专利名称：一种用于光学元件数控抛光机床的制作方法
技术领域：
本发明属于光学机械制造技术领域，涉及一种光学元件制造设备的改进。
背景技术：
光学元件在光电系统中的应用愈来愈广泛，而光学元件的加工技术严重影响 光学元件的应用。目前国内光学元件加工还主要以传统的手工加工方式为主，效 率低，加工精度难以控制，无法满足现代光学系统应用的要求。数控机床作为发 展现代光学原件制造技术的基础设施，是光学元件实现材料有效去除的关键。
国外光学元件抛光加工技术 发达国家率先提出利用数控技术进行光学元件加工的技术思想，并且在控制软 件、机床设备等方面做了大量的工作，并在该领域开展了深入研究。
国内光学元件抛光加工技术
我国光学元件抛光技术仍处于传统加工阶段，加工精度低、周期长、重复定 位精度差，严重影响了非球面加工技术的发展，难以满足高标准、批量化的要求。 目前我国非球面光学元件数控抛光机床的传统机械结构包括底座系统、床
身系统两大部分；具有X、 Y、 Z、 A、 C五个数控轴，其中，X、 Y、 Z轴是直线数
控轴，A、 C轴为旋转数控轴。
在抛光过程中，抛光头围绕底座系统中的A轴转动，工件围绕C轴转动，使
抛光头与工件贴合，但是由于传统结构中的抛光头转动，所以贴合处的切平面与
水平面形成一定的角度，抛光液没有保持在水平位置处，易于流动，不能有效地
保持在工作位置处，精度难以保证，影响加工效果。
发明内容
本发明的目的是
提供一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床，该机床可以解决光学 元件传统抛光方法中精度难以控制、效率低的问题。 本发明的技术方案是
数控抛光机床主要由底座系统l、立柱系统2、横梁系统3三大部分组成。 本发明设有五个数控轴，即X轴12、 Y轴ll、 Z轴IO、 A轴13、 C轴14， 可以四轴联动。
底座系统1包括底座4、 X轴进给系统12、 A轴翻转进给系统13、 C轴回转 进给系统14。 X轴进给系统12由X轴伺服电机28作为动力，带动X轴精密滚珠 丝杠29旋转，通过X轴双螺母预紧结构17，将旋转运动变为直线运动，带动C 轴回转进给系统14、 A轴翻转进给系统13运动。C轴回转进给系统14及A轴翻 转进给系统13部件装在半轴座25上，在精密直线导轨26上作直线往复运动，C
轴回转进给系统14及A轴翻转进给系统13组合运动，使抛光位置始终处于水平 状态。A轴翻转进给系统13由A轴伺服电机20作为动力，通过A轴齿轮副19、 A轴蜗轮蜗杆副18，带动工件绕X轴作O。 ±90°翻转运动。C轴回转进给系 统14由C轴伺服电机27作为动力，通过C轴蜗轮蜗杆副31带动转盘使工件绕Z 轴作回转运动。
横梁系统3包括横梁5、 Y轴进给系统ll、 Z轴进给系统IO、动力行星抛光 头15、抛光模16。
Y轴进给系统11由Y轴伺服电机21带动Y轴精密滚珠丝杠22旋转，通过Y 轴双螺母预紧结构32，将旋转运动变为直线运动，带动Z轴进给系统IO、动力 行星抛光头15运动。Z轴进给系统10及动力行星抛光头15安装在Y轴的滑台 上，在Y轴方向上作直线往复进给运动。Z轴进给系统10由Z轴伺服电机24带 动Z轴精密滚珠丝杠30旋转。Z轴进给系统10及动力行星抛光头15作轴向往 复进给运动。动力行星抛光头15在垂直方向和水平方向做直线运动，在平行四 连杆结构控制下进行平转动运动；动力行星抛光头15与抛光模16之间采用柔性 结构连接，由进气口进入抛光头内的柱塞进气腔，柱塞推动球头顶杆将抛光模压 向工件的抛光表面。
采用四连杆平衡定位机构，实现抛光模16平动；通过调节螺杆调整抛光模 的位置可获得不同公转半径，以适应不同工件的抛光要求。
各个方向上的运动速度和位移由数控系统控制，可按直角坐标系或极坐标系 方式运动，实现可控精密抛光加工。
Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密滚珠丝杠30采用双 螺母预紧结构，并为配对角接触球轴承支撑，轴承采用背对背配置形式安装。
对Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密滚珠丝杠30进行 预拉伸，提高Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密滚珠丝杠 30精度。
本发明的有益效果是
光学元件的数控抛光机床采用五轴数控、四轴联动运动方式，利用工件翻转、
旋转结构，使抛光位置始终处于水平状态，保证去除函数的高确定性；该机床采
用无间隙传动和高精度气动系统控制，保证了抛光过程的运行稳定性，实现了光 学元件的数控加工。
在实际的加工中，以340mraX340mm的非球面加工为例，抛光效率提高3 5 倍，工时节约80%，效率提高3倍以上，加工精度达到国际先进水平。
附图1是本发明所涉光学元件数控抛光机床机械结构总框图。 附图2是本发明所涉光学元件数控抛光机床立柱横梁联接主视图。 附图3是本发明所涉光学元件数控抛光机床立柱横梁联接侧视图。 附图4是本发明所涉光学元件数控抛光机床主视结构图。 附图5是本发明所涉光学元件数控抛光机床侧视结构图。 附图6是本发明所涉光学元件数控抛光机床传动系统图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，l是底座系统、2是立柱系统、3是横梁系统； 如图2所示，4是床身底座、5是横梁、6是螺钉、7是预埋螺母； 如图3所示，8是立柱与床身底座连接螺母、9是立柱与床身底座连接螺栓； 如图4所示，IO是数控轴Z轴、ll是数控轴Y轴、13是数控轴A轴、15 是动力行星抛光头、16是抛光模；
如图5所示，12是数控轴X轴、14是C轴回转进给系统； 如图6所示，17是X轴双螺母预紧结构、18是A轴蜗轮蜗杆副、19是A轴 齿轮副、20是A轴伺服电机、21是Y轴伺服电机、22是Y轴精密滚珠丝杠、23 是主轴伺服电机、24是Z轴伺服电机、25是半轴座、26是精密直线导轨、27 是C轴伺服电机、28是X轴伺服电机、29是X轴精密滚珠丝杠、30是Z轴精密 滚珠丝杠、31是C轴蜗轮蜗杆副、32是Y轴双螺母预紧结构、33是Z轴双螺母 预紧结构。
如图1所示，光学元件的数控抛光机床主要由底座系统l、立柱系统2、横 梁系统3三大部分组成。
三个系统联接关系如图l、 2、 3所示，机床所有部件以机床底座4平面 为设计、安装基准，立柱2与床身底座4采用螺栓9和连接螺母8联接，横梁5 与机床立柱2采用螺钉6与预埋螺母7联接。床身底座4、立柱2和横梁5采用 黑色花岗岩材料。
数控抛光机床设有五个数控轴，即X轴12、 Y轴ll、 Z轴IO、 A轴13、 C 轴14，可以四轴联动，如图4、 5所示。
底座系统如图4、 5所示，底座系统包括底座4、 X轴进给系统12、 A轴
翻转进给系统13、 C轴回转进给系统14。如图6所示，X轴进给系统12由X轴
伺服电机28作为动力，带动X轴精密滚珠丝杠29旋转，通过X轴双螺母预紧结
构17，将旋转运动变为直线运动，带动C轴回转进给系统14、 A轴翻转进给系 统13运动。C轴回转进给系统14及A轴翻转进给系统13部件装在半轴座25上，
在精密直线导轨26上作直线往复运动，C轴回转进给系统14及A轴翻转进给系
统13组合运动，使抛光位置始终处于水平状态，保证抛光液均匀流动、抛光压
力稳定和去除函数的高确定性。A轴翻转进给系统13由A轴伺服电机20作为动
力，通过A轴齿轮副19、 A轴蜗轮蜗杆副18，带动工件绕X轴作O。 ±90°翻
转运动。C轴回转进给系统14由C轴伺服电机27作为动力，通过C轴蜗轮蜗杆
副31带动转盘使工件绕Z轴作回转运动。
横梁系统如图4所示，横梁系统3包括横梁5、 Y轴进给系统ll、 Z轴进
给系统IO、动力行星抛光头15、抛光模16。如图6所示，Y轴进给系统11由Y
轴伺服电机21带动Y轴精密滚珠丝杠22旋转，通过Y轴双螺母预紧结构32,
将旋转运动变为直线运动，带动Z轴进给系统IO、动力行星抛光头15运动。Z
轴进给系统10及动力行星抛光头15安装在Y轴的滑台上，在Y轴方向上作直线
往复进给运动。Z轴进给系统10由Z轴伺服电机24带动Z轴精密滚珠丝杠30
旋转。Z轴进给系统10及动力行星抛光头15作轴向往复进给运动。动力行星抛
光头15在垂直方向和水平方向做直线运动，在平行四连杆结构控制下进行平转
动运动；动力行星抛光头15与抛光模16之间采用柔性结构连接，由进气口进入
抛光头内的柱塞进气腔，柱塞推动球头顶杆将抛光模压向工件的抛光表面。采用
四连杆平衡定位机构，实现抛光模16平动；通过调节螺杆调整抛光模的位置可
获得不同公转半径，以适应不同工件的抛光要求。
立柱系统如图2所示，立柱系统2由两件相同结构的花岗岩构件组成。
各个方向上的运动速度和位移由数控系统控制，可按直角坐标系或极坐标系 方式运动,实现可控精密抛光加工。
如图6所示，上述Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密 滚珠丝杠30采用X轴双螺母预紧结构17、 Y轴双螺母预紧结构32、 Z轴双螺母 预紧结构33，该结构为配对角接触球轴承支撑，轴承采用"背对背"配置形式 安装，对Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密滚珠丝杠30 进行预拉伸，提高Y轴精密滚珠丝杠22、 X轴精密滚珠丝杠29、 Z轴精密滚珠 丝杠30精度。
根据光学元件加工技术特点，数控抛光机床采用五轴四联动数控实现抛光加 工，如图l、 2、 3、 4所示。抛光加工中只需三轴数控联动，就可实现非球面光
学元件的抛光加工。
该光学抛光设备采用龙门式结构，五个数控轴，四轴联动。动力行星抛光头
在平行四连杆结构控制下进行平转动、行星运动，抛光主轴与抛光模之间采用柔
性关节连接；利用蜗轮弹簧消隙结构使工件无间隙转动。
床身采用黑色花岗岩材料。
加工过程中，由计算机控制机床的各向运动，Z轴可沿X、 Y轴方向移动， 抛光模可沿Z轴移动，C轴绕Z轴作回转运动，A轴绕X轴作翻转运动，并通过 运动位移编码器反馈系统实现准确定位。
抛光模在绕Z轴作摆动的同时，在动力行星电机的作用下自转。 1、设备主要技术参数 X轴行程 0 800mm Y轴行程 0 800mm Z轴行程 0 800mm A轴行程 0 ±90°
C轴行程 0 360°
主轴速度 0 400rpm; 动力行星电机速度 0 400卬m。 调节螺杆调节行程 0 30mm; 设备长X宽X高 2800X2600X2500
为了提高光学数控抛光机床(装置)的精度、刚度，减小摩擦、消除间隙， 采用双螺母预紧结构17、 32、 33对精密滚珠丝杠29、 22、 30施加预紧力，使精 密滚珠丝杠29、 22、 30始终处于预拉伸状态，提高了精密滚珠丝杠29、 22、 30 的刚度和传动精度。
X轴进给系统12
X轴进给系统12由X轴伺服电机28作为动力，带动X轴精密滚珠丝杠29 旋转，通过X轴双螺母预紧结构17，将旋转运动变为直线运动，带动C轴14、 A 轴13运动。
Y轴进给系统ll
Y轴进给系统11由Y轴伺服电机21带动Y轴精密滚珠丝杠22旋转，通过Y 轴双螺母预紧结构32，将旋转运动变为直线运动，带动Z轴进给系统IO、动力 行星抛光头15运动。
Z轴进给系统10
Z轴进给系统10由Z轴伺服电机24带动Z轴精密滚珠丝杠30旋转。Z轴 进给系统10及动力行星抛光头15作轴向往复进给运动。由于Z轴进给系统10 与水平面垂直，Z轴精密滚珠丝杠30又不具有自锁功能，因此，Z轴伺服电机 24选用具有自锁功能的电机。
A轴翻转进给系统13
A轴翻转进给系统13由A轴伺服电机20作为动力，通过A轴齿轮副19、 A 轴蜗轮蜗杆副18，带动工件绕X轴作O。 ±90°翻转运动。由于翻转机构的中 心距离翻转轴较远，需要的翻转扭矩很大，因此，在电机与蜗杆之间增加一对减 速A轴齿轮副19，减小电机的负载。A轴蜗轮蜗杆副18采用消隙滑块结构，可 方便、有效地调节蜗轮与蜗杆的间隙，保证翻转运动的精度和平稳性。
C轴回转进给系统14
C轴回转进给系统14由C轴伺服电机27作为动力，通过C轴蜗轮蜗杆副 31带动转盘使工件绕Z轴作回转运动。由于采用蜗轮、蜗杆结构，齿侧间隙会 造成开环或半闭环伺服进给系统的死区误差，影响定位精度，所以蜗轮、蜗杆减 速器要采用消除间隙机构，提高设备的进给精度和刚性。
动力行星抛光头15
动力行星抛光头15在垂直方向和水平方向做直线运动，在平行四连杆结构 控制下进行平转动运动；动力行星抛光头15与抛光模16之间采用柔性结构连接， 便于压縮空气通过导气管输送到抛光头，由进气口进入抛光头内的柱塞进气腔， 柱塞推动球头顶杆将抛光模压向工件的抛光表面。采用四连杆平衡定位机构，实 现抛光模平动；通过行星动力电机实现抛光模的主动旋转运动，进行整体行星运 动，进行快速抛光。通过调节螺杆调整抛光模的位置可获得不同公转半径，以适 应不同工件的抛光要求。
床身底座4、立柱2和横梁5采用黑色花岗岩材料。
2、加工范围
材料K9、 BK7、石英光学玻璃材料。 面形平面、球面、非球面。
形状cD800mm以内的非球面、球面、平面光学元件。
权利要求
1、一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床，其特征是底座系统(1)包括底座(4)、X轴进给系统(12)、A轴翻转进给系统(13)、C轴回转进给系统14；X轴进给系统12由X轴伺服电机(28)作为动力，带动X轴精密滚珠丝杠(29)旋转，通过X轴双螺母预紧结构(17)，将旋转运动变为直线运动，带动C轴回转进给系统(14)、A轴翻转进给系统(13)运动；C轴回转进给系统(14)及A轴翻转进给系统(13)部件装在半轴座(25)上，在精密直线导轨(26)上作直线往复运动，C轴回转进给系统(14)及A轴翻转进给系统(13)组合运动，使抛光位置始终处于水平状态；A轴翻转进给系统(13)由A轴伺服电机20作为动力，通过A轴齿轮副(19)、A轴蜗轮蜗杆副(18)，带动工件绕X轴作0°～±90°翻转运动；C轴回转进给系统(14)由C轴伺服电机(27)作为动力，通过C轴蜗轮蜗杆副(31)带动转盘使工件绕Z轴作回转运动；横梁系统(3)包括横梁(5)、Y轴进给系统(11)、Z轴进给系统(10)、动力行星抛光头(15)、抛光模(16)；Y轴进给系统(11)由Y轴伺服电机(21)带动Y轴精密滚珠丝杠(22)旋转，通过Y轴双螺母预紧结构(32)，将旋转运动变为直线运动，带动Z轴进给系统(10)、动力行星抛光头(15)运动；Z轴进给系统(10)及动力行星抛光头(15)安装在Y轴的滑台上，在Y轴方向上作直线往复进给运动；Z轴进给系统(10)由Z轴伺服电机(24)带动Z轴精密滚珠丝杠(30)旋转；Z轴进给系统(10)及动力行星抛光头(15)作轴向往复进给运动；动力行星抛光头(15)在垂直方向和水平方向做直线运动，在平行四连杆结构控制下进行平转动运动；动力行星抛光头(15)与抛光模(16)之间采用柔性结构连接，由进气口进入抛光头内的柱塞进气腔，柱塞推动球头顶杆将抛光模压向工件的抛光表面。
2、 根据权利要求1所述的一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床，其特征是采用四连杆平衡定位机构，实现抛光模(16)平动，通过调节螺杆调整抛光模的位置可获得不同公转半径，以适应不同工件的抛光要求。
3、 根据权利要求1所述的一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床， 其特征是各个方向上的运动速度和位移由数控系统控制，可按直角坐标系或极坐标系 方式运动，实现可控精密抛光加工。
4、 根据权利要求1所述的一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床，其特征是 Y轴精密滚珠丝杠(22)、 X轴精密滚珠丝杠(29)、 Z轴精密滚珠丝杠(30) 采用双螺母预紧结构，并为配对角接触球轴承支撑，轴承采用背对背配置形式安 装，对Y轴精密滚珠丝杠(22)、 X轴精密滚珠丝杠(29)、 Z轴精密滚珠丝杠(30) 进行预拉伸，提高Y轴精密滚珠丝杠(22)、 X轴精密滚珠丝杠(29)、 Z轴精密 滚珠丝杠(30)精度。
全文摘要
一种中大口径非球面光学元件的数控抛光机床，属于光学机械制造技术领域，其特征是机床主要由底座系统、立柱系统和横梁系统组成，底座系统包括底座、X轴进给系统、A轴翻转进给系统、C轴回转进给系统；横梁系统包括横梁、Y轴进给系统、Z轴进给系统、动力行星抛光头、抛光模。采用四连杆平衡定位机构，实现抛光模16平动；有益效果是光学元件的数控抛光机床采用五轴数控、四轴联动运动方式，利用工件翻转、旋转结构，使抛光位置始终处于水平状态，保证去除函数的高确定性；该机床采用无间隙传动和高精度气动系统控制，保证了抛光过程的运行稳定性，实现了光学元件的数控加工。
文档编号B24B47/00GK101386150SQ20081005113
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者刘劲松, 吴庆堂, 王大森, 王春阳, 聂凤明 申请人:长春理工大学