曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，属于精密加工领域。通过直流伺服电机和压电驱动器的宏动/微动结合的进给方式，结合公转运动单元的定向运动关节，可实现加工回转半径的精确调整，球形磨削头公转运动的实现依托于摆动支撑架和自转运动电机在两个正交方向的旋转自由度。与此同时，通过对凹透镜试件竖直方向高度的精确随动调整，亦可实现被加工透镜的曲率半径的调整。本发明采用立式结构，体积小巧，布局紧凑，其整体尺寸小，可有效提高现有非球面光学透镜研磨技术加工的效率，适用于微小型非球面凹透镜光学器件的精密加工，以拓宽微小型非球面透镜在航天航空、军事系统以及光通讯等领域的应用。
【专利说明】
曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密加工领域，特别涉及非球面透镜精密磨削加工领域，尤指一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置。通过该装置磨削加工出的非球面凹透镜可有效改善球面透镜矫正像差的效果，改善成像品质，提高系统鉴别能力。非球面透镜在航天航空、照相摄像、军事系统、光通讯和激光应用领域的应用极为广泛，本发明因其结构紧凑、成本低廉、操作简易、加工效率高，可为微小型非球面凹透镜的制造提供加工方法。
【背景技术】
[0002]应用非球面光学元器件可以增加光学设计的自由度，并且对改善光学系统成像质量，提高光学性能，减小外形尺寸和重量起着重要的作用。小型非球面光学器件的加工技术主要包括数控研磨成型、离子束抛光法、模压成型法、真空镀膜法、精密单点金刚石车削等。目前，加工小型非球面透镜的方法主要是研磨法和模压成型法，而离子抛光法和真空镀膜法主要用来加工较大的反射非球面。研磨法是非球面光学器件的基本加工方法。按照磨具与零部件的基础特点，研磨法可分为点接触、线接触和面接触三种。一般的点接触制造方法加工精度较低，主要用于研磨过程的粗成型加工，而线接触制造精度稍高，面接触的制造精度为最高。研磨法一般是借助凸轮仿形机以及数控机床等工艺设备实现的。对于小尺寸的非球面光学器件而言，一般预先采用数控机床研磨成型，然后再利用手工抛光方法成型，若高精度要求，则该过程中附以检验和修带工艺。模压成型方法主要是针对塑料光学零件。由这种加工方法生产的光学零件，可以用作一般的聚光镜和较为简易的光学系统透镜。目前国内生产的塑料非球面透镜大多数是采用金属模具热压成型的，如菲涅耳放大镜和史密特矫正板。随着高精度金属模具的发展，目前已经出现了能够满足光学零件的表面粗糙度要求和曲面形状要求的金属模具，因此采用模压成型制造的塑料非球面光学零件可在一定程度上替代部分玻璃态光学零件。
[0003]如前所述，非球面透镜加工技术采用的主要加工方法为数控研磨与抛光技术、模压成型技术和超精密单点金刚石车削等。
[0004](I)数控研磨与抛光技术
数控研磨与抛光技术是从计算机控制光学表面成形技术(CCOS)发展而来的。CCOS技术是由美国Itek公司在七十年代初期最先提出的技术思想。它用计算机控制超精密统磨机床对工件进行成形磨削，然后再用柔性抛光设备抛光，在提高精磨面形精度的同时改变工件表面粗糖度，使其达到光学元件质量标准。此技术的基本原理是:根据光学面形检测仪器检测出的面形数据，创建加工的控制模型，利用计算机控制小磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量，从而实现对工件进行抛光。
[0005](2)模压成型技术
模压成型技术是一项需要特定机床的综合性比较强的加工方法，主要适用于玻璃等材料。在高温高压和无氧的条件下，把软化的光学材料放入高精度模具中，直接模压出达到光学标准的成型零件。自20世纪八十年代中期开发此技术至今已将近三十年，模压成型技术已成为非球面制造行业中较为先进的加工技术之一，并且在许多国家得到广泛应用。由于此技术可以直接将光学材料模压成精密光学系统元件，大大降低了制造成本，使得非球面玻璃材料的光学零件在光学系统中开始得到广泛应用，也给光电系统设计带来了巨大变化和发展。此技术不仅使光学设备重量降低、体积减小、材料节省、光学零件渡膜和工件装配的工作量减少、成本降低，而且还提高了光学系统成像的质量，改善了光学系统的性能。模压法的特点是:①可以批量化生产非球面透镜；②模具制造难度大、成本高，适用于超大批量生产；③无法进行中大口径的模压；④工艺参数复杂，如温度、时间、压力等。
[0006](3)超精密数控单点金刚石车削
车削非球面所用的超精密加工设备为超精密单点金刚石车床，其溜板运动精度和主轴旋转精度比一般数控机床要高很多。超精密单点金刚石车床是加工高精密光学零件的重要装备。超精密单点金刚石车床主要用于中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料光学零件的加工，其特点是加工精度高、生产效率高、重复性好，加工成本与传统加工相比明显降低，适合批量生产。
[0007]虽然目前非球面加工技术己经非常成熟，但是对于硅、玻璃等脆性材料而言，单点金刚石车削难以获得较理想的非球面面形，且金刚石车刀的磨损非常严重，加工成本高、效率低；模压成型法对金属模具的精度要求较高，适合加工精度较低的塑料非球面工件；而离子束抛光法需要的设备和加工成本较高，且效率低，这些加工方法均不适合用来加工非球面凹透镜。数控设备加工非球面凹透镜时，由于材料硬且脆、韧性差、强度和材料的屈服极限比较接近，故加工此特性的材料时，容易出现脆断失效等现象。因此，目前针对脆性材料普遍使用的非球面加工技术为研磨、抛光技术。数控研磨非球面加工方法属于固着磨料加工，具有加工确定性、重复性好等优点。该技术利用盘形或杯形砂轮可加工大批量、中等口径和非球面度较小口径的非球面透镜。但对于较小尺寸的透镜加工还存在许多困难。利用研磨方法可加工的材料类型多样，除了单晶锗、单晶桂、玻璃等脆性材料外，还可以加工有色金属和其他塑料等材料。而抛光加工是非球面生产周期中占用时间最长的一道工序，光学器件的抛光技术是无损伤表面的微量材料去除加工方法，而非球面抛光精度直接影响光学系统的成像质量。
[0008]综上，针对上述数控研磨与抛光技术、模压成型技术和单点金刚石车削技术等在非球面凹透镜加工领域的研究现状，非球面凹透镜加工装置的研制面临着结构小型化、力口工效率提升、成本降低、精度提高等多方面的要求。因此，设计一种用于结构紧凑、体积小巧，装备开发和制造成本较低，加工精度和效率较高的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置十分必要。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明米用立式布局，主体尺寸为82mmX82mmX263mm,通过宏微进给单元输出精密可控进给位移，通过公转运动单元和自转运动单元可分别对球形磨削头的加工回转半径以及凹透镜试件的曲率半径进行调整，装置的透镜安装及调整单元具备三轴精密位移调整功能。本发明适用于微小型非球面凹透镜光学器件的精密加工，具有结构紧凑、成本低廉、操作简易、加工效率高和便携的特点，可为小型非球面凹透镜的制造提供加工方法。
[0010]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，包括宏微进给单元、公转运动单元、自转运动单元、透镜安装及调整单元、冷却单元以及支撑基座单元，其中宏微进给单元中的进给电机法兰40和进给支撑架36分别与支撑基座单元中的上安装板4以及右侧立板37螺纹刚性连接，公转运动单元中的定向公转旋转关节13和定向摆动关节14分别通过公转电机法兰30和自转电机法兰15与宏微进给单元中的柔性教铰链32和自转运动单元中的自转运动电机42刚性连接；自转运动单元中的摆动支撑架27通过外摆动轴承16分别与支撑基座的单元左侧立板5和右侧立板37的中心定位孔过赢连接；透镜安装及调整单元中的移动平台基板46通过螺纹连接方式安装在支撑基座单元中基座20的凹形定位槽中，冷却单元中的冷却液容器9通过与支撑基座单元中的左侧立板5螺纹刚性连接；
所述宏微进给单元包括编码器1、直流伺服电机2、减速器3、进给电机法兰40、联轴器6、滚珠丝杠固定支撑座7、滚珠丝杠8、压电叠堆31、柔性铰链32、导轨滑块33、丝杠法兰34、线性导轨35、进给支撑架36和制动器39，其中直流伺服电机组件结合滚珠丝杠传动组件作为宏动进给子单元实现定向公转旋转关节13在竖直方向的进给运动，由压电叠堆31和柔性铰链32组成的压电驱动器实现定向公转旋转关节13在竖直方向的精密微动进给；制动器39用于防止在系统突然断电情况下滚珠丝杠传动组件由于无法实现自锁而导致的丝杠法兰34的自由下滑；柔性铰链32采用圆弧过渡型铰链形式并输出等幅均布位移；
所述公转运动单元包括公转盘式电机12、定向公转旋转关节13、定向摆动关节14和公转电机法兰30，所述定向摆动关节14、公转电机法兰30分别与自转电机法兰15、柔性铰链32刚性连接，定向公转旋转关节13、定向摆动关节14均由精密滚动轴承和旋转定位销组成；
所述自转运动单元包括自转电机法兰15、外摆动轴承16、摆动支撑架27、外摆动轴28、内摆动轴承29、自转运动电机42以及内动摆轴43，所述摆动支撑架27与外摆动轴28刚性连接，自转运动电机42的定子部分与内摆动轴43刚性连接，外摆动轴28、内摆动轴43分别通过外摆动轴承16、内摆动轴承29套接于左、右侧立板5、37及摆动支撑架27的定位孔中；
所述透镜安装及调整单元包括凹透镜试件17、工作台25、球形磨削头26以及三自由度进给子单元，所述三自由度子单元包括X向调整旋钮18、x向进给平台19、y向调整旋钮21、Y向进给平台22、z向进给平台23、定位销轴45、z向进给电机46、支撑托板24以及移动平台基板46,所述球形磨削头26通过其定位孔与自转运动电机42的转轴套接,支撑托板24与工作台25螺纹刚性连接；三自由度子单元对工作台25进行初始定位并通过随动调整工作台25的竖直方向位移实现被加工凹透镜试件17曲率半径的改变；
所述冷却单元包括冷却液容器9、冷却液容器紧固螺钉10以及冷却管11，所述冷却液容器9通过冷却液紧固螺钉10与左侧立板5刚性连接，并和与右侧立板37刚性连接的进给支撑架36对称安装，从而起到配重作用；冷却管11为柔性软管，其初始位置处于被加工凹透镜试件17的边缘近端；冷却液的流量随公转盘式电机12及自转运动电机42转速的提高而增加；
所述支撑基座单元包括上安装板4、左侧立板5、基座20、右侧立板37以及立板安装螺钉38，所述上安装板4与基座20均设有与左、右侧立板5、37等宽且对称布置的矩形定位槽，以实现左侧立板5与右侧立板37的平行安装并保证其与上安装板4和基座20的平行度。
[0011]所述的柔性铰链32和压电驱动器实现竖直方向，即z向微进给运动，所述柔性铰链32具有圆柱环形式内包络结构，所述压电驱动器由四个xy平面环形阵列排布的压电叠堆31组成；当高频激励电压同时作用在四个压电叠堆31上时，该驱动器输出高频等幅均布位移，即可实现球形磨削头26对凹透镜试件17的高频往复磨削加工；所述压电驱动器的最大有效输出位移为42.1 μ m，对应于球形磨削头26在水平面，即xy平面和竖直方向上的最大位移分别为24.2 μ m和6.8 μ m。
[0012]所述的定向公转旋转关节13、定向摆动关节14均能提供一个旋转方向的摆动自由度；当宏微进给单元输出确定的驱动位移后，与宏微进给单元传动链末端组件——柔性铰链刚性连接的公转盘式电机12输出相同的位移，竖直位移通过公转旋转关节13和定向摆动关节14的运动转换，实现对球形磨削头26圆形运动轨迹的回转半径的精确调整，即本发明的加工对象可涵盖不同直径尺寸的凹透镜试件17 ;本发明可实现的凹透镜试件17直径的加工范围为7.2mm—26.3mm，定向公转旋转关节13和定向摆动关节14可实现的摆动角度范围分别为90° —180°以及72° —180°。
[0013]所述的凹透镜试件17的非球面曲面部分的加工曲率半径可调；当宏微进给单元输出确定进给位移后，球形磨削头26的公转运动半径随之确定，即球形磨削头26的圆周运动轨迹是确定的，当z向进给电机45输出确定角位移后，工作台25带动凹透镜试件17在竖直方向上产生定向移动，球形磨削头26与凹透镜试件17的接触面积增加或减小，相应的磨削加工量亦增加或减小，对应于宏微进给单元输出的不同进给位移，球形磨削头26的公转运动半径随之改变，通过进一步调整凹透镜试件17的竖直方向位移，实现对凹透镜试件17曲率半径的精确连续调整。
[0014]所述的左侧立板5及右侧立板37在临近球形磨削头26的几何中心轴线处均加工有宽度为Imm的纵向条纹，在该条纹的正下方，工作台25临近左侧立板5及右侧立板37的侧边亦加工有宽度为3mm的横向矩形槽和宽度为Imm的纵向条纹，矩形槽的长度长于凹透镜试件17的加工直径以便于确保凹透镜试件17的中心点与工作台25的几何中心的一致性，工作台25的纵向条纹亦与左侧立板5、右侧立板37的纵向条纹保持对齐以确保工作台25的几何中心处于两条纵向条纹的连接轴线上。
[0015]所述的工作台25台面上加工有密集的阵列孔位，工作台25与凹透镜试件17的相对位置是通过一组安装在定位孔中的定位销轴44实现的，定位销轴44与凹透镜试件17的外圆母线保持线接触；球形磨削头26上加工有互相垂直的两个细牙螺纹孔，自转运动电机42的输出轴端具有互相垂直的两个定位平面，球形磨削头26通过两个细牙螺栓套接并固定安装在自转运动电机42的转轴上。
[0016]所述的球形磨削头26公转运动通过公转盘式电机12、外摆动轴承16、摆动支撑架27、外摆动轴28、内摆动轴承29及内摆动轴43实现，所述摆动支撑架27通过外摆动轴承16与外摆动轴28实现球形磨削头26单一方向的摆动运动，自转运动电机42则通过内摆动轴承29和内摆动轴43实现球形磨削头26另一单一垂直方向的摆动运动，结合公转盘式电机12输出的连续转矩和角位移，球形磨削头26实现连续的变速圆周运动，圆周运动的速率取决于公转盘式电机12输出的角速度。
[0017]所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置的主体尺寸为82mm X 82mm X 263mm。
[0018]本发明的有益效果在于:与现有装置相比，本发明具有结构紧凑、体积小巧、可便携化、加工效率高等特点，主体尺寸为82mmX82mmX263mm，适用于微小型非球面凹透镜光学器件的精密加工，可加工凹透镜试件的直径范围为7.2mm—26.3mm。此外，本发明的凹透镜试件安装便捷、球形磨削头易实现更换，加工回转半径和凹透镜试件的曲率半径连续可调，可有效提高现有非球面光学透镜研磨技术加工的效率，以拓宽微小型非球面透镜在航天航空、军事系统以及光通讯等领域的应用。实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0020]图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的宏动进给子单元示意图；
图3为本发明的微动进给子单元、公转运动单元及自转运动单元示意图；
图4为本发明的球形磨削头安装方法示意图；
图5为本发明的凹透镜试件定位方法示意图；
图6为本发明的透镜安装及调整单元示意图；
图7为本发明利用纵向及横向条纹对凹透镜试件位置进行定位的示意图；
图8、图9为本发明的加工半径调整和曲率半径调整的原理示意图。
[0021]图中:1、编码器；2、直流伺服电机；3、减速器；4、上安装板；5、左侧立板；6、联轴器；7、滚珠丝杠固定支撑座；8、滚珠丝杠；9、冷却液容器；10、冷却液容器紧固螺钉；11、冷却管；12、公转盘式电机；13、定向公转旋转关节；14、定向摆动关节；15、自转电机法兰；16、外摆动轴承；17、凹透镜试件；18、x向调整旋钮；19、x向进给平台；20、基座；21、y向调整旋钮；22、y向进给平台；23、z向进给平台；24、支撑托板；25、工作台；26、球形磨削头；27、摆动支撑架；28、外摆动轴；29、内摆动轴承；30、公转电机法兰；31、压电叠堆；32、柔性铰链；33、导轨滑块；34、丝杠法兰；35、线性导轨；36、进给支撑架；37、右侧立板；38、立板安装螺钉；39、制动器；40、进给电机法兰；41、铰链安装架；42、自转运动电机；43、内摆动轴；44、定位销轴；45、z向进给电机。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0023]参见图1至图9所示，本发明的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，包括宏微进给单元、公转运动单元、自转运动单元、透镜安装及调整单元、冷却单元以及支撑基座单元，其中宏微进给单元中的进给电机法兰40和进给支撑架36分别与支撑基座单元中的上安装板4以及右侧立板37螺纹刚性连接，公转运动单元中的定向公转旋转关节13和定向摆动关节14分别通过公转电机法兰30和自转电机法兰15与宏微进给单元中的柔性教铰链32和自转运动单元中的自转运动电机42刚性连接；自转运动单元中的摆动支撑架27通过外摆动轴承16分别与支撑基座的单元左侧立板5和右侧立板37的中心定位孔过赢连接；透镜安装及调整单元中的移动平台基板46通过螺纹连接方式安装在支撑基座单元中基座20的凹形定位槽中，冷却单元中的冷却液容器9通过与支撑基座单元中的左侧立板5螺纹刚性连接；
参见图1至图4所示，所述宏微进给单元包括编码器1、直流伺服电机2、减速器3、进给电机法兰40、联轴器6、滚珠丝杠固定支撑座7、滚珠丝杠8、压电叠堆31、柔性铰链32、导轨滑块33、丝杠法兰34、线性导轨35、进给支撑架36和制动器39，其中直流伺服电机组件结合滚珠丝杠传动组件作为宏动进给子单元实现定向公转旋转关节13在竖直方向的进给运动，由压电叠堆31和柔性铰链32组成的压电驱动器实现定向公转旋转关节13在竖直方向的精密微动进给；制动器39用于防止在系统突然断电情况下滚珠丝杠传动组件由于无法实现自锁而导致的丝杠法兰34的自由下滑；柔性铰链32采用圆弧过渡型铰链形式并输出等幅均布位移；
所述公转运动单元包括公转盘式电机12、定向公转旋转关节13、定向摆动关节14和公转电机法兰30，所述定向摆动关节14、公转电机法兰30分别与自转电机法兰15、柔性铰链32刚性连接，定向公转旋转关节13、定向摆动关节14均由精密滚动轴承和旋转定位销组成；
所述自转运动单元包括自转电机法兰15、外摆动轴承16、摆动支撑架27、外摆动轴28、内摆动轴承29、自转运动电机42及内动摆轴43，摆动支撑架27与外摆动轴28刚性连接，自转运动电机42的定子部分与内摆动轴43刚性连接，外摆动轴28、内摆动轴43分别通过外摆动轴承16、内摆动轴承29套接于左、右侧立板5、37及摆动支撑架27的定位孔中；
参见图5至图7所示，所述透镜安装及调整单元包括凹透镜试件17、工作台25、球形磨削头26以及三自由度进给子单元，所述三自由度子单元包括X向调整旋钮18、X向进给平台19、y向调整旋钮21、y向进给平台22、z向进给平台23、定位销轴45、z向进给电机46、支撑托板24以及移动平台基板46，所述球形磨削头26通过其定位孔与自转运动电机42的转轴套接，支撑托板24与工作台25螺纹刚性连接；三自由度子单元对工作台25进行初始定位并通过随动调整工作台25的竖直方向位移实现被加工凹透镜试件17曲率半径的改变；
所述冷却单元包括冷却液容器9、冷却液容器紧固螺钉10以及冷却管11，所述冷却液容器9通过冷却液紧固螺钉10与左侧立板5刚性连接，并和与右侧立板37刚性连接的进给支撑架36对称安装，从而起到配重作用；冷却管11为柔性软管，其初始位置处于被加工凹透镜试件17的边缘近端；冷却液的流量随公转盘式电机12及自转运动电机42转速的提高而增加；
所述支撑基座单元包括上安装板4、左侧立板5、基座20、右侧立板37以及立板安装螺钉38，所述上安装板4与基座20均设有与左、右侧立板5、37等宽且对称布置的矩形定位槽，以实现左侧立板5与右侧立板37的平行安装并保证其与上安装板4和基座20的平行度。
[0024]所述的柔性铰链32和压电驱动器实现竖直方向，即z向微进给运动，所述柔性铰链32具有圆柱环形式内包络结构，所述压电驱动器由四个xy平面环形阵列排布的压电叠堆31组成；当高频激励电压同时作用在四个压电叠堆31上时，该驱动器输出高频等幅均布位移，即可实现球形磨削头26对凹透镜试件17的高频往复磨削加工；所述压电驱动器的最大有效输出位移为42.1 μ m，对应于球形磨削头26在水平面，即xy平面和竖直方向上的最大位移分别为24.2 μ m和6.8 μ m。
[0025]所述的定向公转旋转关节13、定向摆动关节14均能提供一个旋转方向的摆动自由度；当宏微进给单元输出确定的驱动位移后，与宏微进给单元传动链末端组件——柔性铰链刚性连接的公转盘式电机12输出相同的位移，竖直位移通过公转旋转关节13和定向摆动关节14的运动转换，实现对球形磨削头26圆形运动轨迹的回转半径的精确调整，即本发明的加工对象可涵盖不同直径尺寸的凹透镜试件17 ;本发明可实现的凹透镜试件17直径的加工范围为7.2mm—26.3mm，定向公转旋转关节13和定向摆动关节14可实现的摆动角度范围分别为90° —180°以及72° —180°。
[0026]所述的凹透镜试件17的非球面曲面部分的加工曲率半径可调；当宏微进给单元输出确定进给位移后，球形磨削头26的公转运动半径随之确定，即球形磨削头26的圆周运动轨迹是确定的，当z向进给电机45输出确定角位移后，工作台25带动凹透镜试件17在竖直方向上产生定向移动，球形磨削头26与凹透镜试件17的接触面积增加或减小，相应的磨削加工量亦增加或减小，对应于宏微进给单元输出的不同进给位移，球形磨削头26的公转运动半径随之改变，通过进一步调整凹透镜试件17的竖直方向位移，实现对凹透镜试件17曲率半径的精确连续调整。
[0027]所述的左侧立板5及右侧立板37在临近球形磨削头26的几何中心轴线处均加工有宽度为Imm的纵向条纹，在该条纹的正下方，工作台25临近左侧立板5及右侧立板37的侧边亦加工有宽度为3mm的横向矩形槽和宽度为Imm的纵向条纹，矩形槽的长度长于凹透镜试件17的加工直径以便于确保凹透镜试件17的中心点与工作台25的几何中心的一致性，工作台25的纵向条纹亦与左侧立板5、右侧立板37的纵向条纹保持对齐以确保工作台25的几何中心处于两条纵向条纹的连接轴线上。
[0028]所述的工作台25台面上加工有密集的阵列孔位，工作台25与凹透镜试件17的相对位置是通过一组安装在定位孔中的定位销轴44实现的，定位销轴44与凹透镜试件17的外圆母线保持线接触；球形磨削头26上加工有互相垂直的两个细牙螺纹孔，自转运动电机42的输出轴端具有互相垂直的两个定位平面，球形磨削头26通过两个细牙螺栓套接并固定安装在自转运动电机42的转轴上。
[0029]所述的球形磨削头26公转运动通过公转盘式电机12、外摆动轴承16、摆动支撑架27、外摆动轴28、内摆动轴承29及内摆动轴43实现，所述摆动支撑架27通过外摆动轴承16与外摆动轴28实现球形磨削头26单一方向的摆动运动，自转运动电机42则通过内摆动轴承29和内摆动轴43实现球形磨削头26另一单一垂直方向的摆动运动，结合公转盘式电机12输出的连续转矩和角位移，球形磨削头26实现连续的变速圆周运动，圆周运动的速率取决于公转盘式电机12输出的角速度。
[0030]参照图1至图9所示，本发明所涉及的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，该装置采用立式布局，整体尺寸约为82mmX82mmX263mm。本发明中涉及到的主要元器件的具体型号为:编码器I的型号为Maxon MR-512，直流伺服电机2的型号为Maxon EC_max22，减速器3的型号为Maxon GP-32S，公转盘式电机12的型号为Maxon EC_Flat20，压电叠堆31的型号为XP-8X8/18，自转运动电机42的型号为Maxon EC_max30。
[0031]在具体的测试过程中，测试装置宜置于气浮隔振台上以削弱外部振动对磨削加工的影响。盘式凹透镜试件17首先被放置于工作台25的定位平板上，并使凹透镜试件17的圆心与工作台25的几何中心尽量一致。通过调整X向调整旋钮18和J向调整旋钮21分别驱动X向进给平台19和y向进给平台22实现工作台25水平面位移的调整，当左侧立板5及右侧立板37上的纵向条纹与工作台25侧面宽度为Imm的纵向条纹共线时，可确保工作台25的初始位置。
[0032]进一步，通过观察工作台25的横向矩形槽边缘与凹透镜试件17外母线的距离，可由一组安装在定位孔中的定位销轴44将凹透镜试件17与工作台25的相对位置进行确定。在完成凹透镜试件17的安装于定位之后，通过脉冲/方向控制方式驱动直流伺服电机2输出精确可控位移，带动丝杠法兰34和铰链安装架41向下运动，从而使得定向公转旋转关节13和定向摆动关节14均产生较大的摆动角度，此时，摆动支撑架27通过外摆动轴承16和外摆动轴28绕左侧立板5及右侧立板37产生大角度摆动量，球形磨削头26运动轨迹的弦长应大于凹透镜试件17的直径。
[0033]驱动z向进给电机45输出确定角位移，工作台25带动凹透镜试件17产生向上的小幅定向移动，当带动凹透镜试件17与球形磨削头26发生初始接触后，z向进给运动停止。此时，手动调整柔性冷却管11并确保其初始位置处于被加工凹透镜试件17的边缘近端，打开冷却液容器9的流量阀门并释放冷却液至凹透镜试件17凹面处。驱动公转盘式电机12和自转运动电机42并在加工初始阶段确保其低速运转，当进入平稳磨削阶段后，逐渐提高驱动公转盘式电机12和自转运动电机42的转速，此时冷却液的流量随公转盘式电机12以及自转运动电机42转速的提高而增加。在此基础上，通过向四个压电叠堆31同时施加高频激励电压，作为微动进给子单元的驱动器可输出高频等幅均布位移，即可实现在确定的加工回转半径下球形磨削头26对凹透镜试件17的高频往复磨削加工。在完成该确定回转半径的圆周磨削加工厚，进一步驱动直流伺服电机2输出小幅反向位移，带动铰链安装架41向上小幅运动，定向摆动关节14亦产生小幅反向摆动角度，此时球形磨削头26运动轨迹的弦长小幅减小。
[0034]重复上述操作步骤，可实现加工回转半径的精密调整，即可完成对凹透镜试件17不同半径处的圆周磨削加工。当非球面凹透镜试件17的曲率半径已知时，z向进给电机45可根据不同加工回转对应的曲率值调整其输出的角位移，进而带动凹透镜试件17在竖直方向上产生相应的计算位移量，即可通过球形磨削头26与凹透镜试件17的改变调整磨削加工量，以实现对凹透镜试件17曲率半径的精确连续调整。
[0035]以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:包括宏微进给单元、公转运动单元、自转运动单元、透镜安装及调整单元、冷却单元以及支撑基座单元，其中宏微进给单元中的进给电机法兰(40)和进给支撑架(36)分别与支撑基座单元中的上安装板(4)以及右侧立板(37)螺纹刚性连接，公转运动单元中的定向公转旋转关节(13)和定向摆动关节(14)分别通过公转电机法兰(30)和自转电机法兰(15)与宏微进给单元中的柔性教铰链(32)和自转运动单元中的自转运动电机(42)刚性连接；自转运动单元中的摆动支撑架(27)通过外摆动轴承(16)分别与支撑基座的单元左侧立板(5)和右侧立板(37)的中心定位孔过赢连接；透镜安装及调整单元中的移动平台基板(46)通过螺纹连接方式安装在支撑基座单元中基座(20)的凹形定位槽中，冷却单元中的冷却液容器(9)通过与支撑基座单元中的左侧立板(5)螺纹刚性连接； 所述宏微进给单元包括编码器(I)、直流伺服电机(2)、减速器(3)、进给电机法兰(40)、联轴器(6)、滚珠丝杠固定支撑座(7)、滚珠丝杠(8)、压电叠堆(31)、柔性铰链(32)、导轨滑块(33 )、丝杠法兰(34 )、线性导轨(35 )、进给支撑架(36 )和制动器(39 )，其中直流伺服电机组件结合滚珠丝杠传动组件作为宏动进给子单元实现定向公转旋转关节(13)在竖直方向的进给运动，由压电叠堆(31)和柔性铰链(32)组成的压电驱动器实现定向公转旋转关节(13)在竖直方向的精密微动进给；制动器(39)用于防止在系统突然断电情况下滚珠丝杠传动组件由于无法实现自锁而导致的丝杠法兰(34)的自由下滑；柔性铰链(32)采用圆弧过渡型铰链形式并输出等幅均布位移； 所述公转运动单元包括公转盘式电机(12)、定向公转旋转关节(13)、定向摆动关节(14 )和公转电机法兰(30 )，所述定向摆动关节(14 )、公转电机法兰(30 )分别与自转电机法兰(15 )、柔性铰链(32 )刚性连接，定向公转旋转关节(13 )、定向摆动关节(14 )均由精密滚动轴承和旋转定位销组成； 所述自转运动单元包括自转电机法兰(15)、外摆动轴承(16)、摆动支撑架(27)、外摆动轴(28)、内摆动轴承(29)、自转运动电机(42)以及内动摆轴(43)，所述摆动支撑架(27)与外摆动轴(28)刚性连接，自转运动电机(42)的定子部分与内摆动轴(43)刚性连接，外摆动轴(28)、内摆动轴(43)分别通过外摆动轴承(16)、内摆动轴承(29)套接于左、右侧立板(5、37)及摆动支撑架(27)的定位孔中； 所述透镜安装及调整单元包括凹透镜试件(17)、工作台(25)、球形磨削头(26)以及三自由度进给子单元，所述三自由度子单元包括X向调整旋钮(18)、X向进给平台(19)、y向调整旋钮(21)、y向进给平台(22)、z向进给平台(23)、定位销轴(45)、z向进给电机(46)、支撑托板(24)以及移动平台基板(46)，所述球形磨削头(26)通过其定位孔与自转运动电机(42)的转轴套接，支撑托板(24)与工作台(25)螺纹刚性连接；三自由度子单元对工作台(25)进行初始定位并通过随动调整工作台(25)的竖直方向位移实现被加工凹透镜试件(17)曲率半径的改变； 所述冷却单元包括冷却液容器(9)、冷却液容器紧固螺钉(10)以及冷却管(11)，所述冷却液容器(9)通过冷却液紧固螺钉(10)与左侧立板(5)刚性连接，并和与右侧立板(37)刚性连接的进给支撑架(36)对称安装，从而起到配重作用；冷却管(11)为柔性软管，其初始位置处于被加工凹透镜试件(17)的边缘近端；冷却液的流量随公转盘式电机(12)及自转运动电机(42)转速的提高而增加； 所述支撑基座单元包括上安装板(4)、左侧立板(5)、基座(20)、右侧立板(37)以及立板安装螺钉(38)，所述上安装板(4)与基座(20)均设有与左、右侧立板(5、37)等宽且对称布置的矩形定位槽，以实现左侧立板(5)与右侧立板(37)的平行安装并保证其与上安装板(4)和基座(20)的平行度。
2.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的柔性铰链(32)和压电驱动器实现竖直方向，即z向微进给运动，所述柔性铰链(32)具有圆柱环形式内包络结构，所述压电驱动器由四个xy平面环形阵列排布的压电叠堆(31)组成；当高频激励电压同时作用在四个压电叠堆(31)上时，该驱动器输出高频等幅均布位移，即可实现球形磨削头(26)对凹透镜试件(17)的高频往复磨削加工；所述压电驱动器的最大有效输出位移为42.1 μ m，对应于球形磨削头(26)在水平面，即xy平面和竖直方向上的最大位移分别为24.2 μ m和6.8 μ m。
3.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的定向公转旋转关节(13)、定向摆动关节(14)均能提供一个旋转方向的摆动自由度；当宏微进给单元输出确定的驱动位移后，与宏微进给单元传动链末端组件——柔性铰链刚性连接的公转盘式电机(12)输出相同的位移，竖直位移通过公转旋转关节(13)和定向摆动关节(14)的运动转换，实现对球形磨削头(26)圆形运动轨迹的回转半径的精确调整，即力口工对象涵盖不同直径尺寸的凹透镜试件(17)，透镜试件(17)直径的加工范围为7.2mm—26.3mm，定向公转旋转关节(13)和定向摆动关节(14)实现的摆动角度范围分别为90° —180° 以及 72° —180°。
4.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的凹透镜试件(17)的非球面曲面部分的加工曲率半径可调；当宏微进给单元输出确定进给位移后，球形磨削头(26)的公转运动半径随之确定，即球形磨削头(26)的圆周运动轨迹是确定的，当z向进给电机(45 )输出确定角位移后，工作台(25 )带动凹透镜试件(17 )在竖直方向上产生定向移动，球形磨削头(26)与凹透镜试件(17)的接触面积增加或减小，相应的磨削加工量亦增加或减小，对应于宏微进给单元输出的不同进给位移，球形磨削头(26)的公转运动半径随之改变，通过进一步调整凹透镜试件(17)的竖直方向位移，实现对凹透镜试件(17)曲率半径的精确连续调整。
5.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的左侧立板(5)及右侧立板(37)在临近球形磨削头(26)的几何中心轴线处均加工有宽度为Imm的纵向条纹，在该条纹的正下方，工作台(25)临近左侧立板(5)及右侧立板(37)的侧边亦加工有宽度为3mm的横向矩形槽和宽度为Imm的纵向条纹，矩形槽的长度长于凹透镜试件(17)的加工直径以便于确保凹透镜试件(17)的中心点与工作台(25)的几何中心的一致性，工作台(25)的纵向条纹亦与左侧立板(5)、右侧立板(37)的纵向条纹保持对齐以确保工作台(25)的几何中心处于两条纵向条纹的连接轴线上。
6.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的工作台(25)台面上加工有密集的阵列孔位，工作台(25)与凹透镜试件(17)的相对位置是通过一组安装在定位孔中的定位销轴(44)实现的，定位销轴(44)与凹透镜试件(17)的外圆母线保持线接触；球形磨削头(26)上加工有互相垂直的两个细牙螺纹孔，自转运动电机(42)的输出轴端具有互相垂直的两个定位平面，球形磨削头(26)通过两个细牙螺栓套接并固定安装在自转运动电机(42)的转轴上。
7.根据权利要求1所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的球形磨削头(26)公转运动通过公转盘式电机(12)、外摆动轴承(16)、摆动支撑架(27)、外摆动轴(28)、内摆动轴承(29)及内摆动轴(43)实现，所述摆动支撑架(27)通过外摆动轴承(16)与外摆动轴(28)实现球形磨削头(26)单一方向的摆动运动，自转运动电机(42)则通过内摆动轴承(29)和内摆动轴(43)实现球形磨削头(26)另一单一垂直方向的摆动运动，结合公转盘式电机(12)输出的连续转矩和角位移，球形磨削头(26)实现连续的变速圆周运动，圆周运动的速率取决于公转盘式电机(12 )输出的角速度。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，其特征在于:所述的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置的主体尺寸为82mmX82mmX 263mm。
【文档编号】B24B41/04GK104493662SQ201410771111
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】马志超, 赵宏伟, 任露泉, 刘先华, 刘长宜, 程虹丙 申请人:吉林大学