一种大口径平面光学元件抛光机及抛光和精度控制方法与流程

本发明涉及光学零件技术加工领域，尤其涉及的是一种大口径平面光学元件抛光机及抛光和精度控制方法。

背景技术：

抛光是一项古老的工艺，对于抛光机理的认识也在逐步加深，由最初的机械磨削理论到化学作用理论，再到热流变理论。由于大型激光器的发展，对光学元件的质量和效率提出了极高要求，其中大口径平面元件需求巨大。而采用传统环行抛光方法，其工艺过程对操作者经验依赖较大、可控性差、加工效率不稳定，而且现采用的环行抛光工艺影响因素众多(抛光压强、抛光温度、抛光液特性等)且均为不可控的缺点，导致在效率和抛光精度上均难以满足大口径激光器的发展要求；在现有实际抛光加工过程中，工件依靠与抛光盘表面之间的摩擦力产生的不平衡力矩而转动；由于工件与抛光盘表面契合不好，容易出现转速不均匀甚至不转、反转的情况；且国内在大口径光学平面元件高效抛光控制理论研究方面的工作比较薄弱，在很大程度上制约了工艺技术与设备的发展，已成为当前大型光学系统的应用瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种大口径平面光学元件抛光机及抛光和精度控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种大口径平面光学元件抛光机，包括工作台、设置在工作台上的抛光盘以及设置在抛光盘上的工件环和校正板，所述工作台上设有第一驱动装置，所述第一驱动装置与校正板连接，带动校正板横向移动，所述工件环上方设有第二驱动装置，所述第二驱动装置带动工件环内的工件主动转动。

优选的，第一驱动装置为单向气缸或直线电机。

优选的，第二驱动装置包括连接杆、伺服主轴电机以及吸盘，所述连接杆一端与工作台连接，另一端与伺服主轴电机连接，所述吸盘设置于伺服主轴电机下端，且位于工件环的正上方。

优选的，工作台上设有位移传感器，所述位移传感器对抛光盘面的精度进行测量。

优选的，位移传感器为激光位移传感器。

优选的，抛光盘底面设有多个微位移控制结构，所述微位移控制结构对抛光盘面形分布进行控制。

优选的，微位移控制结构为压电式微位移驱动器。

一种大口径平面光学元件抛光精度控制方法，包括：

主动控制步骤：对校正板和工件环内的工件分别进行独立主动控制；

精度检测步骤：通过位移传感器对抛光盘面形精度进行检测；

精度控制步骤：通过压电式微位移驱动器控制抛光盘的面形分布；

环境控制步骤：采用恒温车间对抛光环境的温度和湿度进行稳定控制；

流量控制步骤：通过液体流浪传感器对抛光液的流量进行稳定控制。

优选的，主动控制步骤中，通过单向气缸对校正板进行横向移动控制，通过伺服主轴电机对工件环内的工件进行主动旋转控制。

一种根据上述一种大口径平面光学元件抛光机的抛光方法，包括：

工件装夹步骤：将待加工工件放入工件环内，并通过吸盘吸住；

影响因素控制步骤：采用上述一种大口径平面光学元件抛光精度控制方法进行精度控制后，进行加工。

通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：采用单向气缸和伺服主轴电机对工件和校正板分别进行独立主动控制，实现工件的转速及校正板位置的自由调节；避免工件出现转速不均匀甚至不转、反转的情况，同时通过激光位移传感器对抛光盘面形精度进行检测；压电式微位移驱动器控制抛光盘的面形分布以及环境影响因素的控制，从抛光工艺的宏观和微观的物理和化学因素入手，提出一个精准的抛光精度控制工艺及路线；并通过控制抛光工艺主要影响因素，引入新型可控高效抛光新技术，该技术较传统环抛具有可控影响因素多、可主动控制面形精度、高效高精等优点；结果可大大提高大口径平面光学元件加工效率和精度，可为研制大口径平面抛光新技术机床样机，研究大口径抛光技术做重要准备。

附图说明

图1为本发明抛光机的结构示意图；

图2为本发明压电式微位移驱动器的结构分布图；

图3为本发明抛光精度控制方法的流程示意图；

图4为本发明抛光盘的面型分布示意图；

图5为本发明激光位移传感器精度测量示意图；

主要附图标记说明：1工作台，2抛光盘，3工件环，4校正板，5第一驱动装置，6第二驱动装置，61连接杆，62伺服主轴电机，63吸盘，7激光位移传感器，8压电式微位移驱动器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

如图1、图3所示，环形抛光是将工件放置于工件环3内，在抛光盘2转动的情况下，工件环3处于相对固定的状态，工件环3内的工件由于工件环3的限制，在工件环3内往复运动，与抛光盘2之间产生摩擦。利用摩擦和抛光液进行抛光处理，通过移动校正板4对抛光盘施加压强，以避免工件出现“凹凸面”的状况，工件依靠与抛光盘2表面之间的摩擦力产生的不平衡力矩而转动，在实际运行中，由于工件与抛光盘2表面契合不好，容易出现转速不均匀甚至不转、反转的情况，这对抛光效果是极为不利的；只有对工件和校正板4的运动进行主动驱动控制，才能更好地对抛光进行“确定性”的加工控制，通过单向气缸对校正板4进行主动横向移动控制，以及吸盘63将工件环3内的工件吸住并挤压，再通过伺服主轴电机62驱动工件转动，采用对工件安装独立的驱动装置实现对它们的主动控制，实现转速和工件及校正板4位置的自由调节；避免工件出现转速不均匀甚至不转、反转的情况。

通过激光位移传感器7对抛光盘2面的精度进行检测，采用激光位移传感器7可实现抛光盘2面在线测量；测量中抛光盘2以一定速度旋转，设置激光位移传感器7的采样频率来获得抛光盘2表面的三维形貌数据；采用激光位移传感器7测量抛光盘2的三维形貌，获取抛光盘2表面形貌模型，如图5所示，设x正方向为沿抛光盘轴线向左方向，y正方向为抛光盘表面圆周切线旋转方向，在x和y方向上的采样数据点间隔δx和δy分别为：δx＝ls/m；δy＝1000·υs/fk；将激光位移传感器测量的(xi,yj)坐标处的实际高度值定义为f(xi,yj)(xi＝iδx，yj＝jδy；i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n)式中：ls为x方向采样数据点总长度,υs表示砂轮转速，fk表示采样频率，m和n分别表示在x和y方向的总采样点数；设最小二乘法的基准平面函数：z(x，y)＝ax+by+c式中：a，b，c分别为实数系数；设ξ(xi，yj)表示残差表面函数，是原始数据与基准平面之间的差异，如式所示:ξ(xi，yj)＝f(xi，yj)－z(xi，yj)＝f(xi，yj)－(axi+byj+c)；因为z(x，y)是最小二乘法的基准平面函数，所以有满足最小二乘法条件的a、b、c值使下式的值最小；可分别对中的a、b、c求偏导数，并令这3个偏导数等于0，得到方程组：

求解式可求出a，b，c的值；然后代入可得到最小二乘法的基准平面函数z(x，y)和残差表面数据ξ(xi，yj)；残差表面数据ξ(xi，yj)将用作滤波和计算三维形貌参数的数据源；根据不同抛光盘2特性采用相应滤波方式，达到主动在线修正抛光盘2面形以达到主动控制工件面形。

如图2所示，在抛光盘2底面安装多路分布式微位移控制结构，如图4所示，抛光盘2面形上可分为多个区域，每个区域的高度存在差异，采用常用的压电式微位移驱动器8，在抛光盘2底面产生微小位移，从而影响抛光盘2抛光表面的面形分布，最终达到控制平面光学元件的抛光面形变化。

在整个抛光加工过程中，采用恒温车间稳定抛光环境温度及湿度；采用液体流量传感器反馈控制抛光液流量恒定供给；自动控制供给抛光液浓度均匀且抛光粉粒度分布均匀、在线反馈抛光液ph值。

综上，采用单向气缸和伺服主轴电机62对工件和校正板4分别进行独立主动控制，实现工件的转速及校正板4位置的自由调节；避免工件出现转速不均匀甚至不转、反转的情况，同时通过激光位移传感器7对抛光盘2面形精度进行检测；压电式微位移驱动器8控制抛光盘2的面形分布以及环境影响因素的控制，从抛光工艺的宏观和微观的物理和化学因素入手，提出一个精准的抛光精度控制工艺及路线；并通过控制抛光工艺主要影响因素，引入新型可控高效抛光新技术，该技术较传统环抛具有可控影响因素多、可主动控制面形精度、高效高精等优点；结果可大大提高大口径平面光学元件加工效率和精度，可为研制大口径平面抛光新技术机床样机，研究大口径抛光技术做重要准备。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明的范围，凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与装饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。