一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了属于超精密光学表面加工领域的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置。包括电机、气动旋转接头、固定架、齿轮、轴承、自转驱动轴、公转驱动套筒、自转轴、公转箱体、抛光轮、气囊；工作时，通过数控机床将该装置移动到待加工的位置，气囊与工件接触并下压一定距离，通过改变气压来调节作用在抛光区域上的压力；自转电机通过各级齿轮传递带动抛光轮绕自转轴旋转，公转电机带动公转驱动套筒转动，进而带动公转箱体、抛光轮做公转运动，最终获得了类高斯形的去除函数，实现对光学元件的确定性表面加工。本发明适用于大中型口径光学元件的超精密表面加工。
【专利说明】一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气囊抛光装置，尤其是涉及一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。
技术背景
[0002]随着先进光学制造与检测技术的不断发展，以非球面为关键元件的精密光学系统在高分辨率成像、天文观测、空间光学系统以及诸多军事领域获得了广泛的应用。在光学系统设计中使用非球面光学元件，不仅可以增加光学设计的自由度，而且能够有效地矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离，并能减少光学元件的数量，从而简化光学系统结构、降低成本、有效减小空间光学系统的有效载荷。然而，高精度、高质量的非球面加工技术一直是制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。非球面数量和质量上不断增长的需求对现有的加工方法提出了更高的要求，从而促进了新型结构形式的加工工具和工艺方法的研究。
[0003]为了实施高精度光学元件的计算机数控研磨抛光，上世纪70年代初期，美国Itek公司的W.J.Rupp提出了计算机控制光学表面成形技术(Computer Controlled OpticalSurfacing, CCOS)。从工作原理上讲，该技术根据定量的面形检测数据，按照预先设定的加工路径和去除函数,通过相应的驻留时间的计算,生成加工文件；之后,根据该加工文件，由计算机控制一个小工具头，按照驻留时间改变小工具头的横向移动速度，实现对光学零件进行确定性的研磨或抛光，最终达到面形精度的快速收敛。该技术充分发挥了计算机执行速度快、记忆准确、精度高等优势，使加工的重复精度及效率得到了大幅度的提高。
[0004]然而，由硬质的抛光模构成的抛光头在抛光非球面时遇到了很大的困难，这主要是因为非球面各点的曲率半径不一致造成的。常见的的浙青抛光模，由于其本身的粘弹性的特点，能够产生一定的流动性，但是其变形速度太慢，不能适应高速抛光过程中非球面曲率的变化速度，因此，在各点产生的去除函数各不相同，去除函数的稳定性大大降低，不利于面形精度的快速收敛。
[0005]柔性抛光工具头的出现对开展非球面的超精密表面加工的研究提供了新的思路；由于抛光介质的特点，这种工具头可以瞬间适应非球面的曲率变化，适合非球面的加工。典型的柔性抛光工具头有磁流变抛光、电流变抛光、磁射流抛光等；其中美国QED公司开发的磁流变抛光装置在非球面的抛光中获得了很大的成功，但是设备结构复杂，工艺参数较多。电流变、磁射流目前适用于小口径光学元件的加工，在大中型元件的加工中，效率较低，并且容易产生中高频误差。另外，英国的Zeeko公司开发的进动式气囊工具头，在非球面的加工中也得到了很好的应用，运用独特的运动方式，得到了类高斯状的去除函数。但是其抛光模的线速度较小，去除率相对不高，并且在漏边的情况下容易发生非常严重的塌边现象。
【发明内容】
[0006]本发明针对传统的小工具头抛光装置在非球面的加工中，压力分布不均、与光学元件表面贴合不稳定，以及进动式气囊抛光工具的线速度较小等问题，提出了一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，通过采用柔性的抛光气囊以及公自转的传动结构，避免了数控小工具光学表面加工中由于压力分布不均、与元件表面贴合不稳定的现象；通过轮式的气囊结构，增大了接触区域的线速度，提高了加工效率，是一种结构精巧、集成化程度高、稳定性好的精密光学表面高速加工装置。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]本发明是属于超精密光学表面加工领域的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，包括支架、转接板、自转电机、公转电机、自转电机座、公转电机座、自转电机皮带轮、公转电机皮带轮、自转驱动轴、自转驱动轴上/下齿轮、自转驱动轴上/下气动旋转接头、公转驱动套筒、公转驱动套筒齿轮、自转驱动杆上/下轴承、公转驱动套筒轴承、伞齿轮、第一 / 二自转传递杆、第一 / 二自转传递杆轴承、第一 / 二自转传递杆齿轮、自转轴齿轮、自转轴左/右轴承、自转轴气动旋转接头、抛光轮、抛光轮挡板、气囊、公转箱体、公转箱体左/右侧护板、公转箱体左/右下护板。
[0009]所述的自转运动由自转电机产生，经过各级齿轮和皮带的传动，最终带动气囊绕自转轴旋转。
[0010]所述的公转运动由公转电机产生，带动公转驱动套筒旋转，公转驱动套筒带动抛光轮做公转运动。
[0011]所述的轮式气囊在光学元件表面做公自转运动，产生旋转对称的类高斯状去除函数。
[0012]所述的抛光工具为轮胎状的气囊，轮式气囊固定在抛光轮上，通过定量调节气囊的压缩量和气压来改变施加在抛光区域上的压力以及接触区域的大小。
[0013]所述的气体首先经过一个旋转接头进入该装置，并通过气管和旋转接头进入中空的自转轴，再经过抛光轮内的通气孔进入气囊。
[0014]所述的公转箱体左/右侧护板、公转箱体左/右下护板均与公转箱体通过螺钉连接，方便拆卸。
[0015]所述的轴、齿轮、套筒、轴承、支架都由高强度的材料制成。
[0016]所述抛光装置通过转接板固定在精密机床上，使得装置整体做多自由度的精密运动。
[0017]本发明所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的工作过程如下:
[0018]加工过程中，通过精密数控机床将该抛光装置移动到工件上待加工点的位置，通过控制该装置在Z方向的位置，使气囊与工件接触并下压一定的距离，开启气泵，气体通过自转驱动轴上气动旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转驱动轴、自转驱动轴下气动旋转接头、气管、自转轴气动旋转接头、中空的自转轴、抛光轮的通气管道，最后进入气囊，对接触的光学表面施加稳定的压力。自转电机利用皮带和带轮的传递，依次带动自转驱动轴、第一 / 二自转传递杆、自转轴、抛光轮转动，最终由抛光轮带动气囊产生自转运动；公转电机通过皮带和带轮带动公转驱动套筒转动，公转驱动套筒带动公转箱体旋转，进而带动抛光轮和气囊做公转运动；气囊做公自转双自由度的运动，在接触面上产生类高斯状的去除函数，结合各种加工路径和驻留时间，对光学元件的表面进行确定性的加工。
[0019]有益效果:本发明避免了小工具抛光装置在非球面的加工中压力分布不均、与元件表面贴合不稳定的现象；相比与进动式的气囊抛光装置，增大了接触区域的抛光线速度，提高了加工效率；结合高精度的数控机床，能够实现对大中型口径光学元件的快速、高质量的确定性加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的剖面视图；
[0021]图2为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置侧视图；
[0022]图3为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的抛光轮结构图；
[0023]图4为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的加工状态示意图；
[0024]其中:1-自转电机，2-自转电机座，3-自转电机皮带轮，4-公转电机，5-公转电机座，6-公转电机皮带轮，7-支架，8-转接板，9-转接板固定螺纹孔，10-自转驱动轴上气动旋转接头，11-自转驱动轴上齿轮，12-公转驱动套筒齿轮，13-自转驱动轴，14-公转驱动套筒，15-自转驱动轴上轴承，16-自转驱动轴下轴承，17-公转驱动套筒轴承，18-公转箱体，19-公转箱体左侧护板，20-第二自转传递杆轴承，21-第二自转传递杆，22-自转驱动轴下齿轮，23-第一自转传递杆齿轮,24-第一自转传递杆轴承,25-第一自转传递杆,26-第一自转传递杆伞齿，27-第二自转传递杆齿轮，28-自转驱动轴下气动旋转接头，29-气管，30-公转箱体右侧护板，31-自转轴，32-自转轴齿轮，33-自转轴左轴承，34-公转箱体左下护板，35-公转箱体右下护板，36-自转轴右轴承，37-自转轴气动旋转接头，38-抛光轮挡板，39-抛光轮，40-气囊，41-抛光轮通气孔，42-抛光轮键，43-工件。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0026]如图1所示，为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的剖面结构示意图，包括:1-自转电机，2-自转电机座，3-自转电机皮带轮，4-公转电机，5-公转电机座，6-公转电机皮带轮，7-支架，8-转接板，9-转接板固定螺纹孔，10-自转驱动轴上气动旋转接头，11-自转驱动轴上齿轮，12-公转驱动套筒齿轮，13-自转驱动轴，14-公转驱动套筒，15-自转驱动轴上轴承，16-自转驱动轴下轴承，17-公转驱动套筒轴承，18-公转箱体，19-公转箱体左侧护板，20-第二自转传递杆轴承，21-第二自转传递杆，22-自转驱动轴下齿轮，23-第一自转传递杆齿轮,24-第一自转传递杆轴承,25-第一自转传递杆,26-第一自转传递杆伞齿，27-第二自转传递杆齿轮，28-自转驱动轴下气动旋转接头，29-气管，30-公转箱体右侧护板，31-自转轴，32-自转轴齿轮，33-自转轴左轴承，34-公转箱体左下护板，35-公转箱体右下护板，36-自转轴右轴承，37-自转轴气动旋转接头，38-抛光轮挡板，39-抛光轮，40-气囊。
[0027]其中，自转电机I固定在自转电机座2上，自转电机座2固定在支架7上。支架7固定在转接板8上。公转电机4固定在公转电机座5上，公转电机座5也固定在支架7上。自转电机皮带轮3与自转驱动轴上齿轮11连接，自转驱动轴13通过自转驱动杆上轴承15和自转驱动杆下轴承16固定在公转驱动套筒14中；公转电机皮带轮6与公转驱动套筒齿轮12通过皮带连接，公转驱动套筒14通过公转驱动套筒轴承17固定在支架7上，公转驱动套筒14下端通过螺钉与公转箱体18固定在一起；气体从自转驱动轴的上气动旋转接头10进入中空的自转驱动轴13，传到自转驱动轴下气动旋转接头28，通过气管29与自转轴气动旋转接头37连接；自转驱动轴下齿轮22与第一自转传递杆齿轮23直接接触，第一自转传递杆伞齿26与第二自转传递杆21的伞齿轮直接连接，第一自转传递杆25通过第一自转传递杆轴承24旋转固定在公转箱体上，第二自转传递杆21通过第二自转传递杆轴承20旋转安装在公转箱体左侧护板19上；第二自转传递杆齿轮27通过皮带与自转轴齿轮32连接，自转轴31两端通过自转轴左轴承33和自转轴右轴承36分别固定在公转箱体的左侧护板19和公转箱体的右侧护板30上；公转箱体的左侧护板19和公转箱体的右侧护板30分别通过螺钉固定在公转箱体18上；公转箱体左下护板34和公转箱体右下护板35分别通过螺钉固定在公转箱体18上；抛光轮39安装在自转轴31上，气体通过中空的自转轴31进入抛光轮39的通气孔，进而进入气囊40中。
[0028]如图2所示，为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的侧视图，整个抛光装置通过转接板8固定在数控抛光机床上。
[0029]如图3所示，为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的抛光轮结构图，其中，气体通过抛光轮通气孔41进入气囊中；抛光轮键42插入自转轴31的键槽中，自转轴的旋转带动抛光轮旋转。
[0030]如图4所示，为本发明的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的加工示意图，抛光轮按照加工路径和预先求解的驻留时间停留在工件43上，实现对工件误差的确定性去除。
【权利要求】
1.一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，包括支架、转接板、自转电机、公转电机、自转电机座、公转电机座、自转电机皮带轮、公转电机皮带轮、自转驱动轴、自转驱动轴上/下齿轮、自转驱动轴上/下气动旋转接头、公转驱动套筒、公转驱动套筒齿轮、公转驱动套筒轴承、自转驱动轴上/下轴承、伞齿轮、第一 / 二自转传递杆、第一 / 二自转传递杆轴承、第一 / 二自转传递杆齿轮、自转轴齿轮、自转轴左/右轴承、自转轴气动旋转接头、抛光轮、抛光轮挡板、气囊、公转箱体、公转箱体左/右侧护板、公转箱体左/右下护板； 上述组成部分的连接关系为: 自转电机固定在自转电机座上，自转电机座固定在支架上，支架固定在转接板上，公转电机固定在公转电机座上，公转电机座也固定在支架上，自转电机皮带轮与自转驱动轴的上齿轮连接，自转驱动轴通过轴承固定在公转驱动套筒中；公转电机皮带轮与公转驱动套筒齿轮通过皮带连接，公转驱动套筒通过公转驱动套筒轴承固定在支架上，公转驱动套筒下端通过螺钉与公转箱体固定在一起；气体从自转驱动轴的上旋转接头进入中空的自转驱动轴，传到自转驱动轴下气动旋转接头，其通过气管与自转轴气动旋转接头连接；自转驱动轴下齿轮与第一自转传递杆齿轮直接接触，第一自转传递杆下端的伞齿轮与第二自转传递杆的伞齿轮直接连接，第一自转传递杆通过轴承旋转固定在公转箱体上，第二自转传递杆通过轴承旋转安装在公转箱体的左侧护板上；第二自转传递杆的齿轮通过皮带与自转轴齿轮连接，自转轴两端通过轴承分别固定在公转箱体的左/右侧护板上；公转箱体左/右侧护板分别通过螺钉固定在公转箱体上；公转箱体左/右下护板分别通过螺钉固定在公转箱体上；抛光轮安装在自转轴上，气体通过中空的自转轴进入抛光轮的通气孔，进而进入气囊中；自转轴通过键槽带动抛光轮旋转，产生自转运动；公转箱体的转动带动抛光轮做公转运动，气囊随抛光轮做公自转运动，产生类高斯的去除函数，实现高收敛性的超精密光学表面加工； 本发明所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置的工作过程如下:加工过程中，通过精密数控机床将该抛光装置移动到工件上待加工点的位置，通过控制该装置在Z方向的位置，使气囊与工件接触并下压一定的距离，开启气泵，气体通过自转驱动轴上气动旋转接头进入该装置，依次通过中空的自转驱动轴、自转驱动轴下气动旋转接头、气管、自转轴气动旋转接头、中空的自转轴、抛光轮的通气管道，最后进入气囊，对接触的光学表面施加稳定的压力；自转电机利用皮带和带轮的传递，依次带动自转驱动轴、第一 / 二自转传递杆、自转轴、抛光轮转动，最终由抛光轮带动气囊产生自转运动；公转电机通过皮带和带轮带动公转驱动套筒转动，公转驱动套筒带动公转箱体旋转，进而带动抛光轮和气囊做公转运动；气囊做公自转双自由度的运动，在接触面上产生类高斯状的去除函数，结合各种加工路径和驻留时间，对光学元件的表面进行确定性的加工。
2.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的自转运动由自转电机产生，经过各级齿轮和皮带的传动，最终带动气囊绕自转轴旋转。
3.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的公转运动由公转电机产生，带动公转驱动套筒旋转，公转驱动套筒带动抛光轮做公转运动。
4.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的轮式气囊在光学元件表面做公自转运动，产生旋转对称的类高斯状去除函数。
5.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的抛光工具为轮胎状的气囊，轮式气囊固定在抛光轮上，通过定量调节气囊的压缩量和气压来改变施加在抛光区域上的压力以及接触区域的大小。
6.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的气体首先经过一个旋转接头进入该装置，并通过气管和旋转接头进入中空的自转轴，再经过抛光轮内的通气孔进入气囊，气囊内的压力连续可调。
7.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的公转箱体左/右侧护板、公转箱体左/右下护板均与公转箱体通过螺钉连接，方便拆卸。
8.根据权利要求1所述的一种气压连续可调双自由度轮式气囊抛光装置，其特征在于:所述的轴、齿轮、.套筒、轴承、支架都由高强度的材料制成。
【文档编号】B24B13/00GK103465131SQ201310418928
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】程灏波, 董志超, 刘杨, 苏景诗, 吴恒宇, 杨昊, 谭汉元 申请人:北京理工大学