[发明专利]用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种抛光装置，尤其是涉及用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。

技术背景

进入新世纪，航空航天行业迅速发展，对光学元器件的精度和尺寸要求越来越高，这给先进光学制造行业带来了巨大的挑战，同时诱使各种加工工艺的产生。

环形抛光技术(Continuous Polishing)主要应用于大口径平面光学元件的超精密加工。相比于其他加工工艺，如磁流变抛光技术、离子束抛光技术、激光抛光技术等新型高精密抛光技术，环形抛光技术由于原理比较简单，设备较为成熟从而广泛应用于光学元器件的大批量生产加工中。环形抛光装置一般由环形加工磨盘(常用沥青盘)、转台、圆形玻璃校正盘、套圈和分离器构成；其中加工磨盘一般具有较大的平面盘面，校正盘一般为尺寸稍大于沥青盘环宽的平面盘，分离器安置于套圈内实现工件和校正盘的位置束缚，多组套圈分布于加工磨盘表面的不同位置。工作时，加工磨盘由电机驱动以稳定速度旋转，套圈位置相对于加工盘面以一定的方式变化，施加有一定压力的工件和校正盘由放置在不同位置套圈内的分离器游离分置于加工磨盘表面的不同位置，在摩擦力作用下，校正盘和工件在不同的套圈内以一定速度自转，因此由于运动效果的叠加导致工件和校正盘相对于加工磨盘以复合轨迹运动；另外此过程中工件和校正盘在环状抛光模上做自由浮动式抛光。环形抛光过程中，由于大尺寸加工磨盘以及复合轨迹运动的使用，使其具有较强的均化抛光能力，从而在有效提高面形低频精度的同时降低表面高频误差；由于浮动式接触，外加压力调控方式灵活，可获得极低表面粗糙度和较高平面面形精度；由于加工中同时使用校正盘和工件，使得磨盘在加工的过程中实现修整，有效的提高了加工的鲁棒性。正是由于这些优点，使得环抛技术在大孔径、高精度的光学元件制造技术中占有重要位置；但是，由于运动机构和磨盘形状的约束(目前实际中常用的加工磨盘为平面)，此技术主要应用于平面的高精度加工，严重束缚了加工的范畴。

应力盘抛光技术(stressed lap polishing)是基于薄板应力变形原理的新型非球面加工技术，该技术的产生是为了满足大口径小F数高陡度非球面的研磨和抛光要求。在加工过程中，工件安置于应力盘底面，安装于应力盘上的驱动器根据计算机发出的改变镜面位置和方向指令改变应力盘边缘力矩大小，使应力盘能够实时地保持与被抛光玻璃的非球面光学表面相匹配，从而实现对光学元件的非球面加工。由于该系统能够主动控制形变，且柔性退让现象较为轻微，使其可优先去除表面高点，修正平滑局部中高频误差效果显著；此外，在选取不同口径抛光盘以完成对工件形状精度及表面粗糙度有效控制的同时，可有效地提高加工效率。正是由于这些优点，使得应力盘抛光技术在非球面光学元件制造技术中占有重要位置。但是，由于应力盘抛光技术面对系统不确定性模型时，往往难以取得理想的面形控制效果；加上应力盘控制系统过于复杂，也严重制约了应力盘抛光技术在非球面光学元件制造中的应用。

发明内容

本发明是为了弥补环形抛光技术只能应用于平面光学元件抛光加工的不足，提出用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置；该装置将结合环形抛光和应力盘抛光的技术特点，能够根据被加工工件的面形实时控制改变能动磨盘与之接触区域的盘面面形，实现被加工工件表面与抛光模接触区域的良好吻合，从而达到精密去除的目的；同时控制能动磨盘使抛光模与修整盘接触区域快速恢复为平面状态，达到抛光模面形修整的效果；该装置能够实现多类型形面的精密加工。

本发明的目的是通过以下技术实现的。

用于大口径非球面光学元件的自适应环形抛光装置，其特征在于，包括主轴、工件电机、工件盘、修整电机、支架、修整盘、抛光模、能动磨盘、回转电机和底座等。

上述组成部分的连接关系为：

形变系统组包括多个形变系统，每个形变系统包括形变驱动器、立柱和拉绳；形变驱动器是由步进电机、螺纹丝杆、螺纹丝扣、连接杆、短连杆、长连杆、活动铰链、滑槽和绳槽构成；拉绳的一端固定在立柱上，另一端固定在长连杆上。

所述的主轴和回转电机固定于底座；支架通过轴承安装于主轴，并通过传动系统和回转电机转轴连接；能动磨盘安装于主轴顶端，抛光模贴附于能动磨盘盘面；形变系统组和能动磨盘盘面构成能动磨盘，且形变系统组位于能动磨盘盘面底部；工件电机和修整电机安装于支架，工件电机转轴与工件盘固定，修整电机转轴与修整盘固定；工件固定于工件盘底面。

所述装置能实时改变抛光模与工件接触区域的面形，实现多类型形面的环抛去除。