自动环带误差抛光数控单轴设备及其工艺方法与流程

本发明属于光学加工领域，涉及一种光学镜面环带数控单轴加工设备和加工工艺，特别涉及一种自动环带误差抛光数控单轴设备及其工艺方法。

背景技术：

在光学镜面加工过程中，需要对镜面指定环带进行加工，或对镜面进行材料均匀去除，等厚度去除工件表面损伤层材料和对已加工好的表面进行平滑处理。传统单轴抛光机作为传统加工设备，具有应用简单、加工效率高、回转对称加工等特性，能够实现环带的加工，但不能够实现定量化数控加工，加工效率和自动化程度低。

传统单轴抛光机加工过程为：工件安装于单轴抛光机主轴上，并以恒定速度旋转，被动磨盘利用铁笔紧靠在工件上，手动控制的平动轴带动铁笔和磨盘在镜面径向作直线运动，实现镜面全口径加工。传统单轴机抛光系统加工过程中存在如下问题：(1)被动磨盘的旋转运动不均匀性，导致磨盘在工件的中心和边缘去除的效率不一致；(2)平动轴手动控制使各环带半径以及各环带加工时间不能准确实现，从而不能实现环带精确加工。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种自动环带误差抛光数控单轴设备及其工艺方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种自动环带误差抛光数控单轴设备，包括基座系统、摆臂系统、平动臂系统、主动磨盘系统、镜体转动系统、数控系统；所述摆臂系统和平动臂系统安装于基座系统上，摆臂系统和平动臂系统的连接处设置有磨盘固定块，所述磨盘固定块上设有中孔，所述主动磨盘系统安装在磨盘固定块的中孔位置，所述主动磨盘系统包括磨盘，通过调整磨盘的夹持高度，使摆臂系统的摆臂和平动臂系统的平动臂均处于水平状态，摆臂与平动臂垂直，所述镜体转动系统固定于摆臂系统和平动臂系统的连接处的下方，其上安装有待加工镜体，且待加工镜体的中心与转动中心重合，所述摆臂系统包括摆臂、偏心调整机构和摆臂杆长调整机构，所述摆臂系统通过偏心调整机构的偏心调整和摆臂杆长调整机构的摆臂杆长调整使摆臂水平时主动磨盘固定块的中孔与待加工镜体的中心重合，所述摆臂系统、平动臂系统均包括重锤，所述数控系统控制待加工镜体的转速、磨盘的转速和平动轴运动量，控制磨盘运动，通过调整摆动臂和平动臂重锤位置，调整磨盘压力。

更进一步的，所述摆臂系统包括摆臂驱动轴、摆臂圆盘、摆臂支撑座、摆臂驱动轴旋转驱动机构，所述摆臂驱动轴安装于基座系统上，所述摆臂驱动轴与摆臂圆盘固定连接，所述摆臂圆盘上设有燕尾槽，摆臂支撑座通过所述燕尾槽与摆臂圆盘可松开/夹紧地连接，所述摆臂圆盘上设置有偏心调节螺杆，通过所述偏心调节螺杆调整摆臂支撑座相对于摆臂圆盘的偏心量，所述摆臂支撑座上可绕竖直轴自由旋转地连接有摆臂枢轴，所述摆臂枢轴上可俯仰自由旋转地连接有摆臂中框，所述摆臂中框的一侧固定连接有摆臂重锤承重杆，所述摆臂重锤承重杆上安装有位置可调的摆臂重锤，所述摆臂包括摆臂固定杆和可相对摆臂固定杆伸缩的摆臂移动杆，二者可锁紧/松开地连接，所述摆臂固定杆固定连接于摆臂中框的另一侧，所述主动磨盘固定块与摆臂移动杆末端固定连接，所述摆臂驱动轴的下端与所述摆臂驱动轴旋转驱动机构相连。

更进一步的，所述平动臂系统包括平动臂线性模组，所述平动臂线性模组安装于基座系统上，所述平动臂线性模组上设置有可被驱动在平动臂线性模组上作线性运动的线性模组载物台，所述线性模组载物台上可松开/夹紧地安装有平动臂支撑座，所述平动臂支撑座上可绕竖直轴自由旋转地连接有平动臂枢轴，所述平动臂枢轴上可俯仰自由旋转地连接有平动臂中框，所述平动臂中框的一侧固定连接有平动臂重锤承重杆，所述平动臂重锤承重杆上安装有位置可调的平动臂重锤，所述平动臂包括平动臂固定杆，所述平动臂固定杆的一端固定连接于平动臂中框的另一侧，另一端通过手腕关节与主动磨盘固定块相连。

更进一步的，所述手腕关节包括第一段、第二段和第三段，所述第一段的一端与主动磨盘固定块固定相连，另一端与所述第二段的一端销轴连接，所述第二段的另一端与所述第三段的一端销轴连接，所述第三段的另一端与所述平动臂固定杆固定连接，所述第一段与第二段、第二段与第三段、第三段与平动臂固定杆的连接处形成三个相互垂直的转动自由度。

更进一步的，所述平动臂支撑座上安装有安全支撑螺杆，所述平动臂固定杆放置于所述安全支撑螺杆上，所述安全支撑螺杆可上下调节支撑高度。

更进一步的，所述镜体转动系统包括镜体转动驱动轴、镜体转动驱动轴旋转驱动机构，所述镜体转动驱动轴固定于基座系统上，所述镜体转动驱动轴的上端固定连接有镜体安装盘，待加工镜体安装于所述镜体安装盘上，所述镜体转动驱动轴的下端与所述镜体转动驱动轴旋转驱动机构相连。

更进一步的，所述主动磨盘系统包括主动磨盘驱动电机、磨盘行星减速器、主动磨盘轴套、磨盘铁笔、摆臂/平动臂升降手杆，所述主动磨盘驱动电机与所述磨盘行星减速器相连，磨盘行星减速器固定在所述主动磨盘轴套上，行星减速器的输出轴与所述磨盘铁笔连接，所述磨盘铁笔通过油性轴承与主动磨盘轴套的中孔配合，磨盘铁笔的末端通过球铰与磨盘连接，所述主动磨盘系统通过主动磨盘轴套安装在主动磨盘固定块的中孔内，所述摆臂/平动臂升降手杆安装在主动磨盘固定块上，通过摆臂/平动臂升降手杆可整体提高磨盘、平动臂、摆臂的高度。

本发明还提供一种自动环带误差抛光数控单轴设备的工艺方法，包括：

1)将待加工镜体安装到镜体转动系统上，调整镜体中心与转动中心重合后固定；

2)将摆臂的偏心调整为0，调整摆动杆长度，调节平动臂的位置，使得摆动杆水平时主动磨盘固定块的中孔与镜体中心重合；

3)安装主动磨盘系统到主动磨盘固定块的中孔处，调整主动磨盘的夹持高度，使得摆臂、平动臂处于水平状态，然后调节螺杆固定主动磨盘系统，此时，摆臂与平动臂垂直；

4)根据工艺需求，设置镜体转速、磨盘转速和摆动臂偏心量，并调整摆动臂和平动臂重锤位置，调整磨盘压力；

5)对镜体去除或者光滑加工时，镜体转速与磨盘转速相等；通过单轴抛光机结构模型，确定平动轴运动量与磨盘在镜体上回转半径之间的映射关系，利用此映射关系，通过控制平动轴以控制磨盘在镜体直径方向上匀速运动，实现加工目的；

6)对镜体环带误差进行加工时，工艺方法根据preston原理和计算机控制光学成型原理，计算出各环带驻留归一化时间，通过设定总加工时间进行加工，再通过逐步计算进行进一步的加工。

更进一步的，所述归一化方法如下：

设镜体的半径为rm，将直径离散成m分，则离散点间隔为δ＝rm/(m-1)，去除矩阵rc的具体计算步骤为：

6-1)计算理论去除矩阵；根据preston原理，磨盘处于镜体环带半径b处时，任意半径l处的去除率为：

其中θ0＝cos^-1((b²+l²-r²)/(2bl))，r为磨盘半径；ω为光学镜体转动速度，ω1为磨盘自转速度，转速比f＝ω1/ω；k为preston常数，p为磨盘压力，计算中设定此两数都为1；将上述的任意环带去除函数离散化后，组合成去除矩阵rc；rc行数和列数均为离散点数，第i行是去除磨盘处于环带(i-1)δ时的去除函数；

当镜体、磨盘同向同转速，且在各环带上驻留相同时间时，各环带材料去除量相等，此时能够实现镜体材料的均匀去除；

6-2)获取面形误差函数；通过三坐标检测设备或干涉仪测量待加工光学元件全口径内的面形误差数据e’(ρ,θ)，ρ为极坐标半径，θ为极坐标的角度；然后以最优回转对称中心作为去除函数中心对去除函数进行回转对称处理，以获取建模面型误差函数e：

将去除函数e在去除函数相同的离散网格上离散，形成面形误差向量e，其行数为离散点数；

6-3)求解环带驻留时间向量；根据计算机控制光学成型原理，去除矩阵rc、面形误差向量e和驻留时间向量t之间的关系为e＝rt。可用脉冲迭代方法、bayesian迭代法或ssb迭代法等算法求解驻留时间向量t；设定总加工时间，线性变化t，则得到用于实际加工的驻留时间向量；

6-4)系统数控加工实现；设第i个环带的驻留时间为ti，则磨头从第i个环带运动到第i+1个环带的运动速度为v＝δ/ti；

6-5)利用平动轴与镜体环带半径之间的映射关系，计算出各个环带半径对应的平动坐标后，将步骤6-4)中的速度和此位置，编制成控制平动轴运动的数控代码，并输入到数控系统中以控制数控单轴机进行抛光加工；

6-6)对数控加工后的镜面再次进行面形误差测量，若面形精度不满足要求则转至步骤6-2)，若满足面形精度要求则结束加工。

本发明的有益效果如下：

(1)实现了单轴机抛光由人工经验型向自动数字化控制的转变。针对数控单轴抛光机的机构特点，建立了去除函数模型，将单轴抛光过程用线性卷积模型表达，进而用常规解卷积算法解决驻留时间的确定。

(2)通过引入反映面形误差和驻留时间特性的变速度实现模式，解决了传统单轴机抛光过程中的数字化控制问题。此外，本发明分析了同向相同转速下的材料去除特性，得到此状态下为材料均匀去除的特性，简化了镜面材料均匀去除和光滑加工工艺过程。

附图说明

图1为本发明数控单轴机结构示意图一；

图2为本发明数控单轴机结构示意图二；

图3为本发明数控单轴机结构示意图三；

图4为本发明数控单轴机结构示意图四；

图5为本发明数控单轴机结构示意图五；

图6为本发明驻留时间实现示意图；

图7为本发明磨盘运动运动速度分析图。

图中标记：1、基座系统，2、摆臂系统，3、平动臂系统，4、主动磨盘系统，5、镜体转动系统6、数控系统，7、电控柜，8、待加工镜体，9、摆臂驱动电机，10、摆臂驱动涡轮蜗杆减速器，11、摆臂驱动轴下支座，12、摆臂系统驱动轴，13、摆臂驱动轴上支座，14、摆臂圆盘，15、摆臂支撑座，16、摆臂中框，17、摆动臂中心调节手杆，18、摆臂重锤，19、摆臂重锤承重杆，20、摆臂枢轴，21、偏心调节螺杆，22、摆臂固定杆，23、摆臂杆长调节手杆，24、摆臂移动杆，25、摆臂/平动臂升降手杆，26、平动臂线性模组，27、平动臂行星减速器，28、平动驱动电机，29、线性模组载物台，30、平动臂支撑座，31、安全支撑螺杆，32、平动臂中框，33、平动臂中心调节手杆，34、平动臂重锤，35、平动臂重锤承重杆，36、平动臂枢轴，37、平动臂固定杆，38、手腕调节螺母，39、手腕关节第一段，40、手腕关节第一轴销，41、手腕关节第二段，42、手腕关节第三段，43、手腕关节第二轴销、44、镜体转动驱动电机，45、镜体转动涡轮蜗杆减速器，46、主动端同步带轮，47、同步带，48、被动端同步带轮，49、镜体转动轴下支座，50、镜体转动驱动轴，51、镜体转动轴上支座，52、镜体安装盘，53、主动磨盘驱动电机，54、磨盘行星减速器，55、主动磨盘轴套，56、侧固定螺杆，57、磨盘铁笔，58、磨盘，59、磨盘固定块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明自动环带误差抛光数控单轴设备的结构如图1所示，包括：基座系统1、摆臂系统2、平动臂系统3、主动磨盘系统4、镜体转动系统5、数控系统6和电控柜7。以传统手控单轴抛光机为基础，从磨盘的可控恒转速旋转与平动轴的数控化运动入手，通过数控，实现工件材料的定环带自动化去除，达到环带加工、均匀去除、光滑等目的。各个系统的具体结构如下：

基座系统1：基座系统1是数控单轴抛光机的基座。摆臂系统2和平动臂系统3分别固定在基座系统1和左上部和右上部，镜体转动系统5固定在基座系统1的中下部，电控柜7固定在基座系统1的中上部。主动磨盘系统4固定在摆臂系统2与平动臂系统3铰链处的磨盘固定块59的中控位置。优选的，本发明的基座系统1为桁架式结构，是其它各部件的安装平台，内部安装摆臂系统2和镜体转动系统5的驱动减速齿轮和驱动电机。

摆臂系统2：摆臂系统2的驱动轴12上端通过摆臂驱动轴上支座13固定在基座系统1的上平台上。摆臂驱动轴12与摆臂圆盘14固连，摆臂支撑座15通过摆臂圆盘14上的燕尾槽与摆臂圆盘14连接，通过与摆臂支撑座15上部螺杆配连的调节手杆17松开/夹紧此连接，松开后并可通过偏心调节螺杆21调整摆臂支撑座15相对于摆臂圆盘14的偏心量。摆臂支撑座15通过锥形轴承与摆臂枢轴20相连接，锥形轴承形成了摆臂绕竖直轴的自由旋转运动。摆臂枢轴20通过两端深沟球轴承与摆臂中框16相连接，并形成摆臂俯仰自由旋转运动。摆臂重锤承重杆19与摆臂中框16相固连，摆臂重锤18通过螺纹与摆臂重锤承重杆19相连，并可通过此螺纹调节摆臂重锤18的位置。摆臂固定杆22与摆臂移动杆24通过中孔相连，并用摆臂杆调节手杆23锁紧/松开相互间的调整运动。主动磨盘固定块59与摆臂移动杆24末端固连。摆臂驱动轴12下端通过摆臂驱动轴下支座11固定在基座系统1的桁架上，摆臂驱动轴12末端与摆臂驱动涡轮蜗杆减速器10相连接，摆臂驱动涡轮蜗杆减速器10固定在基座系统桁架上，摆臂驱动电机9固定在摆臂驱动涡轮蜗杆减速器10上，驱动涡轮蜗杆和驱动轴旋转。

平动臂系统3：通过平动臂线性模组26安装在基座系统1右上部。平动驱动电机28与平动臂行星减速器27相连接，并固定在线性模组26的基座上，通过驱动线性模组丝杠以驱动线性模组载物台29作线性运动。线性模组载物台通过滑块导轨与线性模组26的基座连接。平动臂支撑座30通过与线性模组载物台29相固连，通过与平动臂支撑座30上部螺杆配连的调节手杆33松开/夹紧此连接。平动臂支撑座30通过锥形轴承与平动臂枢轴36相连接，锥形轴承形成了平动臂绕竖直轴的自由旋转运动。平动臂枢轴36通过两端深沟球轴承与平动臂中框32相连接，并形成平动臂俯仰自由旋转运动。平动臂重锤承重杆35与平动臂中框32相固连，平动臂重锤34通过螺纹与平动臂重锤承重杆35相连，并可通过此螺纹调节平动臂重锤34的位置。平动臂固定杆37与平动臂中框32相固连，并通过手腕关节与主动磨盘固定块59相连。手腕关节第一段39与主动磨盘固定块59相固连，通过手腕关节第一轴销40与手腕关节第二段41相连，手腕关节第二段41通过手腕关节第二轴销43与手腕关节第三段42相连，手腕关节第三段42末端与平动臂固定杆37末端处孔相配连，并通过手腕调节螺母38固定。手腕关节在第一轴销40、第二轴销43、手腕关节第三段42与平动臂固定杆37连接处形成3个相互垂直的自由转动自由度。平动臂固定杆37可放置于平动臂支撑座30处的安全支撑螺杆31上，且安全支撑螺杆31可上下调节支撑高度。

镜体转动系统5：镜体转动系统5的驱动轴50通过镜体转动轴上支座51和下支座49固定在基座系统1上。镜体转动驱动轴50与镜体安装盘52固连，待加工镜体8安装圆盘52上。镜体转动驱动轴50末端与被动端同步带轮48相固连。镜体转动涡轮蜗杆减速器45固定在基座系统1的桁架上，镜体转动驱动电机44固定在镜体转动涡轮蜗杆减速器45上。镜体转动涡轮蜗杆减速器45输出轴与主动端同步带轮46相固连，同步带47连接主动端同步带轮46和被动端同步带轮48，从而带动镜体旋转。

电控柜7：电控柜7安装固定在基座系统1的中上部。内部是摆臂驱动电机9、镜体转动驱动电机44、平动臂驱动电机28、主动磨盘驱动电机53的驱动器的安装空间。面板安装的数控系统6控制各电机运动。

主动磨盘系统4：主动磨盘驱动电机53与磨盘行星减速器54相连，行星减速器54固定在主动磨盘轴套55上，行星减速器54输出轴与磨盘铁笔57连接。磨盘铁笔57通过油性轴承与主动磨盘轴套55中孔配合，磨盘铁笔57末端通过球铰与磨盘58相互连接。主动磨盘系统通过轴套55安装在主动磨盘固定块59中孔内，并通过螺杆56进行侧固定。摆臂/平动臂升降手杆25固定在主动磨盘固定块59上，通过抬高手杆25可整体提高磨盘、平动臂、摆臂的高度，使得磨盘脱离镜面。

本发明自动环带误差抛光数控单轴设备的工艺方法，采用极坐标控制方式，加工调整过程和基本工艺过程如下：

(1)将圆形镜体安装到镜体转动系统5上，调整镜体中心与转动中心重合后固定；

(2)通过偏心调整螺杆21将摆动臂的偏心调整为0，通过摆臂杆长调节手杆23调整摆动杆长度，调节平动臂3的位置，使得摆动杆水平时主动磨盘固定块59的中孔与镜体中心重合；

(3)安装主动磨盘系统4到主动磨盘固定块59的中孔处，调整主动磨盘的夹持高度，使得摆动臂、平动臂处于水平状态，然后调节螺杆56固定主动磨盘系统4。此时，摆动臂与平动臂垂直；

(4)根据工艺需求，设置镜体转速、磨盘转速和摆动臂偏心量，并调整摆动臂和平动臂重锤位置，调整磨盘压力；

(5)对镜体去除或者光滑加工时，镜体转速与磨盘转速相等；通过单轴抛光机结构模型，确定平动轴运动量与磨盘在镜体上回转半径之间的映射关系，利用此映射关系，通过控制平动轴以控制磨盘在镜体直径方向上匀速运动，实现上述加工目的。平动轴运动控制通过数控系统6编制相应的加工程序以自动控制磨盘运动。

(6)对镜体环带误差进行加工时，工艺方法根据preston原理和计算机控制光学成型原理，计算出各环带驻留归一化时间，通过设定总加工时间进行加工，再通过逐步计算的方法进行进一步的加工，归一化时间计算方法如下：

如图6，设镜体的半径为rm，将直径离散成m分，则离散点间隔为δ＝rm/(m-1)，去除矩阵rc的具体计算步骤为：

(a)计算理论去除矩阵。根据preston原理，磨盘处于镜体环带半径b处(如图7)时，任意半径l处的去除率为：

其中θ0＝cos^-1((b²+l²-r²)/(2bl))，r为磨盘半径。ω为光学镜体转动速度，ω1为磨盘自转速度，转速比f＝ω1/ω。k为preston常数，p为磨盘压力，计算中设定此两数都为1。将上述的任意环带去除函数离散化后，组合成去除矩阵rc。rc行数和列数均为离散点数，第i行是去除磨盘处于环带(i-1)δ时的去除函数。

计算表明，当镜体、磨盘同向同转速，且在各环带上驻留相同时间时，各环带材料去除量相等，此时能够实现镜体材料的均匀去除。

(b)获取面形误差函数。通过三坐标检测设备或干涉仪测量待加工光学元件全口径内的面形误差数据e’(ρ,θ)，ρ为极坐标半径，θ为极坐标的角度。然后以最优回转对称中心作为去除函数中心对去除函数进行回转对称处理，以获取建模面型误差函数e：

将去除函数e在去除函数相同的离散网格上离散，形成面形误差向量e，其行数为离散点数。

(c)求解环带驻留时间向量。根据计算机控制光学成型原理，去除矩阵rc、面形误差向量e和驻留时间向量t之间的关系为e＝rt。可用脉冲迭代方法、bayesian迭代法或ssb迭代法等算法求解驻留时间向量t；设定总加工时间，线性变化t，则得到用于实际加工的驻留时间向量。

(d)系统数控加工实现。设第i个环带的驻留时间为ti，则磨头从第i个环带运动到第i+1个环带的运动速度为v＝δ/ti。

(e)利用平动轴与镜体环带半径之间的映射关系，计算出各个环带半径对应的平动坐标后，将步骤(d)中的速度和此位置，编制成控制平动轴运动的数控代码，并输入到数控系统中以控制数控单轴机进行抛光加工。

(f)对数控加工后的镜面再次进行面形误差测量，若面形精度不满足要求则转至步骤(b)，若满足面形精度要求则结束加工。

综上所述，本发明基于传统单轴抛光机，利用数控系统对其实现了数控化设计，能够实现环带误差均匀去除和光滑的自动化加工，充分挖掘现有光学加工设备的加工潜力，提高加工效率，节约加工成本，对光学加工设备的性能提升具有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。