專利名稱：計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種計算機數(shù)字控制大型多功能集成光學加工機構，屬于大型光學表面(非球面、平面與球面)的加工設備制造技術領域，涉及光學加工領域的經(jīng)典拋光機、計算機控制小工具拋光機、計算機控制大尺寸應力盤拋光機、采用全口徑能動拋光模的被動式拋光機的功能集成和結構設計。
現(xiàn)有的大型光學表面加工技術設備中，經(jīng)典研磨拋光機是采用與被加工件基本相同尺寸的模具、通過擺動機構來拖動模具，使之在裝夾于主軸上自轉的被加工件的表面上往復擺動，填加金剛砂進行模具與被加工表面的研磨加工；或在模具上制備瀝青膠層制成拋光模、采用拋光填加劑進行拋光。其結構簡單、應用廣，造價低，主要適用于平、球面加工；但難以加工非球面，更難以加工離軸非球面；加工過程無法實現(xiàn)定量控制。
采用小工具計算機控制拋光機提供了一種加工非球面、尤其是離軸非球面的有效途徑。該設備裝有一個采用小工具的旋轉拋光頭，在加工表面上按預先指定的路徑運動。這個路徑的軌跡和運動速度由微型計算機控制，由于材料的去除量同磨頭在工件上任一點位的駐留時間長度成比例，因此，可以實現(xiàn)對材料去除的定量控制。小工具拋光頭連接一個數(shù)字接口，驅動兩個模擬伺服系統(tǒng)，X與Y兩個坐標上的伺服驅動器分別控制拋光頭滑板沿橫梁(X坐標)的移動速度和橫梁沿垂直方向(Y坐標)在橫梁兩端的兩個平行導軌上的移動速度。橫梁的位置信息由位移傳感器測量并反饋給計算機。小磨頭對加工表面保持壓力不變，由光學表面的干涉測量圖得到表面高度差的地貌圖，經(jīng)過軟件處理得到小磨頭的預期移動軌跡和運動速度，由計算機控制機床工作。這種用專用數(shù)控軟件驅動小尺寸拋光磨頭進行精密光學加工的技術的不足之處在于拋光效率較低；不適合超大型深型高陡度(大相對口徑)鏡面的加工；最大的不足還在于會在加工表面產生中、高頻殘差，加工功能單一。
在以后的發(fā)展中出現(xiàn)了一種新的拋光設備。這種拋光設備是在小工具計算機控制拋光機的基礎上，另外在橫梁上加裝一個采用小型金剛石砂輪的高精度數(shù)控銑磨磨頭，用以直接銑磨加工表面成型為所需的起始非球面，以便轉入數(shù)控研磨或直接拋光。在銑磨完成后，數(shù)控銑磨磨頭可以移至橫梁的一端。這類改進設備實質是僅為兩功能的小工具的計算機控制拋光機。
近十年來，國外又出現(xiàn)一種采用大尺寸應力盤的計算機控制拋光設備技術。這種技術主要適用于超大尺寸深型非球面的研磨和拋光。其主要工作原理是在薄型圓盤周邊上裝有多個機電驅動器和一些合理配置的拉桿，組成一個內應力可控可變的應力系統(tǒng)；在薄型圓盤上制作大尺寸拋光磨盤(模具)，通過計算機系統(tǒng)計算并改變圓盤的應力分布，從而能動地控制拋光磨盤的表面形狀，使之與被加工的非球面表面形狀吻合，一般取應力盤尺寸為加工件直徑的1／3。加工時，應力盤從加工件表面的中心起始，一邊自轉、一邊向工件邊緣移動。在此過程中，應力盤必須連續(xù)不斷地在計算機控制下改變表面形狀，使應力盤在非球面表面離開中心頂點的任一離軸位置上都保持面形的吻合，從而實現(xiàn)大尺寸深型非球面反射鏡的計算機控制應力盤精密加工。這種機床配有小型金剛石砂輪的高精度數(shù)控銑磨磨頭，用以直接銑磨加工表面成形為所需的起始非球面。其優(yōu)點是可以有效地抑制并去除中、高頻殘差。缺點在于對設備和技術的要求非常高；較難加工離軸非球面；不太適合中、小規(guī)格較平坦非球面的加工。
英國倫敦大學學院物理與天文系光學科學實驗室(Optical ScienceLaboratory，Dept．of Physics and Astronomy，University College London)的Sug-Whan Kim，David Ree，…等人在SPIE Vol．2775，491-496上公開發(fā)表了題為“OGLP-400An Innovative Computer Controlled Polishing Machine”的報告，介紹了一種采用全口徑能動拋光盤的樣機。這種采用全口徑能動拋光模的被動式拋光技術只適用于小相對口徑中、小規(guī)格的鏡面加工。
上述現(xiàn)有的光學加工設備在單機使用時，難以避免其自身的缺點和局限，限制了它們各自的應用范圍。迄今為止，國內外尚沒有任何一臺光學加工設備可以兼容以上五種光學加工設備的全部加工技術功能。
本實用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術的不足而提供一種集多種光學技術加工功能為一體的計算機數(shù)字控制大型多功能集成光學加工系統(tǒng)。為操作者提供了在加工類型、范圍、加工表面的幾何參數(shù)、加工精度等方面的廣泛的選擇；同時也為在加工的不同階段采用更合適的加工手段的組合提供了前所未有的可能條件。
本實用新型的目的可以通過以下措施來達到由基座上安裝平行導軌和雙立柱以及橫跨在雙立柱上的橫梁組成計算機數(shù)字控制大型集成光學加工系統(tǒng)；平行導軌上安裝可平動和轉動的平臺；橫梁上安裝三種磨頭--數(shù)控小型金剛石砂輪單刃銑磨磨頭、數(shù)控小工具光學數(shù)控成型拋光磨頭、數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭；通過連接組件安裝可拆卸的經(jīng)典拋光盤和全口徑能動應力盤。計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道通過多個伺服系統(tǒng)控制三種磨頭以及經(jīng)典拋光盤和全口徑能動應力盤，完成數(shù)字控制小型金鋼石砂輪單刃銑磨光學表面精密成型、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光、數(shù)控子孔徑能動應力盤大型高陡度非球面成型與拋光、經(jīng)典法成型與拋光、數(shù)控全口徑準能動應力盤非球面成型與拋光；可輸入加工類型、范圍、精度、加工表面幾何參數(shù)、加工功能組合選擇的輸入外設通過高速數(shù)據(jù)通道與計算機相連。
本實用新型的目的也可以通過以下技術措施實現(xiàn)數(shù)控小型金剛石砂輪單刃銑磨磨頭、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光磨頭、數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭共同裝在橫梁上，并都在橫梁上安裝的導軌上移動。導軌可為滾動式、靜壓式或滑動式中之一種。
本實用新型的目的還可以通過以下技術措施實現(xiàn)基座上固定的減速箱帶動圓盤及連桿，橫梁上臨時加裝連接件，連接件上固定的擺桿與連桿交接處安裝可快速裝卸的機頭及擺針，在擺針上安裝可拆卸的拋光盤或全口徑能動應力盤。
本實用新型的目的還可以通過以下技術措施實現(xiàn)兩級分布式計算機的上位機通過高速數(shù)據(jù)通道分別連接機床數(shù)控計算機和應力盤變形數(shù)控計算機，機床數(shù)控計算機連接并控制轉臺伺服系統(tǒng)、銑磨磨頭伺服系統(tǒng)、小工具成型拋光磨頭伺服系統(tǒng)；應力盤變形數(shù)控計算機連接并控制應力盤伺服系統(tǒng)、正方點陣多探頭測量電路；CRT操作中心連接到高速數(shù)據(jù)通道。
本實用新型的目的還可以通過以下技術措施實現(xiàn)機床數(shù)字控制計算機和應力盤數(shù)控計算機直接連接，并都通過高速數(shù)據(jù)通道和I／O接口連接并控制轉臺伺服系統(tǒng)、銑磨伺服系統(tǒng)、小工具光學表面成型拋光伺服系統(tǒng)、子孔徑能動應力盤拋光伺服系統(tǒng)、全口徑能動應力盤拋光驅動系統(tǒng)和測量電路；CRT-磁盤操作中心連接高速數(shù)據(jù)傳輸通道。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點通過一個基座和橫梁安裝三種磨頭、加裝經(jīng)典法研磨拋光組件和全口徑能動應力盤，并在基座上安裝共用的數(shù)控轉臺，使一臺集成加工系統(tǒng)機械結構替代了現(xiàn)有技術完成相同功能的五套單機的五套機械結構；以一套計算機數(shù)字控制系統(tǒng)替代五套單機設備的數(shù)控系統(tǒng)(電控系統(tǒng))，大大節(jié)約了設備的材料，降低了成本和造價。
本實用新型能在一套設備上完成以前需要在五套設備上完成的功能及其輸入設備，加工效率明顯提高。
本實用新型通過計算機數(shù)控系統(tǒng)及其輸入設備，為操作者提供了在加工類型、范圍、加工表面的幾何參數(shù)、加工精度等方面的廣泛的選擇，以及在加工的不同階段采用更合適的加工手段的組合，使多功能的優(yōu)勢互補，校正和彌補了單機的缺點和局限；如在數(shù)控加工之前進行一段經(jīng)典拋光以大幅度提高拋光加工效率；采用經(jīng)典拋光技術對數(shù)控加工表面進行最后的完善和“柔化”，使加工功能強化與增加，由此改善加工表面質量，從而使加工精度和質量大大提高。
下面通過附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。


圖1為本實用新型實施例的機械結構的主視圖。
圖2為本實用新型機械結構的俯視圖。
圖3為本實用新型機械結構的左視圖。
圖4為本實用新型機械結構的左視圖的A-A剖視圖。
圖5為本實用新型實施例一的電控原理圖。
圖6為本實用新型實施例二的電控原理圖。
如
圖1和圖2所示的計算機數(shù)字大型多功能集成光學加工機構實施例一，其機床基座1上直立龍門型雙立柱16，橫梁2騎跨在雙立柱16上。橫梁2上安裝滾動導軌32，三種磨頭--數(shù)控小型金剛石砂輪銑磨磨頭5、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光磨頭6、數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭7從左到右依此安裝在橫梁2上，并都在滾動導軌32上移動。
本實用新型的實施例二的機床基座1上直立龍門雙立柱16，橫梁2騎跨在雙立柱16上。橫梁2上安裝靜壓式(或滑動式)導軌32，三種磨頭從左到右依此安裝在橫梁2上，并都在靜壓式(或滑動式)導軌32上移動。
如
圖1、圖2所示，數(shù)控小型金剛石砂輪銑磨磨頭5在自身的垂直滑板33上作Z方向的移動；數(shù)控小工具光學表面成型與拋光磨頭6在自身的垂直滑板34上作Z方向的移動；數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭7在自身的垂直滑板35上作Z方向的移動。
平行導軌3沿基座1的縱向(機床的Y向)裝設，平行導軌3上安裝計算機數(shù)字控制大型多功能集成加工系統(tǒng)機床的工件主軸數(shù)控轉臺4。裝載工件的數(shù)控轉臺4可以轉動，也可以作直線運動。
圖2所示數(shù)控轉臺4定位在Y00位置，此時各磨頭軸線所在的同一平面垂直于數(shù)控轉臺4并通過其軸線。數(shù)控轉臺4在此位置上時兩級分布式計算機數(shù)控系統(tǒng)上位機20通過機床數(shù)控計算機22控制銑磨磨頭伺服系統(tǒng)25，驅動數(shù)控小型金剛石砂輪單刃銑磨磨頭5在橫梁2的左端到中心范圍內完成X方向的移動定位、在自身的垂直滑板33上完成Z方向的移動和定位，實現(xiàn)光學表面的成型加工。此時，小工具成型與拋光磨頭6和子孔徑能動應力盤拋光磨頭7在橫梁2的右端待避。
機床數(shù)控計算機22控制小工具成型拋光磨頭伺服系統(tǒng)26，驅動數(shù)控小工具表面成型與拋光磨頭6在橫梁2的左端到右端的范圍內完成X方向的移動和定位、在自身的垂直滑板34上完成Z方向的移動和定位。機床數(shù)控計算機22通過轉臺伺服系統(tǒng)24和小工具成型拋光磨頭伺服系統(tǒng)26控制數(shù)控轉臺4和數(shù)控小工具成型與拋光磨頭6，以極座標方式進行動工表面的軸對稱偏差校正，以直角座標方式加工非軸對稱表面或校正非軸對稱偏差。此時，銑磨磨頭5在橫梁2的左端待避，子孔徑能動應力盤拋光磨頭7在橫梁2的右端待避。
機床數(shù)控計算機22控制應力盤拋光磨頭伺服系統(tǒng)27，驅動數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭7在橫梁2的中心到右端的范圍內完成X方向的移動和定位、在自身的垂直滑板34上完成Z方向的移動和定位。同時應力盤數(shù)控計算機23控制應力盤伺服系統(tǒng)29，驅動應力盤8由加工表面的中心邊自轉邊向外移動，不斷地連續(xù)地變化盤面面形與加工非球面面形適配，完成大型高陡度非球面成型與拋光。此時，銑磨磨5與小工具成型拋光磨頭6在橫梁2的左端待避。
圖3為大型多功能集成光學加工機構機械結構的左視圖。該圖所示數(shù)控轉臺4位于Y11位置。并且，橫梁2上臨時安裝了附加連接件9，連接件9具有繞Z軸擺動和繞X軸俯仰的兩個自由度，擺桿13插入連接件9并被鎖定。
圖4為集成光學加工機構機械結構左視圖的A-A剖視圖，基座1上固定的減速箱12由減速箱驅動系統(tǒng)28驅動而帶動圓盤11轉動，并通過偏心鎖軸19帶動臨時安裝的連桿10動作。擺桿13和連桿10的交接處安裝可快速裝卸的機頭18連接擺針14，擺針14臨時連接拋光盤15，通過拋光盤15在工件表面往復擺動，進行經(jīng)典研磨拋光，擺幅由調整偏心鎖軸19的偏心距控制?；蛘撸跀[針14上臨時安裝全口徑能動應力盤17即可完成全口徑準能動應力盤非球面成型與拋光。
擺桿13和連桿10從擺針14連接處脫開，移到圖4所示點劃線位置后，計算機數(shù)字控制大型多功能集成光學加工系統(tǒng)可對加工鏡面進行立式在線光學檢驗。
圖5為計算機數(shù)字控制大型多功能集成光學加工機構實施例一的電控部分原理框圖。電控部分為兩級分布式計算機數(shù)控系統(tǒng)。上位計算機20通過高速數(shù)據(jù)通道21連接、控制、協(xié)調機床數(shù)控計算機22和應力盤變形數(shù)控計算機23。機床數(shù)控計算機22控制轉臺伺服系統(tǒng)24、銑磨磨頭伺服系統(tǒng)25、小工具成型拋光磨頭伺服系統(tǒng)26、應力盤拋光磨頭伺服系統(tǒng)27、減速箱驅動系統(tǒng)28。轉臺伺服系統(tǒng)24驅動數(shù)控轉臺4轉動和作直線移動；銑磨磨頭伺服系統(tǒng)25驅動數(shù)控小型金剛石砂輪單刃銑磨磨頭5移動和定位；小工具磨頭伺服系統(tǒng)驅動數(shù)控小工具表面成型與拋光磨頭6移動和定位；應力盤拋光磨頭伺服系統(tǒng)27驅動數(shù)控子孔徑應力盤成型與拋光磨頭7移動和定位；減速箱驅動系統(tǒng)28驅動減速箱12。應力盤變形數(shù)控計算機23控制應力盤變形系統(tǒng)29，驅動應力盤8在加工表面中心邊自轉邊向外移動的過程中，不斷地根據(jù)位置信息變化其面形，并可通過一個專用的正方點陣多探頭測臺電路30在機床之外獨立檢測，調校應力盤的變形，并建立應力盤相關的數(shù)據(jù)庫。在應力盤拋光磨頭工作時，由上位計算機20控制機床數(shù)控計算機22和應力盤變形數(shù)控計算機23并行工作；在應力盤拋光磨頭不工作、而其它磨頭工作時，機床數(shù)控計算機22獨立工作。CRT操作中心31連接高速數(shù)據(jù)通道21，操作者可通過CRT操作中心輸入所選擇的加工類型、范圍、加工表面幾何參數(shù)、加工精度及加工功能組合。兩級分布式計算機數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的參數(shù)，控制各伺服系統(tǒng)，完成①計算機數(shù)字控制小型金剛石砂輪單刃銑磨光學表面精密成型；②經(jīng)典法研磨及拋光；③計算機數(shù)字控制小工具光學表面成型與拋光；④計算機數(shù)字控制全口徑準能動應力盤非球面成型與拋光；⑤計算機數(shù)字控制子孔徑能動應力盤大型高陡度非球面成型與拋光。并可通過修改參數(shù)和程序完成五種加工功能的任何三種以上的組合。
圖6為本實用新型第二實施例的電控部分原理框圖。實施例二的電控部分為雙中心計算機的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)機床數(shù)字控制計算機40和應力盤數(shù)字控制計算機41之間直接連接和進行數(shù)據(jù)傳遞，二者通過高速數(shù)據(jù)傳輸通道42連接CRT-磁盤操作中心44，操作者可通過CRT-磁盤操作中心44向數(shù)控計算機輸入所選擇的加工類型、范圍、精度、加工表面幾何參數(shù)、加工功能組合。機床數(shù)控計算機40和應力盤數(shù)控計算機41經(jīng)高速數(shù)據(jù)傳輸通道42通過I／O接口43控制轉臺伺服系統(tǒng)24、銑磨伺服系統(tǒng)36、小工具光學表面成型拋光伺服系統(tǒng)37、子孔徑能動應力盤拋光伺服系統(tǒng)38、全口徑能動應力盤拋光驅動電路39，完成五種加工功能①計算機數(shù)字控制小型金剛石砂輪單刃銑磨光學表面精密成型；②經(jīng)典法研磨及拋光；③計算機數(shù)字控制小工具光學表面成型與拋光；④計算機數(shù)字控制全口徑準能動應力盤非球面成型與拋光；⑤計算機數(shù)字控制子孔徑能動應力盤大型高陡度非球面成型與拋光。并可完成五種加工功能的任何三種以上的組合。數(shù)控系統(tǒng)通過測量電路45進行在線光學檢驗，以及檢測、調校應力盤的變形，并建立應力盤相關的數(shù)據(jù)庫。
權利要求1．一種計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構，由基座(1)上安裝平行導軌(3)和雙立柱(16)以及橫跨在雙立柱(16)上的橫梁(2)組成，其特征在于平行導軌(3)上安裝可平動和轉動的數(shù)控轉臺(4)，橫梁(2)上安裝有三種磨頭--數(shù)控小型金鋼石砂輪單刃銑磨磨頭(5)、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光磨頭(6)、數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭(7)，通過連接組件安裝可拆卸的拋光盤(15)和全口徑能動應力盤(17)；計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的計算機經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道(21)通過多個伺服系統(tǒng)控制三種磨頭以及拋光盤(15)和全口徑能動應力盤(17)，完成數(shù)控小型金鋼石單刃銑磨光學表面成型、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光、數(shù)控子孔徑能動應力盤大型高陡度非球面成型與拋光、經(jīng)典法成型與拋光、數(shù)控全口徑準能動應力盤非球面成型與拋光；可輸入加工類型、范圍、精度、加工表面幾何參數(shù)、加工功能組合選擇的輸入外設通過高速。數(shù)據(jù)通道(21)與計算機相連。
2．根據(jù)權利要求1所述的計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構，其特征在于數(shù)控小型金鋼石砂輪單刃銑磨磨頭(5)、數(shù)控小工具光學表面成型與拋光磨頭(6)、數(shù)控子孔徑能動應力盤成型與拋光磨頭(7)共同安裝在橫梁(2)上，并都在橫梁(2)安裝的導軌(32)上移動；導軌(32)可為滾動式靜壓式或滑動式中之一種。
3．根據(jù)權利要求1和2所述的計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構，其特征在于基座(1)上固定的減速箱(12)帶動圓盤(11)及連桿(10)；橫梁(2)上安裝可拆卸的連接件(9)；連接件(9)上固定的擺桿(13)與連桿(10)交接處安裝可快速拆卸的機頭(18)及擺針(14)，擺針(14)上安裝可拆卸的拋光盤(15)或者全口徑能動應力盤(17)。
4．根據(jù)權利要求1所述的計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構，其特征在于兩級分布式計算機數(shù)控系統(tǒng)的上位機(20)通過高速數(shù)據(jù)通道(21)分別連接機床數(shù)控計算機(22)和應力盤變形計算機(23)；機床數(shù)控計算機(22)連接并控制轉臺伺服系統(tǒng)(24)、銑磨磨頭伺服系統(tǒng)(25)、小工具磨頭伺服系統(tǒng)(26)、應力盤拋光磨頭伺服系統(tǒng)(27)以及減速箱驅動系統(tǒng)，應力盤變形計算機(23)連接并控制并驅動應力盤伺服系統(tǒng)(29)、正方點陣多探頭測量臺電路(30)；CRT操作中心(31)連接到高速數(shù)據(jù)通道(21)。
5．根據(jù)權利要求1所述的計算機數(shù)字控制大型集成光學加工機構，其特征在于機床數(shù)字控制計算機(40)和應力盤數(shù)字控制計算機(41)直接連接，并都通過高速數(shù)據(jù)傳輸通道(42)和I／O接口(43)連接并控制轉臺伺服系統(tǒng)(24)、銑磨伺服系統(tǒng)(36)、小工具光學表面成型與拋光伺服系統(tǒng)(37)、子孔徑能動應力盤成型與拋光伺服系統(tǒng)(38)、全口徑能動應力盤拋光伺服系統(tǒng)(39)和測量電路(45)；CRT--盤操作中心(44)連接高速數(shù)據(jù)通道(42)。
專利摘要一種計算機數(shù)字控制大型集成多功能加工機構,可用于加工大型光學鏡頭。該加工機構由基座上騎跨立柱和橫梁,以及橫梁上安裝多種光學加工磨頭、拋光盤等組成?；钠叫袑к壣习惭b工件轉臺,計算機數(shù)字控制系統(tǒng)控制多個伺服系統(tǒng)驅動轉臺、光學加工磨頭和拋光盤等完成光學表面精密成型、非球面成型與拋光、大型高陡度非球面成型與拋光、小工具光學表面成型與拋光、經(jīng)典法研磨與拋光五種功能,解決了現(xiàn)有設備功能單一、局限大的問題,提高了加工質量和效率。
文檔編號B24B13/06GK2413848SQ0022264
公開日2001年1月10日 申請日期2000年3月29日 優(yōu)先權日2000年3月29日
發(fā)明者楊力, 姜文漢, 伍凡, 曾志革, 鄭耀 申請人:中國科學院光電技術研究所