调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件

摘要

一种调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件，包括：行星双转子气压传动装置、关节式辅助施压机构和抛光盘，其特点在于所述的抛光盘的背面刻有同心圆沟槽，所述的关节式辅助施压机构由固定基座、活动关节和测力计组成。在光学元件边缘区域抛光过程中，通过该抛光组件对光学元件边缘区域压强分布进行调节，从而改变边缘区域材料去除量分布、达到抑制边缘效应的效果；另外，借助关节式辅助施压机构可有效减小振动幅度，从而提高抛光过程的可确定性。

说明书

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，涉及计算机控制光学表面成形技术领域，尤其是一种调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件。

背景技术

计算机控制表面成形技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)是上个世纪七十年代发展起来的一种确定性抛光技术，目前已成为非球面光学元件加工的主流技术。在计算机的控制下，一个直径远小于工件表面尺寸的抛光盘(俗称小磨头)按照计算的运动轨迹和行进速度在工件表面进行扫描加工。这种技术具有许多传统抛光技术所不具备的优点，如确定性好、抛光效率高和能加工大口径复杂表面等；然而，它也存在一些问题或不足之处，如边缘效应问题和中频误差问题。

边缘效应问题对CCOS的面形精度和加工效率有较大影响，也是该领域的重要研究问题。边缘效应产生的主要原因是：1)抛光盘无法完全移出工件表面；2)抛光盘部分悬空使工件表面边缘区域的压强分布发生变化。传统解决途径是通过垫块来拓展工件边缘，以确保抛光盘可以完全移出工件表面，从而抑制边缘效应。该方法对垫块的形状和材料特性都有较高要求，因而很难实际应用到CCOS中。针对CCOS或小工具抛光的情况，有学者提出了边缘区域去除函数的参数化模型，也有学者提出了基于有限元分析的边缘区域压强分布模型，这些模型都在一定范围内能够较准确地预测边缘区域的材料去除量分布。由Preston方程可知，压强和相对速度是影响材料去除率的主要因素，虽然有研究表明光学元件边缘区域的材料去除存在非线性，但是边缘区域的压强分布与材料去除率的非线性关系是确定的，可通过多次实验获得。因而，在工件表面边缘区域进行小工具抛光过程中，通过调节压强分布可改变边缘区域材料去除量分布，进而可抑制边缘效应。

然而，传统抛光工具无法对边缘区域的压强分布进行有效调节，因此不能通过调节压强分布来抑制边缘效应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件，在光学元件边缘区域抛光过程中，通过该抛光组件对光学元件边缘区域压强分布进行调节，从而改变边缘区域材料去除量分布、达到抑制边缘效应的效果；另外，借助关节式辅助施压机构可有效减小振动幅度，从而提高抛光过程的可确定性。

本发明的技术解决方案如下：

一种调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件，包括：行星双转子气压传动装置、关节式辅助施压机构和抛光盘，其特点在于所述的抛光盘的背面刻有同心圆沟槽，所述的关节式辅助施压机构由固定基座、活动关节和测力计组成，所述的固定基座固定在所述的行星双转子气压传动装置的侧壁上，所述的活动关节的一端与所述的固定基座相连，所述的活动关节的末端的夹具固定所述的测力计，所述的测力计的探针通过所述的活动关节定位在所述的抛光盘背面的任一同心圆沟槽内，从自内向外的沟槽数直接读出测力计探针与抛光盘的中心的距离，所述的测力计对抛光盘实时施加压力并显示所施加压力的大小。

所述的活动关节是手动调节的关节机械结构，或计算机控制的关节式机械臂。

双转子气压传动装置的作用是：带动抛光盘进行行星式转动，当公转轴与自转轴同心或重合时，抛光盘只有自转；对抛光盘施加恒定压力，使抛光盘与待加工光学表面紧密贴合，一般表面材料去除率与所施加压力成正比。

测力计通过活动关节末端的夹具来固定，它主要用于对抛光盘上表面某个位置施加恒定压力，同时，测力计实时输出或显示所施加压力的大小。通过所述的同心圆沟槽对测力计探针进行限制定位和测量，从沟槽数可以直接读出测力计探针与抛光盘中心或边缘的距离，同时，在抛光盘进行行星式双转子旋转抛光时，沟槽可限制测力计探针的相对位置。

本发明主要有如下有益效果：

(1)在光学元件边缘区域抛光过程中，通过关节式施压机构可对边缘区域压强分布进行调节，从而改变边缘区域材料去除量分布，可达到抑制边缘效应的效果；

(2)抛光盘旋转过程中由于底部摩擦受力不均匀容易产生机械振动，借助关节式施压机构施压可有效减小振动幅度，因而可提高抛光过程的可确定性。

附图说明

图1为本发明调节光学元件边缘区域压强分布的抛光组件的装配图；

图2为行星双转子气压传动装置的示意图；

图3为关节式辅助施压机构的示意图；

图4为背面刻有同心圆沟槽的抛光盘的示意图；

图5为测力计施压工作示意图；

图6为有限元分析结果，其中，图6(a)表示测力计未施压的情况；图6(b)、图6(c)、图6(d)分别表示测力计在工件边缘附近、内侧、外侧施压的情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明抛光组件装配示意图。所述抛光组件主要包括：行星双转子气压传动装置1、关节式辅助施压机构2、背面刻有同心圆沟槽的抛光盘3。

图2为一个行星双转子气压传动装置的外观示意图。此装置的作用是：1)带动抛光盘进行行星式转动，当公转轴与自转轴同心或重合时，抛光盘只有自转；2)对抛光盘施加恒定压力，使抛光盘与待加工光学表面紧密贴合，一般表面材料去除率与所施加压力成正比。此装置属于常用机械部件。

图3为关节式辅助施压机构。它的主要作用是在抛光盘背面施加一定的压力，改变抛光盘与光学表面接触区域的压强分布，从而调节光学元件边缘区域的材料去除量、抑制边缘效应。关节式辅助施压机构由固定基座21、活动关节22、测力计23三个部分组成。固定基座21的作用是将整个关节式辅助施压机构2通过磁力固定到行星双转子气压传动装置1的侧壁上，具体布局如图1所示；活动关节22的作用是调节和固定测力计23的位置，保证测力计能在抛光盘3背面任意位置进行施压；测力计23兼具施压和测力两个功能，通过表盘可实时读取压力大小。此机构也是常用机械部件。

图4为背面刻有同心圆沟槽的抛光盘的示意图。此抛光盘的特征在于，其背面有如图4所示的同心圆沟槽31。通过该同心圆沟槽可对测力计探针进行限制定位和测量，从沟槽数可以直接读出测力计探针与抛光盘中心或边缘的距离，同时，在抛光盘进行行星式双转子旋转抛光时，沟槽可限制测力计探针的相对位置。需要注意的是，在边缘区域进行抛光时，本发明优选的采用自转模式，也就是行星双转子的公转轴与自转轴重合；如果二者不重合，那么还需要抛光过程中测力计需要跟随公转运动。注意，考虑到沟槽比较密，很难清楚显示出来，在其它附图中省略了同心圆沟槽，实际上所有附图中抛光盘背面都有同心圆沟槽。

图5为测力计施压的示意图。测力计施压位置会直接影响抛光盘与工件表面接触区域的压强分布。

图6为有限元分析结果。图6(a)表示测力计未施压的情况，图6(a)、图6(b)和图6(c)分别表示测力计在三种不同位置施压的情况。可以看到，当测力计未施压时(见图6(a))，工件表面最边缘区域压强没有靠工件内侧区域压强大，在实际抛光过程中会造成边缘突起，即常见的“翘边”现象；当测力计在工件边缘附近施压时(见图6(b))，工件表面最边缘区域压强与靠工件内侧区域压强很接近，同时，测力计施压附近区域的压强较大；当测力计在工件内侧施压时(见图6(c))，工件内侧测力计施压位置附近出现了一块压强较大区域，而整体压强分布比较均匀；当测力计在工件外侧施压时(见图6(d))，工件边缘区域压强过大，在实际抛光过程中会造成边缘往下塌陷，即常见的“塌边”现象。针对不同的情况，采用不同的施压条件可以防止边缘面形恶化。比如，如果工件表面初始面形就有翘边，那么采用如图6(d)所示施压方式可以抑制翘边；如果工件表面初始面形存在塌边现象，那么采用图6(c)所示施压方式可以防止抛光过程中继续塌边。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明所述抛光组件有了清楚的认识。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。