计算机数字控制大型集成光学加工机构制造技术

一种计算机数字控制大型集成多功能加工机构，可用于加工大型光学镜头。该加工机构由基座上骑跨立柱和横梁，以及横梁上安装多种光学加工磨头、抛光盘等组成。基座的平行导轨上安装工件转台，计算机数字控制系统控制多个伺服系统驱动转台、光学加工磨头和抛光盘等完成光学表面精密成型、非球面成型与抛光、大型高陡度非球面成型与抛光、小工具光学表面成型与抛光、经典法研磨与抛光五种功能，解决了现有设备功能单一、局限大的问题，提高了加工质量和效率。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是一种计算机数字控制大型多功能集成光学加工机构，属于大型光学表面(非球面、平面与球面)的加工设备制造
，涉及光学加工领域的经典抛光机、计算机控制小工具抛光机、计算机控制大尺寸应力盘抛光机、采用全口径能动抛光模的被动式抛光机的功能集成和结构设计。现有的大型光学表面加工技术设备中，经典研磨抛光机是采用与被加工件基本相同尺寸的模具、通过摆动机构来拖动模具，使之在装夹于主轴上自转的被加工件的表面上往复摆动，填加金刚砂进行模具与被加工表面的研磨加工；或在模具上制备沥青胶层制成抛光模、采用抛光填加剂进行抛光。其结构简单、应用广，造价低，主要适用于平、球面加工；但难以加工非球面，更难以加工离轴非球面；加工过程无法实现定量控制。采用小工具计算机控制抛光机提供了一种加工非球面、尤其是离轴非球面的有效途径。该设备装有一个采用小工具的旋转抛光头，在加工表面上按预先指定的路径运动。这个路径的轨迹和运动速度由微型计算机控制，由于材料的去除量同磨头在工件上任一点位的驻留时间长度成比例，因此，可以实现对材料去除的定量控制。小工具抛光头连接一个数字接口，驱动两个模拟伺服系统，X与Y两个坐标上的伺服驱动器分别控制抛光头滑板沿横梁(X坐标)的移动速度和横梁沿垂直方向(Y坐标)在横梁两端的两个平行导轨上的移动速度。横梁的位置信息由位移传感器测量并反馈给计算机。小磨头对加工表面保持压力不变，由光学表面的干涉测量图得到表面高度差的地貌图，经过软件处理得到小磨头的预期移动轨迹和运动速度，由计算机控制机床工作。这种用专用数控软件驱动小尺寸抛光磨头进行精密光学加工的技术的不足之处在于抛光效率较低；不适合超大型深型高陡度(大相对口径)镜面的加工；最大的不足还在于会在加工表面产生中、高频残差，加工功能单一。在以后的发展中出现了一种新的抛光设备。这种抛光设备是在小工具计算机控制抛光机的基础上，另外在横梁上加装一个采用小型金刚石砂轮的高精度数控铣磨磨头，用以直接铣磨加工表面成型为所需的起始非球面，以便转入数控研磨或直接抛光。在铣磨完成后，数控铣磨磨头可以移至横梁的一端。这类改进设备实质是仅为两功能的小工具的计算机控制抛光机。近十年来，国外又出现一种采用大尺寸应力盘的计算机控制抛光设备技术。这种技术主要适用于超大尺寸深型非球面的研磨和抛光。其主要工作原理是在薄型圆盘周边上装有多个机电驱动器和一些合理配置的拉杆，组成一个内应力可控可变的应力系统；在薄型圆盘上制作大尺寸抛光磨盘(模具)，通过计算机系统计算并改变圆盘的应力分布，从而能动地控制抛光磨盘的表面形状，使之与被加工的非球面表面形状吻合，一般取应力盘尺寸为加工件直径的1／3。加工时，应力盘从加工件表面的中心起始，一边自转、一边向工件边缘移动。在此过程中，应力盘必须连续不断地在计算机控制下改变表面形状，使应力盘在非球面表面离开中心顶点的任一离轴位置上都保持面形的吻合，从而实现大尺寸深型非球面反射镜的计算机控制应力盘精密加工。这种机床配有小型金刚石砂轮的高精度数控铣磨磨头，用以直接铣磨加工表面成形为所需的起始非球面。其优点是可以有效地抑制并去除中、高频残差。缺点在于对设备和技术的要求非常高；较难加工离轴非球面；不太适合中、小规格较平坦非球面的加工。英国伦敦大学学院物理与天文系光学科学实验室(Optical ScienceLaboratory，Dept．of Physics and Astronomy，University College London)的Sug-Whan Kim，David Ree，…等人在SPIE Vol．2775，491-496上公开发表了题为“OGLP-400An Innovative Computer Controlled Polishing Machine”的报告，介绍了一种采用全口径能动抛光盘的样机。这种采用全口径能动抛光模的被动式抛光技术只适用于小相对口径中、小规格的镜面加工。上述现有的光学加工设备在单机使用时，难以避免其自身的缺点和局限，限制了它们各自的应用范围。迄今为止，国内外尚没有任何一台光学加工设备可以兼容以上五种光学加工设备的全部加工技术功能。本技术的目的在于避免上述现有技术的不足而提供一种集多种光学技术加工功能为一体的计算机数字控制大型多功能集成光学加工系统。为操作者提供了在加工类型、范围、加工表面的几何参数、加工精度等方面的广泛的选择；同时也为在加工的不同阶段采用更合适的加工手段的组合提供了前所未有的可能条件。本技术的目的可以通过以下措施来达到由基座上安装平行导轨和双立柱以及横跨在双立柱上的横梁组成计算机数字控制大型集成光学加工系统；平行导轨上安装可平动和转动的平台；横梁上安装三种磨头--数控小型金刚石砂轮单刃铣磨磨头、数控小工具光学数控成型抛光磨头、数控子孔径能动应力盘成型与抛光磨头；通过连接组件安装可拆卸的经典抛光盘和全口径能动应力盘。计算机数字控制系统的计算机经高速数据通道通过多个伺服系统控制三种磨头以及经典抛光盘和全口径能动应力盘，完成数字控制小型金钢石砂轮单刃铣磨光学表面精密成型、数控小工具光学表面成型与抛光、数控子孔径能动应力盘大型高陡度非球面成型与抛光、经典法成型与抛光、数控全口径准能动应力盘非球面成型与抛光；可输入加工类型、范围、精度、加工表面几何参数、加工功能组合选择的输入外设通过高速数据通道与计算机相连。本技术的目的也可以通过以下技术措施实现数控小型金刚石砂轮单刃铣磨磨头、数控小工具光学表面成型与抛光磨头、数控子孔径能动应力盘成型与抛光磨头共同装在横梁上，并都在横梁上安装的导轨上移动。导轨可为滚动式、静压式或滑动式中之一种。本技术的目的还可以通过以下技术措施实现基座上固定的减速箱带动圆盘及连杆，横梁上临时加装连接件，连接件上固定的摆杆与连杆交接处安装可快速装卸的机头及摆针，在摆针上安装可拆卸的抛光盘或全口径能动应力盘。本技术的目的还可以通过以下技术措施实现两级分布式计算机的上位机通过高速数据通道分别连接机床数控计算机和应力盘变形数控计算机，机床数控计算机连接并控制转台伺服系统、铣磨磨头伺服系统、小工具成型抛光磨头伺服系统；应力盘变形数控计算机连接并控制应力盘伺服系统、正方点阵多探头测量电路；CRT操作中心连接到高速数据通道。本技术的目的还可以通过以下技术措施实现机床数字控制计算机和应力盘数控计算机直接连接，并都通过高速数据通道和I／O接口连接并控制转台伺服系统、铣磨伺服系统、小工具光学表面成型抛光伺服系统、子孔径能动应力盘抛光伺服系统、全口径能动应力盘抛光驱动系统和测量电路；CRT-磁盘操作中心连接高速数据传输通道。本技术与现有技术相比有如下优点通过一个基座和横梁安装三种磨头、加装经典法研磨抛光组件和全口径能动应力盘，并在基座上安装共用的数控转台，使一台集成加工系统机械结构替代了现有技术完成相同功能的五套单机的五套机械结构；以一套计算机数字控制系统替代五套单机设备的数控系统(电控系统)，大大节约了设备的材料，降低了成本和造价。本技术能在一套设备上完成以前需要在五套设备上完成的功能及其输入设备，加工效率明显提高。本技术通过计算机数控系统及其输入设备，为操作者提供了在加工类型、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机数字控制大型集成光学加工机构，由基座（１）上安装平行导轨（３）和双立柱（１６）以及横跨在双立柱（１６）上的横梁（２）组成，其特征在于：平行导轨（３）上安装可平动和转动的数控转台（４），横梁（２）上安装有三种磨头－数控小型金钢石砂轮单刃铣磨磨头（５）、数控小工具光学表面成型与抛光磨头（６）、数控子孔径能动应力盘成型与抛光磨头（７），通过连接组件安装可拆卸的抛光盘（１５）和全口径能动应力盘（１７）；计算机数字控制系统的计算机经高速数据通道（２１）通过多个伺服系统控制三种磨头以及抛光盘（１５）和全口径能动应力盘（１７），完成数控小型金钢石单刃铣磨光学表面成型、数控小工具光学表面成型与抛光、数控子孔径能动应力盘大型高陡度非球面成型与抛光、经典法成型与抛光、数控全口径准能动应力盘非球面成型与抛光；可输入加工类型、范围、精度、加工表面几何参数、加工功能组合选择的输入外设通过高速，数据通道（２１）与计算机相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨力，姜文汉，伍凡，曾志革，郑耀，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：实用新型
国别省市：51[中国|四川]