[发明专利]用于超大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置

说明书

技术领域

本发明主要涉及到磁流变抛光的技术领域，特指一种用于超大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置。

背景技术

根据瑞利判据，光学系统分辨远场两物点的极限角距离Δθ＝1.22λ/D，式中D为光学系统的有效口径，因此增大光学系统的有效口径是提高光学系统分辨能力的基本途径。以空间相机为例，卫星的高度大约在200～300km，为了获得高分辨率，要求相机口径至少为0.5～1m。在空间望远镜领域，主镜口径也越来越大，例如欧洲南方天文台的EURO50望远镜，其主镜尺寸为50m，由618个直径2m的非球面子镜拼接而成。

非球面镜发展的另一个重要趋势是新型复杂光学镜面的不断涌现。随着现代光学技术和计算机技术的不断发展，各种功能强大的光学设计软件得到开发和应用，从而使得在光学系统中设计复杂的光学镜面成为可能。最为常见的为大型离轴非球面、高陡度保形光学非球面以及各种自由曲面光学镜面等。当前直径8米以上天文望远镜主镜都是由1～2米离轴非球面子镜拼接而成的。

综上所述，当前非球面镜的发展趋势是朝着高精度、超大口径、大相对口径方向发展；追求高效、低成本的加工工艺；同时各种复杂形面的新型光学镜面不断涌现。

磁流变抛光技术就是将电磁学、流体动力学、分析化学理论相结合提出的一种新型的光学零件加工方法，它利用磁流变抛光液在磁场中的固液相相互转化的特性，通过控制外磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制，创造一个能够与被加工光学表面相吻合的“柔性抛光模”，实现对光学玻璃等硬脆材料的研磨、抛光修形加工。相对传统抛光加工方法而言，这种技术具有抛光效率高、去除函数稳定、边缘效应小等显著的优点。国内现有的研究基本上还处于实验室阶段，哈尔滨工业大学、清华大学等对光学玻璃磁流变抛光技术进行了一些基本的研究，建立了一些基础的研究设备。如图1、2、3所示为国内现有的研究所建立的一些磁流变抛光装置的示意图，哈工大先后采用了图1和图2所示的加工方式，由于被加工光学零件固定在抛光模的上方，所以加工零件的尺寸就受到了限制；中国专利号：03153996.3，发明名称：电磁方式磁流变抛光头，就是清华大学开发的如图3所示的公自转的抛光轮装置。由于在该装置中，磁流变抛光液不能被循环使用，所以不能保证磁流变抛光液的成份在长时间里不发生变化即“抛光模”不发生变化，而大尺寸光学零件的加工时间很长，因此该系统不适应大尺寸光学零件的加工。中国专利申请号：200610043079.1，发明名称：磁流变柔性精磨抛光设备和方法，该发明也不能解决大口径光学零件加工的难题。

综上所述，由于所采用的加工方式的局限或者一些技术上的难题没有解决。对于超大口径光学零件磁流变加工机床存在的关键技术问题主要有以下几点：(1)超大口径光学零件在磁流变加工过程中的精度控制问题：传统光学零件的加工通常需要一个转台来实现工件的装夹和旋转，然而对于超大口径的光学零件，如此大尺寸的高精度转台在成本上是难以接受的，国际上对于重型的超大口径光学零件往往采用多点支撑或者环带支撑的方式，不需要固定，然而对于超大口径轻质零件却不能采用这种支撑，这种支撑无法对工件固定，在加工过程中带来较大的尺寸变形，因此对于超大口径的非球面光学零件需要合适的的支撑及装夹形式。(2)要实现对超大口径光学零件的磁流变加工，在不需要转台的情况下，只能采用X-Y扫描方式的加工路径，这样就需要机床的整个横梁是可移动的，并且要求具有一定的速度和加速度特性，而大跨度的横梁比较沉重，惯性大，要满足磁流变加工采用的速度模式或者位置模式，横梁的运动需要具有较高的动态性能，因此需要解决横梁运动带来的运动特性及控制问题。(3)目前，磁流变抛光装置中磁流变液的喷嘴及回收部分位于工件的上方，而磁流变液体的循环装置却放置在机床以外的控制柜内，当用于超大口径零件加工时，超大量程会导致磁流变抛光装置的加工部分与磁流变抛光液循环装置之间的管路连接过长，在运动过程中磁流变抛光液管路的大范围运动及磁流变液进出口之间高度差的过大变化干扰了磁流变抛光液性能的稳定性，因此需要解决大量程运动带来的影响磁流变抛光液性能稳定性的问题。(4)用于超大口径光学零件加工机床的可移动横梁跨度比较大，挠度变形比较大，在保证变形条件的基础上，还要满足磁流变抛光的加工要求，及尽可能保证磁流变抛光液的稳定性，需要对横梁进行特殊的结构设计。

发明内容