圖1中絕緣工作架4-1上安裝有小口徑的等離子體炬3時，小口徑的等離子體炬3與待加工光學零件6之間的位置關係結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結合圖1所示，它由大口徑的等離子體炬1、中口徑的等離子體炬2、小口徑的等離子體炬3、五軸聯動數控工具機4、射頻電源5、混合等離子體氣源7組成；
五軸聯動數控工具機4的絕緣工作架4-1上安裝有大口徑的等離子體炬I或中口徑的等離子體炬2或小口徑的等離子體炬3，大口徑的等離子體炬I或中口徑的等離子體炬2或小口徑的等離子體炬3可與射頻電源5的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；將待加工光學零件6裝卡在地電極4-2上，地電極4-2固定在五軸聯動數控工具機4的水平運動工作檯4-3上；將地電極4-2接地作為大氣等離子體放電的陰極；當絕緣工作架4-1上安裝有大口徑的等離子體炬I時，大口徑的等離子體炬I的進氣埠 1-1可通過絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4、氣管7-1與混合等離子體氣源7導氣連通；當絕緣工作架4-1上安裝有中口徑的等離子體炬2時，中口徑的等離子體炬2的進氣埠 2-1可通過絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4、氣管7-1與混合等離子體氣源7導氣連通；當絕緣工作架4-1上安裝有小口徑的等離子體炬3時，小口徑的等離子體炬3的進氣埠 3-2可通過絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4、氣管7-1與混合等離子體氣源7導氣連通；大口徑的等離子體炬I的放電工作面或中口徑的等離子體炬2的放電工作面或小口徑的等離子體炬3的放電工作面靠近待加工光學零件6的待加工表面,並使它們之間保持一定的放電間隙,放電距離範圍為2mm-5mm。所述五軸聯動數控工具機4採用三個直線軸加偏置式雙擺頭的結構，並且具有一個密閉的工作艙，可以使加工過程中生成的有毒氣體不直接排放到空氣中，從而保證加工人員的人身安全。所述射頻電源5的頻率為13.56MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源7為三路氣體流量控制系統，可控氣體流量範圍為0-40L/min0所述混合等離子體氣源5中的大氣等離子體激發氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應氣體可以為六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣。所述待加工光學零件6的材質為矽基光學材料，如熔融石英、碳化矽、超低膨脹玻
牆坐具體實施方式
二:結合圖2說明，本實施方式與具體實施方式
一的不同點在於所述大口徑的等離子體炬I的放電工作面為方形平面或圓形平面，其材質為鋁，並與射頻電源5的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，其邊側位置設置有進氣口 1-1，進氣口1-1與絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4的出氣口導氣連接；當大口徑的等離子體炬I進行大氣等離子體加工時，離子體氣體的流量為2 L/min-5 L/min，反應氣體的氣體流量為20 ml/min-90 ml/min,輔 助氣體與反應氣體流量的比例為0%_50%，所加射頻功率範圍200W-400W。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:結合圖3說明，本實施方式與具體實施方式
一的不同點在於所述中口徑的等離子體炬2由內電極Al、圓環形聚四氟乙烯連接塊A2、圓環形絕緣固定套A3、中空圓環形外電極A4、圓管形陶瓷噴嘴A5組成；
圓環形聚四氟乙烯連接塊A2的上端面上開有與圓環形聚四氟乙烯連接塊A2內孔A2-1連通的進氣孔A2-2，圓環形絕緣固定套A3上設置有多個通氣孔A3-1，中空圓環形外電極A4內部設置有冷卻空腔A4-1 ;內電極Al的上端鑲嵌在圓環形聚四氟乙烯連接塊A2的內孔A2-1的上端中，圓環形絕緣固定套A3套接在內電極Al的中部，圓環形絕緣固定套A3外圓面的上部鑲嵌在圓環形聚四氟乙烯連接塊A2的內孔A2-1的下端處，圓管形陶瓷噴嘴A5的上端套接在圓環形絕緣固定套A3外圓面的下部上，使圓管形陶瓷噴嘴A5的內圓面與內電極AI的外圓面下部之間有一圈均勻的間隙A5-1，使進氣孔A2-2通過內孔A2-1、通氣孔A3-1與間隙A5-1導氣連通，中空圓環形外電極A4的上端與圓環形聚四氟乙烯連接塊A2的下端連接，中空圓環形外電極A4的內孔套接在圓管形陶瓷噴嘴A5的外圓面上，中空圓環形外電極A4的下端面與圓管形陶瓷噴嘴A5的下端面、內電極Al的下端面平齊；所述內電極Al與射頻電源5的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，進氣孔A2-2與絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4的出氣口導氣連接；當中口徑的等離子體炬2進行大氣等離子體加工時,離子體氣體的流量為2 L/min-3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min-80 ml/min,輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%-50%，所加射頻功率範圍200W-360W。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。所述內電極Al的材質為鋁，中空圓環形外電極A4的材質為鋁，圓環形絕緣固定套A3的材質為聚四氟乙烯。
具體實施方式
四:結合圖4說明，本實施方式與具體實施方式
一的不同點在於所述小口徑的等離子體炬3為細長圓柱體，其材質為鋁，並與射頻電源5的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，其下端中心部開有通氣孔3-2，通氣孔3-2的進氣口與絕緣工作架4-1上的導氣孔4-4的出氣口導氣連接；當小口徑的等離子體炬3進行大氣等離子體加工時,離子體氣體的流量為0.5 L/min -3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min- 60 ml/min，輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%-50%，所加射頻功率為200W-360W。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。工作原理:由射頻電源5輸出端連接大口徑的等離子體炬I或中口徑的等離子體炬2或小口徑的等離子體炬3作為大氣等離子體放電的陽極，地電極4-2接地作為大氣等離子體放電的陰極；由混合等離子體氣源7提供激發產生等離子體的氣體充滿大口徑的等離子體炬I或中口徑的等離子體炬2或小口徑的等離子體炬3和待加工光學零件6待加工表面之間的間隙，由射頻電源5提供輸出電能，在大口徑的等離子體炬I或中口徑的等離子體炬2或小口徑的等離子體炬3和待加工光學零件6的放電間隙產生等離子體，同時反應氣體被激發，產生具有反應活性的原子與待加工光學零件6的表面發生化學反應，並生成揮發性的反應產物離開零件表面，由此實現對待加工光學零件6的無損傷快速加工。綜合考慮加工效率和加工精度兩個方面的因素，加工時先採用大口徑的大面積等離子體炬I進行大去除量的修形，然後採用中口徑的同軸等離子體炬2 (單位去除函數是半高寬為6_的高斯型)進行較大空間周期面形的修形，最後再採用小口徑的微孔電極炬3 (單位去除函數是半高寬為0.5mm的高斯型)進行較小空間周期面形的修形，從而達到對大口徑複雜曲面光學零件6進行高效精 確修形的目的。
權利要求
1.自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，其特徵在於它由大口徑的等離子體炬(I)、中口徑的等離子體炬(2)、小口徑的等離子體炬(3)、五軸聯動數控工具機(4)、射頻電源(5)、混合等離子體氣源(7)組成； 五軸聯動數控工具機(4)的絕緣工作架(4-1)上安裝有大口徑的等離子體炬(I)或中口徑的等離子體炬(2)或小口徑的等離子體炬(3)，大口徑的等離子體炬(I)或中口徑的等離子體炬(2)或小口徑的等離子體炬(3)可與射頻電源(5)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；將待加工光學零件(6)裝卡在地電極(4-2)上，地電極(4-2)固定在五軸聯動數控工具機(4 )的水平運動工作檯(4-3 )上；將地電極(4-2 )接地作為大氣等離子體放電的陰極；當絕緣工作架(4-1)上安裝有大口徑的等離子體炬(I)時，大口徑的等離子體炬(I)的進氣埠(1-1)可通過絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)、氣管(7-1)與混合等離子體氣源(7)導氣連通；當絕緣工作架(4-1)上安裝有中口徑的等離子體炬(2)時，中口徑的等離子體炬(2)的進氣埠(2-1)可通過絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)、氣管(7-1)與混合等離子體氣源(7)導氣連通；當絕緣工作架(4-1)上安裝有小口徑的等離子體炬(3)時，小口徑的等離子體炬(3)的進氣埠(3-2)可通過絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)、氣管(7-1)與混合等離子體氣源(7)導氣連通；大口徑的等離子體炬(I)的放電工作面或中口徑的等離子體炬(2)的放電工作面或小口徑的等離子體炬(3)的放電工作面靠近待加工光學零件(6)的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離範圍為2mm-5mm。
2.根據權利要求1所述的自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，其特徵在於所述大口徑的等離子體炬(I)的放電工作面為方形平面或圓形平面，其材質為鋁，並與射頻電源(5)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，其邊側位置設置有進氣口(1-1)，進氣口(1-1)與絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)的出氣口導氣連接；當大口徑的等離子體炬(I)進行大氣等離子體加工時，離子體氣體的流量為2 L/min-5 L/min，反應氣體的氣體流量為20 ml/min-90 ml/min,輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%_50%，所加射頻功率範圍200W-400W。
3.根據權利要求1所述的自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，其特徵在於所述中口徑 的等離子體炬(2)由內電極(Al)、圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)、圓環形絕緣固定套(A3)、中空圓環形外電極(A4)、圓管形陶瓷噴嘴(A5)組成； 圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)的上端面上開有與圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)內孔(A2-1)連通的進氣孔(A2-2)，圓環形絕緣固定套(A3)上設置有多個通氣孔(A3-1)，中空圓環形外電極(A4)內部設置有冷卻空腔(A4-1);內電極(Al)的上端鑲嵌在圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)的內孔(A2-1)的上端中，圓環形絕緣固定套(A3)套接在內電極(Al)的中部，圓環形絕緣固定套(A3)外圓面的上部鑲嵌在圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)的內孔(A2-1)的下端處，圓管形陶瓷噴嘴(A5)的上端套接在圓環形絕緣固定套A3外圓面的下部上，使圓管形陶瓷噴嘴(A5)的內圓面與內電極(Al)的外圓面下部之間有一圈均勻的間隙(A5-1)，使進氣孔(A2-2)通過內孔(A2-1)、通氣孔(A3-1)與間隙(A5-1)導氣連通，中空圓環形外電極A4的上端與圓環形聚四氟乙烯連接塊(A2)的下端連接，中空圓環形外電極A4的內孔套接在圓管形陶瓷噴嘴(A5)的外圓面上，中空圓環形外電極(A4)的下端面與圓管形陶瓷噴嘴(A5)的下端面、內電極(Al)的下端面平齊；所述內電極(Al)與射頻電源(5)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，進氣孔(A2-2)與絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)的出氣口導氣連接；當中口徑的等離子體炬(2)進行大氣等離子體加工時，離子體氣體的流量為2 L/min-3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min-80 ml/min,輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%-50%，所加射頻功率範圍200W-360W。
4.根據權利要求1所述的自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，其特徵在於所述小口徑的等離子體炬(3)為細長圓柱體，其材質為鋁，並與射頻電源(5)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極，其下端中心部開有通氣孔(3-2)，通氣孔(3-2)的進氣口與絕緣工作架(4-1)上的導氣孔(4-4)的出氣口導氣連接；當小口徑的等離子體炬(3)進行大氣等離子體加工時，離子體氣體的流量為0.5 L/min -3 L/min,反應氣體的氣體流量為10 ml/min- 60 ml/min，輔助氣體與反應氣體流量的比例為0%_50%，所加射頻功率為200W-360W。
5.根據權利要求1所述的自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，其特徵在於所述混合等離子體氣源(7)中的大氣等離子體激發氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應氣體可以為六氟化硫、 四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣。
全文摘要
自由曲面光學零件的大氣等離子體數控加工的裝置，它屬於等離子體加工大口徑非球面光學零件的技術領域。它是為了解決高精度大口徑非球面光學零件的加工效率和表面質量問題。它的五軸聯動數控工具機的絕緣工作架上安裝有大口徑的等離子體炬或中口徑的等離子體炬或小口徑的等離子體炬；將待加工光學零件裝卡在地電極上；大口徑的等離子體炬或中口徑的等離子體炬或小口徑的等離子體炬分別對待加工光學零件待加工表面進行大氣等離子體數控加工。本發明能採用不同類型的等離子體炬進行大氣等離子體加工。
文檔編號B23K10/00GK103212774SQ20131017707
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者王波, 李娜, 姚英學, 李國 , 金會良, 辛強, 金江, 李鐸 申請人:哈爾濱工業大學