[发明专利]一种光学自由曲面的抛光装置及方法

权利要求书

1.一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光方法针对口径尺寸在几毫米到几十毫米的微小光学自由曲面(3)，该微小光学自由曲面(3)具有轴对称和离轴非球面；该振动抛光方法基于振动抛光装置实现，振动抛光装置包括振动抛光头(1)、微小光学自由曲面(3)、可移动工作台(4)、控制系统(5)、PC机(6)、五轴数控平台(7)、抛光压力控制机构(8)；

所述的控制系统(5)位于可移动工作台(4)上方，包括驱动器、数控系统、控制器；驱动器与振动抛光头(1)连接，用于对振动抛光头施加振动信号；数控系统与五轴数控平台(7)连接进行通信，用于驱动五轴数控平台(7)；控制器与抛光压力控制机构(8)连接，用于实现对抛光压力控制机构(8)的闭环控制；

所述的PC机(6)位于可移动工作台(4)上方，与控制系统(5)连接，PC机(6)对抛光参数进行设定后传送给控制系统(5)，进而驱动控制整个抛光装置；

所述的五轴数控平台(7)能够满足任意自由曲面抛光的需要，位于可移动工作台(4)上方，包括X轴、Y轴、 Z轴、 B轴和 C轴；

所述的抛光压力控制机构(8)中的微位移驱动器件与振动抛光头(1)连接，振动抛光头(1)垂直设置，并与微小光学自由曲面(3)接触，微位移驱动器件通过对竖直方向振动抛光头(1)位置的微米级改变来实现对抛光压力的微小调整；抛光压力控制机构(8)通过其内部的微位移驱动器件与力传感器的结合，以及闭环反馈控制实现对抛光压力的精确控制；

所述的振动抛光方法包括以下步骤：

第一步，根据自由曲面面形计算振动抛光头(1)的抛光轨迹和抛光头面形修复所需要的停留时间；

第二步，结合抛光装置结构设定抛光起始点，选择抛光头振动方式和设定抛光压力；

第三步，进行抛光实验，其中抛光方式分为以下三种，三种方式均通过对抛光压力和停留时间的准确控制，实现材料去除量的准确控制，三种方式具体为：

1）利用五轴数控平台(7)的B轴和 C轴对微小光学自由曲面(3)进行摆动，使振动抛光头(1)位于微小光学自由曲面(3)的法向量方向；抛光过程中抛光压力保持恒定；

2）利用振动抛光头(1)的轮廓接触微小光学自由曲面(3)，判断振动抛光头(1)与自由曲面(3)的接触位置，抛光压力根据接触点的斜率变化进行调整；

3）有效结合方式1）和2）实现对凹面且倾斜角大的自由曲面面形的抛光；

第四步，完成抛光实验，测量自由曲面面形和粗糙度，结束。

2.根据权利要求1所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的五轴数控平台(7)中，X、Y、Z各轴移动范围分别为不小于20 mm、20 mm、10 mm，分辨率均为0.1 μm；B轴角度旋转范围为±90゜、分辨率为0.001゜；C轴的转速范围在每分钟20-200 转。

3.根据权利要求1或2所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)为非对称结构，振动抛光头(1)能够生成二维振动轨迹，有效降低模具的表面粗糙度，采用游离磨粒的供给方式达到亚纳米级表面粗糙度。

4.根据权利要求1或2所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)由能够产生高频振动的压电陶瓷材料或超磁滞伸缩材料制成。

5.根据权利要求3所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光头(1)由能够产生高频振动的压电陶瓷材料或超磁滞伸缩材料制成。

6.根据权利要求1或2或 5所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。

7.根据权利要求3所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。

8.根据权利要求4所述的一种微小光学自由曲面的振动抛光方法，其特征在于，所述的振动抛光装置添加抛光液(2)，配合振动抛光头(1)的振动抛光。