[发明专利]一种可自倾斜气囊抛光加工装置

说明书

本发明公开了一种可自倾斜气囊抛光加工装置。其特征在于：通过调节安装于安装基座和倾斜底座之间的电推杆的伸缩量，使倾斜底座绕球轴承旋转中心发生二维转动倾斜；倾斜底座的倾斜使工具基座和气囊工具头发生同样的倾斜，使气囊工具头加工轴线与待加工点法线重合；移动数控机床三个直线运动轴，使本发明装置的倾斜底座的旋转中心与待加工点法线重合，且距待加工点距离为一定值，使气囊与加工点接触；通过控制气囊工具头的转速和内部气压，实现对光学表面的材料去除。本发明提及的装置能够实现工具头的二维倾斜，只需要数控机床具备三个正交直线运动轴就可以实现对光学非球面或自由曲面法线的追踪，降低了对五轴数控机床或精密机器手的依赖，减小了固定成本投入，是一种低成本、高精度的光学非球面和自由曲面加工装置。

技术领域

本发明涉及一种可自倾斜气囊抛光加工装置，特别涉及对具有复杂光学表面或其它材料表面的抛光加工装置，属于超精密加工领域。

背景技术

随着科技的不断进步，传统的平面或球面光学元件解决方案已经很难满足不断提高的光学系统性能需求，或者会使得系统变得更加复杂。与只使用球面和平面的传统解决方案相比，使用非球面、自由曲面等复杂曲面，可为设计人员提供更多的设计自由度，矫正多种像差，扩大视场，改善成像质量，提高其光学性能；甚至替代多个球面，达到简化仪器结构，降低成本，减轻仪器质量，降低系统的复杂性的目的。目前，非球面或自由曲面已经在在天文观测、空间遥感、高能激光武器、激光核聚变、空间望远镜、VR等诸多领域。

相比球面或平面元件的加工，非球面和自由曲面元件的加工难度更大。球面元件仅需指定其曲率半径一个变量，且由于其轴对称性，使用简单的机床即可完成。非球面和自由曲面往往由多个几何参数控制(如非球面要控制顶点曲率半径，二次项系数，高次项系数、离轴量等)，这要求在制造过程中专用工具必须与光学曲面任意位置的法线和曲面重合。因此，非球面和自由曲面需要精密的五轴机床进行五轴联动才能完成。

随着全球范围内的技术竞争和市场对新型光学元件的需求，先进光学制造技术得到了长足的进步和发展，实现了从传统工艺到计算机控制确定性加工的转变。目前，世界各国科技工作者开展了相关的制造研究并形成了诸如计算机控制表面成形技术、应力盘加工技术、化学机械抛光技术、磁流变抛光技术，磁射流技术，气囊抛光技术，离子束抛光技术等确定性光学表面制造技术。

气囊抛光是20世纪90年代伦敦大学光学实验室提出来的一种新型精密超精密光学加工方法，在原理上可适用于抛光任何几何形状的光学零件，是获得超光滑精密光学表面的理想工艺，是一种很有前途的确定性抛光方法。其优势在于解决边缘无法直接加工的问题，可以主动控制元件边缘质量；气囊变形后与被加工工件表面形成较大面积的仿形接触，约为工具直径的1/3；能适应非球面曲率的变化，有较高的材料去除率，可有效地提高抛光效率，缩短生产周期；能适应快速和精密抛光，甚至自由曲面的抛光和修整。

伦敦大学光学实验室采用一个气压在线可控的柔性气囊，气囊外覆盖抛光布，内置电机驱动抛光头旋转，通过调节气囊的进给深度和气囊气压，通过机械手结构控制气囊在待加工表面的位置，改变抛光接触区的面积及抛光压力，从而得到较大的抛光面积和材料去除量。2000年，英国伦敦大学光学实验室和Zeeko公司合作生产了第一台抛光机床IRP-200，加工面形精度达80nm(PV)、表面粗糙度达3nm(Ra)，粗抛光的材料去除率可达2mm3/min，可用于抛光光学玻璃、镀镍铝、不锈钢、石墨纤维等。随后相继研制了IRP系列抛光机床，加工范围从10mm到3000mm。该技术已成功应用于Euro-50大型天文望远镜，Euro-50的主镜镜片组跨径是50m，由618面跨径约为2m的六边形镜片组成，采用气囊抛光工具抛光得到了5nm(Ra)的表面，每片镜片的抛光时间仅需要15～18小时，抛光效率得到改善。国内哈尔滨工业大学、北京理工大学、厦门大学等研究机构跟踪国外进展也进行了相关的理论和实验研究，并取得了一定成果：试制了气囊抛光样机，但总体与国外技术相差较大。