[发明专利]一种复杂光学曲面研抛加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于精密光学制造领域，特别是涉及一种复杂光学曲面的研抛加工方法及装置。

背景技术

复杂光学曲面涉及非球面和自由曲面等光学曲面，具有十分突出的优越性，在航天航空、国防、科学仪器和光电子等重要的工业领域有着日益增长的应用需求。为了加工创成复杂光学曲面，学术界和工业界提出了许多工艺方法，主要包括：复制成形，磨削，研抛，飞切，车削等。迄今为止，无论是车削、飞切、还是磨削，皆以研抛作为获得光学质量表面的最终加工工序。虽然研抛的种类较多，但是利用研抛工具的亚口径机械式研抛却是目前获得实质性应用的主要方法之一。

利用研抛工具的亚口径机械式研抛复杂光学曲面，无论是在创成原理还是在加工装置上，都存在着难以逾越的固有缺陷，例如：

(1)对于有复杂几何特征的光学曲面，研抛去除量总是非均匀变化的，这使得研抛工具与被加工工件之间的变形不一致，难以获得均匀一致的面形精度；

(2)对于有复杂几何特征的光学曲面，研抛工具去除工件材料所形成的加工表面残高也总是非均匀变化的，因而难以获得均匀一致的加工表面质量；

(3)为了使所获得加工表面质量和面形精度满足加工要求，势必将增加研抛加工时间，降低研抛加工效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述固有缺陷，本发明针对复杂光学曲面的创成，而提供一种一种复杂光学曲面的研抛加工方法以及实现该加工方法的装置。

本发明能获得均匀一致的面形精度和加工表面质量，从而减少研抛加工时间、提高研抛加工效率。

本发明所述的研抛加工方法是：

(1)研抛工具绕z轴作高速回转，可沿x轴和z轴移动；

(2)工件沿y轴移动，绕z轴转动，绕y轴摆动；

(3)研抛工具相对于工件沿着预先获得的非线性螺旋路径运动，并主动调整研抛工具与工件之间的相对姿态，以获得均匀的面形精度和加工表面质量。

本发明所述的研抛加工装置是由机床本体、由溜板构成的z轴、由溜板构成的x轴、由溜板构成的y轴、电主轴、精密气浮转台、精密摆动台、三个精密直线位移光栅和二个角位移光栅和一个多轴运动控制器组成，研抛工具通过共轴方式装夹在电主轴上，该电主轴装夹在z轴的溜板上，该z轴的溜板通过龙门式结构安装在x轴的溜板上；工件通过共轴或离轴方式装夹在精密气浮转台上，该精密气浮转台装夹精密摆动台上，该精密摆动台装夹在y轴的溜板上，Y轴的溜板通过定位和夹紧元件装夹在机床本体上，X轴溜板驱动Z轴溜板总成作直线移动，电主轴沿Z轴作直线移动；通过三个精密直线位移光栅检测分别检测x轴、y轴和z轴的位置，通过二个角位移光栅分别检测绕y轴的摆动位置、以及绕z轴的周向位置，通过以个多轴运动控制器实现各运动轴的检测以及位姿控制。

所述的精密直线位移光栅、角位移光栅和多轴运动控制器是现有装置，其具体结构不再赘述。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述方法主动调整研抛工具相对于工件的位姿，获得均匀的面形精度和加工表面质量。

(2)本发明所述的研抛加工装置，可以实现研抛工具与工件之间相对位姿的主动调整。

(3)本发明适用于复杂几何特征曲面的研抛加工。对于加工创成复杂几何特征曲面具有十分广泛的应用前景，尤其是在满足加工要求的前提下将显著减少研抛加工时间、提高研抛加工效率。

附图说明：

图1是本发明之研抛加工装置的立体示意图。

1-Z轴，2-X轴，3-Y轴，4-机床本体，5-电主轴，6-精密气浮转台，7-精密摆动台。

具体实施方式

所提出的研抛加工方法如下：

(1)建立工件坐标系，获得复杂光学曲面在工件坐标系中的数学描述；

(2)建立研抛工具坐标系，获得研抛工具廓形在研抛工具坐标系中的数学描述；

(3)根据工件边界相容，从外部边界遍历到内部边界，求解得到若干个等表面残高的轮廓线；

(4)根据相邻轮廓线之间最小表面残高，求解得到一条变节距的非线性螺旋线，作为研抛工具的驱动路径；

(5)对于研抛工具的每一个瞬时位置，根据研抛工具与工件的接触特征，通过调整研抛工具相对于工件的摆动，以使得瞬时材料去除量不超出最大的材料去除量，从而获得瞬时的摆动角。