專利名稱：一種任意曲率半徑光學零件的加工方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學精密制造技術領域，具體涉及一種任意曲率半徑光學零件的加工方法及其設備。
背景技術：
目前，常規的不同曲率半徑工件拋光制造技術，是利用和工件面型吻合的磨具或拋光盤進行拋光制造光學零件。這類方法中的拋光用具有一個相同的特征，有相對較硬和固定不變的面型，因此，在實際的加工中，對不同面形的光學零件，需要制作不同面形的專門的拋光磨具，同時，在加工的過程中需要不斷檢測和校正精磨拋光磨具的面形，才能保證加工的繼續。這是一個需要不斷重復的過程，稍有不慎就會制造出廢品。在整個加工過程中，需要根據零件面形的變化，不斷修正拋光模具，以滿足被加工對象精度的需求。因而在上述傳統方法中人為經驗因素也是一個非常重要的條件，很難實現自動化，不能通過設備的精度控制工件的加工精度。在公開的資料中，也有一些其它技術可以實現任意曲率半徑工件表面的加工，中國專利ZL96198445. 7是美國羅切斯特大學發明的一種用磁流變流體精加工工件表面的方法，該方法是將磁流變液置于一個轉動的輪子表面，帶動磁流變液到一個磁場中，工件和磁場有一定的間隙，磁流變液在通過這個間隙時被磁化，并形成瞬時精加工工具，用于與工件表面的部分接觸并去除工件表面這部分的材料。它類似于一個接觸面很小的點接觸式研磨拋光，來實現需要的面形和光滑表面，需要結合超精密的機械系統和數控技術來實現。中國專利CN 1872494A介紹了一種磁流變柔性精磨拋光設備和方法，其要求工件主軸裝置是移動、自轉和擺動的三維運動主軸裝置，主要是由擺動機構、上下滑動機構和變速旋轉機構組成，機座向上通過連接軸連接有擺架，連接軸中心現即拋光加工控制的虛擬軸，通過控制連接軸跟工件的位置關系實現不同曲率半徑光學零件的加工，這種方式對加工零件的曲率半徑范圍有一定的限制，該方法實現不同曲率半徑加工過程中，零件所繞擺點位置是固定不動的，要實現不同零件的加工時，只能通過改變擺桿的長度來實現。上述的加工方法都是可以實現球面光學零件的加工，但是在技術上還存在一定限制，傳統的方法需要采用特殊的工裝磨具，在進行單件光學零件生產時，其加工成本較高，中國專利ZL96198445. 7采用的是點接觸式的方法，其用于球面或者平面光學零件加工時，加工效率低，中國專利CN 1872494A介紹的方法能實現球面光學零件的加工，且具有較高的加工效率，但是其只能加工部分曲率半徑范圍的球面光學零件。

發明內容
本發明的目的是提供一種任意曲率半徑光學零件的加工方法及其設備，即可高質量且迅速地加工任意曲率半徑的球面光學零件的加工方法。為達到上述目的，本發明提供的技術方案是
一種任意曲率半徑光學零件的加工方法，是通過改變主軸裝置與擺軸裝置在空間的相交點的位置，實現不同曲率半徑的球面光學零件的加工。
實現上述加工方法的一種任意曲率半徑光學零件的加工設備，包括機座、擺軸裝置、擺臂裝置、主軸裝置和磨頭裝置，其特殊之處在于擺軸裝置鉸接安裝在機座上，連接點為坐標原點，擺軸裝置設置于XOZ平面上且與Z軸的夾角可調，擺軸裝置的另一端與擺臂裝置鉸接，擺臂裝置設置于XOY平面上且在XOY平面上可以繞著擺軸裝置做往復的擺動，主軸裝置固定在擺臂裝置上，且主軸裝置在XOZ平面內與Z軸的夾角可調，主軸裝置可沿擺臂裝置在X軸方向上進行左右平行移動，所述磨頭裝置固定在機座上，磨頭裝置設置于XOZ平面內且與Z軸平行設置，磨頭裝置可沿Z軸方向進行上下平行移動，磨頭裝置也可沿著X軸方向進行左右平行移動。上述擺軸裝置包 括擺軸旋轉軸、支架、角度調節裝置和支撐座，支架通過支撐座與機座固連，支撐座的中心線與坐標軸X軸重合，角度調節裝置固定于機座上，擺軸旋轉軸通過軸承固定在支架上；
上述擺臂裝置包括擺動豎架、擺動橫梁、擺臂調平裝置和擺動驅動裝置，擺動橫梁與擺動豎架活動連接，擺臂調平裝置一端與擺動豎架活動連接，另一端與擺動橫梁活動連接，擺動驅動裝置固定于支架上；
上述主軸裝置包括變速電機、減速器、皮帶傳速裝置、滑動平臺、主軸支撐架和旋轉主軸，滑動平臺滑動設置于擺動橫梁上，變速電機固定安裝在滑動平臺上，減速器固定設置于主軸支撐架上，主軸支撐架兩端與滑動平臺活動連接，變速電機通過皮帶傳速裝置與減速器輸入軸連接，減速器的輸出軸與旋轉主軸同心連接，旋轉主軸通過軸承固定于主軸支撐架上；
上述磨頭裝置包括磨頭組件、水平移動臺和升降臺，磨頭組件由環帶結構的磨頭和驅動其旋轉的變速電機組成，磨頭組件安裝在水平移動平臺上，水平移動平臺安裝在升降臺上。本發明相對于現有技術，具有如下優點和效果
I、本發明突破性地提供了一種新的加工方法，并在該方法的指導下提供了一種被加工表面與柔性精磨拋光磨具自適應吻合,進行柔性和可塑性面研磨,還可以加工制造任意曲率半徑面形的光學零件，具有通用性，加工效率高，易于操作和控制；同時無需更換磨具就可對不同曲率或不同型面的工件進行拋光加工的磁流變柔性精磨拋光方法和設備。解決了生產實際中急需的粗糙度小于幾個納米的光學面的超光滑加工的問題。2、本發明的設備具有結構簡單，設備制造成本相比較低，具有較高的加工制造的效率，不用更換工裝夾具，就可以實現不同曲率半徑光學零件的制造，具有非常廣的通用性，在更換不同口徑磨頭中，可以實現不同口徑光學零件的加工，同時實現了柔性、可塑性、通用性加工，效率高，成本低。3、本發明的方法和設備，簡單易行，解決了生產實際中急切需要的高效，低成本，易操作的柔性超精加工問題。


圖I是傳統方法實現不同曲率半徑加工擺動方式示意 圖2是本發明實現不同曲率半徑加工擺動方式示意 圖3是本發明機械結構運動原理示意 圖4是本發明的環帶狀柔性精磨拋光設備結構；圖5是本發明的磁流變柔性精磨拋光實施例中加工凸球面光學面的示意 圖6是本發明的磁流變柔性精磨拋光實施例中加工凹球面光學面的示意 圖7是本發明的磁流變柔性精磨拋光實施例中加工平面光學面的示意 圖8是本發明要求環帶狀磨頭結構形狀；
I-機座，2-擺軸裝置，3-擺臂裝置，4-主軸裝置，5-磨頭裝置，6-光學零件，7-擺軸旋轉軸，8-支架，9-角度調節裝置，10-支撐座，11-擺動豎架，12-擺動橫梁，13-擺臂調平裝置，14-擺動驅動裝置，15-變速 電機，16-減速器，17-皮帶傳速裝置，18-滑動平臺，19-主軸支撐架，20-旋轉主軸，21-磨頭，22-水平移動臺，23-升降臺，24-未磁化的磁流變液，25-賓漢體，26-磁極，27-磨頭電機。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明做詳細地說明。球面光學零件被加工表面是某個球體的一部分，其在空間上一個有一個旋轉對稱點，即球心。零件的加工采用擺動的運動方式時，要求球面光學零件繞球心的擺動，才能夠保證球面光學零件的表面加工出來為球面，否則將會形成一個不規則面。現有技術中，參見圖1，在實現不同曲率半徑半徑加工時，保持擺點的位置不變，即加工光學零件6的球心O點的位置是保持不變的，通過調整主軸裝置4的長度來實現。該方法要求擺軸裝置2通過軸承固定在機座I上，主軸裝置4固定安裝在擺軸裝置2上，且擺軸裝置2與主軸裝置4的交點為光學零件6的球心O點。其核心的思想是擺軸裝置2可以繞自身旋轉中心線轉動，進而帶動主軸裝置4繞球心O點往復擺動。該方法實現了光學零件6繞其球心O點的往復擺動，可用于球面光學零件的加工，但是由于主軸裝置4的長度是有限的，在實際應用過程中不可能將主軸裝置4的長度的變化范圍從Omm變化到無窮長，所以該方法存在的問題是只能夠實現部分曲率半徑球面光學零件的加工。參見圖2，本發明逆向思維，突破了傳統思路的限制，給出了一種任意曲率半徑球面光學零件的加工方法，擺軸裝置2鉸接安裝在機座I上，擺臂裝置3鉸接安裝在擺軸裝置2上，主軸裝置4鉸接安裝在擺臂裝置3上。其設計思路是在實現不同曲率半徑半徑加工時，保持主軸裝置4的長度不變，力口工光學零件6的球心O點在空間中位置可變，且該方法能夠保證，在加工過程中，光學零件6繞球心O點往復擺動。球面光學零件繞球心的擺動，需要保證的是主軸裝置4或者其延長線與擺軸裝置2或者其延長線必須相交于一點，且該相交點就是球心位置。主軸裝置4繞擺軸裝置2作往復擺動，即實現的動作實際是主軸裝置4繞球心O點的往復擺動。本發明給出的一種任意曲率半徑光學零件的加工方法，是通過改變主軸裝置4與擺軸裝置2在空間的相交點的位置，實現不同曲率半徑的球面光學零件的加工。在該方法的指導下，要改變主軸裝置4與擺軸裝置2在空間的相交點位置的方式有很多種，其中
方法一是保持主軸裝置4固定不動，通過調整擺軸裝置2的角度，即引起擺軸裝置2與主軸裝置4的夾角變化來實現。方法二是保持主軸裝置4和擺軸裝置2的夾角不變，通過調整主軸裝置與擺軸裝置2之間的距離來實現。方法三是保持擺軸裝置2固定不動，通過調整主軸裝置4的角度，即引起擺軸裝置2與主軸裝置4的夾角變化來實現。方法四是保持主軸裝置4的角度不變，通過調整擺軸裝置2的角度和調整主軸裝置與擺軸裝置2之間的距離來實現。方法五是保持擺軸裝置2的角度不變，通過調整主軸裝置4的角度和調整主軸裝置與擺軸裝置2之間的距離來實現。 方法六是保持主軸裝置與擺軸裝置2之間的距離不變，通過調整主軸裝置4的角度和調整與擺軸裝置2之間的角度來實現。方法七是調整主軸裝置與擺軸裝置2之間的距離，同時調整主軸裝置4的角度和調整與擺軸裝置2之間的角度來實現，該方式為優選方案，由于其對磨頭的調整機構要求較為簡單，且易于實現，本發明給出了這種優選方案的具體實現方式。參照圖3所述，本發明提供的一種任意曲率半徑光學零件的加工設備，包括機座I、擺軸裝置2、擺臂裝置3、主軸裝置4和磨頭裝置5，擺軸裝置2鉸接安裝在機座I上，連接點為坐標原點，擺軸裝置2設置于XOZ平面上且與Z軸的夾角可調，擺軸裝置2的另一端與擺臂裝置3鉸接，擺臂裝置3設置于XOY平面上且在XOY平面上可以繞著擺軸裝置2做往復的擺動，主軸裝置4固定在擺臂裝置3上，且主軸裝置4在XOZ平面內與Z軸的夾角可調，主軸裝置4可沿擺臂裝置3在X軸方向上進行左右平行移動，所述磨頭裝置5固定在機座I上，磨頭裝置5設置于XOZ平面內且與Z軸平行設置，磨頭裝置5可沿Z軸方向進行上下平行移動，磨頭裝置5也可沿著X軸方向進行左右平行移動。在該運動原理機構中,擺軸裝置2與機座連接點為坐標原點,設為O,水平向右為X軸正方向，垂直頁面向外為Y軸方向，豎直方向向上為Z軸方向。擺軸裝置2與擺臂裝置3的夾角是可變的。擺臂調平裝置13用于，當擺軸與Z軸角度發生變化時，用于調整擺臂裝置的水平。通過擺動驅動裝置驅動擺臂裝置繞擺軸以一定的幅度進行擺動。本發明擺臂裝置、擺軸裝置和主軸裝置可以位于坐標平面XOY之上，而磨頭裝置位于坐標平面XOY之下。同時也可讓擺臂裝置、擺軸裝置和主軸裝置可以位于坐標平面XOY之下，同時磨頭裝置位于坐標平面XOY之上。參照圖4，下面將對本發明提出的結構進行詳細地說明
(一)擺軸裝置2包括擺軸旋轉軸7、支架8、角度調節裝置9和支撐座10，支架8通過支撐座10與機座I固連，支撐座10的中心線與坐標軸X軸重合，角度調節裝置9固定于機座I上，擺軸旋轉軸7通過軸承固定在支架8上。擺軸裝置的功能特征在于實現擺軸裝置與Z軸夾角的調整。支架8繞著X軸進行角度調節，支架8角度的調節通過角度調節裝置9實現；擺軸旋轉軸7繞其中心線位置旋轉；
(二)擺臂裝置3包括擺動豎架11、擺動橫梁12、擺臂調平裝置13和擺動驅動裝置14。擺動橫梁12與擺動豎架11活動連接，擺臂調平裝置13 —端與擺動豎架11活動連接，另一端與擺動橫梁12活動連接，擺動驅動裝置14固定于支架8上。擺臂裝置3的功能特征在于實現擺臂橫梁16與擺動豎架11之間夾角的調整。擺動驅動裝置14驅動擺動豎架11繞著擺軸旋轉軸7往復擺動，帶動其它部件擺動。當支架8與Z軸的夾角發生變化時，引起擺軸旋轉軸7與Z軸的夾角發生變化，進而引起擺動豎架11與Z軸的角度變化。擺臂調平裝置13用于調整擺動橫梁12處于水平狀態。其核心是擺臂調平裝置13，其實現的公知結構非常多，例如下述的結構，主要由斜角支撐桿和連接軸組成，斜角支撐桿一端與擺動橫梁通過連接軸連接，軸的中心線設為A!'，兩者之間的夾角角度可變。斜角支撐桿的另外一端與擺動豎架通過連接軸連接，軸的中心線設為，兩者之間的夾角角度可變。當需要調整擺臂裝置的水平時，通過改變斜角支撐桿的長度，即改變A4'與55'之間的距離實現。
(三)主軸裝置4包括變速電機15、減速器16、皮帶傳速裝置17、滑動平臺18、主軸支撐架19和旋轉主軸20。滑動平臺18滑動設置于擺動橫梁12上，變速電機15固定安裝在滑動平臺18上，減速器16固定設置于主軸支撐架19上，主軸支撐架19兩端與滑動平臺18活動連接，變速電機15通過皮帶傳速裝置17與減速器16輸入軸連接，減速器16的輸出軸與旋轉主軸20同心連接，旋轉主軸20通過軸承固定于主軸支撐架19上。主軸裝置的功能特征在于可實現移動，角度調節和自轉。滑動平臺18可以沿著擺動橫梁12在X方向改變位置。主軸支撐架19隨著滑動平臺18的移動而一同移動，且主軸支撐架19與滑動平臺18的夾角可調。旋轉主軸20自轉運動。滑動平臺18與擺動橫梁12的滑動連接結構，其實現的公知結構非常多，例如下述的結構，主要由導軌和絲杠組成，導軌安裝在擺動橫梁12上，絲杠兩端固定在擺動橫梁12上，滑動平臺18固定在導軌移動副上，通過絲杠就調節滑動平臺18沿X方向的位置。(四)磨頭裝置5包括磨頭組件、水平移動臺22和升降臺23。磨頭組件由環帶結構的磨頭21和驅動其旋轉的變速電機組成，磨頭組件安裝在水平移動平臺22上，水平移動平臺22安裝在升降臺23上。磨頭裝置的功能特征在于實現平面移動、自轉和上下移動。磨頭組件沿著X方向作水平位置調整。變速電機用于驅動磨頭21繞自身旋轉中心線旋轉。磨頭組件和水平移動臺22借助升降臺23沿著Z方向作升降調整。上述任意曲率半徑光學零件的加工設備的使用方法為
一、將被加工工件固定在旋轉主軸20上，根據工件的口徑，選擇合適口徑的磨頭21；
二、根據工件的曲率半徑R，以及磨頭21的中徑D，通過公式(I)計算出旋轉主軸20旋轉中心線與垂直方向Z軸的夾角α，調節旋轉主軸20與Z軸的夾角為α ；
D
R = -.—Cl)
sma
三、根據Of值和公式(2)計算出磨頭21旋轉中心線到坐標原點的距離L1的值，則調節磨頭21在X軸的坐標位置為Li。
π LR = --1--(2)
sm a四、擬定一個合適的擺軸旋轉軸7旋轉中心線與Z軸的夾角β的值，根據公式(3)計算出旋轉主軸20旋轉中心線到坐標原點距離L的值，則調節擺軸旋轉軸7與Z軸的夾角為
β，調節旋轉主軸20在X坐標位置為u
權利要求
1.一種任意曲率半徑光學零件的加工方法，其特征在于是通過改變主軸裝置(4)與擺軸裝置(2)在空間的相交點的位置，實現不同曲率半徑的球面光學零件的加工。
2.一種任意曲率半徑光學零件的加工設備，包括機座(I)、擺軸裝置(2)、擺臂裝置(3)、主軸裝置(4)和磨頭裝置(5)，其特征在于擺軸裝置(2)鉸接安裝在機座(I)上，連接點為坐標原點，擺軸裝置(2)設置于XOZ平面上且與Z軸的夾角可調，擺軸裝置(2)的另一端與擺臂裝置(3)鉸接，擺臂裝置(3)設置于XOY平面上且在XOY平面上可以繞著擺軸裝置(2)做往復的擺動，主軸裝置(4)固定在擺臂裝置(3)上，且主軸裝置(4)在XOZ平面內與Z軸的夾角可調，主軸裝置(4)可沿擺臂裝置(3)在X軸方向上進行左右平行移動，所述磨頭裝置(5)固定在機座(I)上，磨頭裝置(5)設置于XOZ平面內且與Z軸平行設置，磨頭裝置(5 )可沿Z軸方向進行上下平行移動，磨頭裝置(5 )也可沿著X軸方向進行左右平行移動。
3.如權利要求2所述的一種任意曲率半徑光學零件的加工設備，其特征在于 所述擺軸裝置(2)包括擺軸旋轉軸(7)、支架(8)、角度調節裝置(9)和支撐座(10)，支架(8)通過支撐座(10)與機座(I)固連，支撐座(10)的中心線與坐標軸X軸重合，角度調節裝置(9)固定于機座(I)上，擺軸旋轉軸(7)通過軸承固定在支架(8)上； 所述擺臂裝置(3)包括擺動豎架(11)、擺動橫梁(12)、擺臂調平裝置(13)和擺動驅動裝置(14)，擺動橫梁(12)與擺動豎架(11)活動連接，擺臂調平裝置(13) —端與擺動豎架(11)活動連接，另一端與擺動橫梁(12)活動連接，擺動驅動裝置(14)固定于支架(8)上；所述主軸裝置(4)包括變速電機(15)、減速器(16)、皮帶傳速裝置(17)、滑動平臺(18),主軸支撐架(19)和旋轉主軸(20)，滑動平臺(18)滑動設置于擺動橫梁(12)上，變速電機(15)固定安裝在滑動平臺(18)上，減速器(16)固定設置于主軸支撐架(19)上，主軸支撐架(19)兩端與滑動平臺(18)活動連接，變速電機(15)通過皮帶傳速裝置(17)與減速器(16)輸入軸連接，減速器(16)的輸出軸與旋轉主軸(20)同心連接，旋轉主軸(20)通過軸承固定于主軸支撐架(19)上； 所述磨頭裝置(5)包括磨頭組件、水平移動臺(22)和升降臺(23)，磨頭組件由環帶結構的磨頭(21)和驅動其旋轉的變速電機組成，磨頭組件安裝在水平移動平臺(22)上，水平移動平臺(22)安裝在升降臺(23)上。
全文摘要
本發明涉及光學精密制造技術領域，具體涉及一種任意曲率半徑光學零件的加工方法及其設備。本發明的目的是提供一種任意曲率半徑光學零件的加工方法及其設備，即可高質量且迅速地加工任意曲率半徑的球面光學零件的加工方法。為達到上述目的，本發明提供的技術方案是一種任意曲率半徑光學零件的加工方法，是通過改變主軸裝置與擺軸裝置在空間的相交點的位置，實現不同曲率半徑的球面光學零件的加工。本發明加工效率高，易于操作和控制。
文檔編號B24B13/00GK102765029SQ20121027946
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者劉衛國, 彌謙, 杭凌俠, 王紅軍, 田愛玲, 郭忠達, 陽志強, 陳智利 申請人:西安工業大學