專利名稱：一種非球面光學零件的研拋方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械領域中零件的加工方法，尤其涉及一種非球面光學零件的研 拋方法。
背景技術：
非球面光學零件因具有良好的光學特性而受到研究者的廣泛關注。近年來，非球 面光學零件研拋技術與裝備的研究開發(fā)一般利用超精密多軸數控機床為平臺，以多軸數控 插補運動伺服的方式進行加工，以實現非球面研拋過程的數控化、精量化，一定程度上提高 了研拋的加工效率。但是利用上述設備加工存在以下技術缺陷(1)由于在加工過程中只 是通過數控機床切削加工的位置伺服控制對零件進行加工，而無法對作用在零件上的研拋 力進行實時控制，從而使得曲面研拋過程的研拋力不確定、不一致，導致零件表面的精整加 工質量不確定、不一致；(2)設備成本高，一般每臺數控機床的價值在數百萬甚至上千萬， 極大的阻礙了非球面零件加工的生產普及化。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是一種可提高曲面精加工質量的非球面光學零件的 研拋方法。本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種非球面光學零件的研拋方 法，包括以下具體步驟(1)、在工作臺上安裝第一電機和第一傳動軸，并在第一電機上連接第一傳動機構 以帶動第一傳動軸轉動，然后在第一傳動軸上同軸套設轉盤，并在轉盤與第一傳動軸之間 設置由至少一根彈簧組成的柔順控制裝置，將轉盤與轉動臂的一端固定連接，在轉動臂的 另一端固定連接研磨工具；(2)、在第二電機上連接第二傳動機構以帶動第二傳動軸轉動，將用于安裝待加工 零件的夾具固定連接在第二傳動軸上；(3)、將待加工的非球面光學零件安裝在夾具上；(4)、設定工作臺在X方向的進給位移即轉動臂在第二傳動軸上的回轉中心在X方
向的進給位移，記為xp，設定工作臺在Y方向的進給位移即轉動臂在第二傳動軸上的回轉
中心在Y方向的進給位移，記為&，設定轉動臂的角位移變化值為A 0，并設定\和&為 其中x、y表示研磨工具在非球面光學零件上加工點的位置，^表示研磨工具在非 球面光學零件上的加工點到研磨工具與轉動臂的連接點的垂直距離，12表示轉動臂的回轉 中心到研磨工具與轉動臂的連接點的垂直距離，e表示研磨工具在非球面光學零件上加工 點的切線與X方向所成的夾角，Fn表示研磨工具作用在非球面光學零件上的研拋法向力，k 表示柔順控制裝置的彈性系數；
(5)、根據步驟(4)中設定的關系式通過控制系統(tǒng)控制工作臺在X、Y方向的進給運 動以及第一電機的轉動，實現控制轉動臂在X、Y方向的進給位移xp、yp以及轉動臂繞回轉 中心轉動的角度△ 9，以保證研磨工具作用在非球面光學零件上的研拋力始終為研拋法向 力，同時通過控制第一電機和柔順控制裝置實時控制研磨工具作用在非球面光學零件上的 研拋法向力Fn，實現對非球面光學零件的研拋加工。所述的彈簧的一端與所述的轉盤連接，所述的彈簧的另一端與所述的第一傳動軸 連接。所述的彈簧為至少兩根，且繞著所述的第一傳動軸均勻分布。所述的工作臺為數控機床中的伺服工作臺。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是通過本方法在加工過程中可直接控制研拋法向 力，克服了由于柔順機械系統(tǒng)力/位耦合問題導致的力控制不準確難題，有利于獲得穩(wěn)定、 一致的曲面輪廓，提高了零件表面的精整加工質量；而且以柔順控制的方式對非球面光學 零件進行加工，避免了精密加工對機械系統(tǒng)精度的高要求，降低了設備的制造成本，有利于 推廣應用；此外，本方法的加工原理簡單，有利于硬件設計和軟件開發(fā)。


圖1為本發(fā)明中所使用的裝置的俯視圖；圖2為本發(fā)明的第一傳動軸的剖視圖；圖3為本發(fā)明的運動軌跡的原理圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖所示，一種非球面光學零件的研拋方法，包括以下具體步驟(1)、在數控機床中的伺服工作臺1上安裝第一電機11和第一傳動軸12，并在第一 電機11上連接第一傳動機構7以帶動第一傳動軸12轉動，然后在第一傳動軸12上同軸套 設轉盤8，并在轉盤8與第一傳動軸12之間連接由三根均勻分布的彈簧13組成的柔順控制 裝置，將轉盤8與轉動臂2的一端固定連接，在轉動臂2的另一端固定連接研磨工具9 ；(2)、在第二電機3上連接第二傳動機構6以帶動第二傳動軸14轉動，將用于安裝 待加工零件5的夾具4固定連接在第二傳動軸14上；(3)、將待加工的非球面光學零件5安裝在夾具4上；(4)、設定伺服工作臺1在X方向的進給位移即轉動臂2在第二傳動軸14上的回 轉中心在X方向的進給位移，記為Xp，設定伺服工作臺1在Y方向的進給位移即轉動臂2在 第二傳動軸14上的回轉中心在Y方向的進給位移，記為yp，設定轉動臂2的角位移變化值 其中X、y表示研磨工具9在非球面光學零件5上加工點的位置，表示研磨工具 9在非球面光學零件5上的加工點到研磨工具9與轉動臂2的連接點的垂直距離，12表示 轉動臂2的回轉中心到研磨工具9與轉動臂2的連接點的垂直距離，0表示研磨工具9在 非球面光學零件5上加工點的切線與X方向所成的夾角，Fn表示研磨工具9作用在非球面
4光學零件5上的研拋法向力，k表示柔順控制裝置的彈性系數；(5)、根據步驟(4)中設定的關系式通過控制系統(tǒng)控制伺服工作臺1在X、Y方向的 進給運動以及第一電機11的轉動，實現控制轉動臂2在X、Y方向的進給位移Xp、yp以及轉 動臂2繞回轉中心轉動的角度A 0，以保證研磨工具9作用在非球面光學零件5上的研拋 力始終為研拋法向力，同時通過控制第一電機11和柔順控制裝置實時控制研磨工具9作用 在非球面光學零件5上的研拋法向力Fn，實現對非球面光學零件5的研拋加工。對上述加工方法中步驟(4)中的關系式的設定依據解釋如下1、確定二軸平動數控伺服工作臺1的運動軌跡非球面光學零件5可以看做在數控二維平面中軸截面繞著第二傳動軸14旋轉而 成，因此，非球面光學零件5的軸截面可以詳細地表現出零件的輪廓特征，軸截面可以表示 為一條平面曲線f(x，y) =0。設轉動臂2和轉盤8共同的回轉中心坐標為(xp，yp)，非球 面光學零件5上被加工點坐標為(x，y)，定義研磨工具9與轉動臂2連接的中心點為點P ； 設(x，y)與點P的連線為11，(xp,yp)與點P的連線為12 ；設定h與12的夾角為直角，則系 統(tǒng)簡化為圖3所示，并從圖3中可以得出 其中e表示為非球面光學零件5上被加工點處切線的斜率反正切函數，即所以，轉動臂2和轉盤8共同的回轉中心(xp，yp)的運動軌跡為 2、轉動臂6的角位移變化值設研拋工具12與非球面工件5研拋法向力為Fn，旋轉系統(tǒng)彈性系數為k，則因為 產生法向力所致的確定轉動臂6的角位移變化值A 0為 3、控制系統(tǒng)對系統(tǒng)的控制當研磨工具9沿非球面光學零件5的表面作進給運動由(Xl，yi)點運動至(x2，y2) 點、研拋法向力由Fni變化成Fn2時，由以上公式可以求得\、、和(0+A 0)的變化，根據 這三個位移的變化，控制第一電機11作插補運動，即可完成系統(tǒng)的進給運動。上述實施例中，第一傳動機構7和第二傳動機構6為機械領域中常用的傳動機構， 如皮帶輪和皮帶組合的傳動機構、齒輪傳動機構等；研磨工具9為機械領域中常用的研磨 工具，如砂輪等，控制系統(tǒng)控制伺服工作臺1和第一電機11的運動與現有數控加工領域中 的控制方式相同。
權利要求
一種非球面光學零件的研拋方法，其特征在于包括以下具體步驟(1)、在工作臺上安裝第一電機和第一傳動軸，并在第一電機上連接第一傳動機構以帶動第一傳動軸轉動，然后在第一傳動軸上同軸套設轉盤，并在轉盤與第一傳動軸之間設置由至少一根彈簧組成的柔順控制裝置，將轉盤與轉動臂的一端固定連接，在轉動臂的另一端固定連接研磨工具；(2)、在第二電機上連接第二傳動機構以帶動第二傳動軸轉動，將用于安裝待加工零件的夾具固定連接在第二傳動軸上；(3)、將待加工的非球面光學零件安裝在夾具上；(4)、設定工作臺在X方向的進給位移即轉動臂在第二傳動軸上的回轉中心在X方向的進給位移，記為xp，設定工作臺在Y方向的進給位移即轉動臂在第二傳動軸上的回轉中心在Y方向的進給位移，記為yp，設定轉動臂的角位移變化值為Δθ，并設定xp和yp為其中x、y表示研磨工具在非球面光學零件上加工點的位置，l1表示研磨工具在非球面光學零件上的加工點到研磨工具與轉動臂的連接點的垂直距離，l2表示轉動臂的回轉中心到研磨工具與轉動臂的連接點的垂直距離，θ表示研磨工具在非球面光學零件上加工點的切線與X方向所成的夾角，Fn表示研磨工具作用在非球面光學零件上的研拋法向力，k表示柔順控制裝置的彈性系數；(5)、根據步驟(4)中設定的關系式通過控制系統(tǒng)控制工作臺在X、Y方向的進給運動以及第一電機的轉動，實現控制轉動臂在X、Y方向的進給位移xp、yp以及轉動臂繞回轉中心轉動的角度Δθ，以保證研磨工具作用在非球面光學零件上的研拋力始終為研拋法向力，同時通過控制第一電機和柔順控制裝置實時控制研磨工具作用在非球面光學零件上的研拋法向力Fn，實現對非球面光學零件的研拋加工。FSA00000136815400011.tif,FSA00000136815400012.tif
2.如權利要求1所述的一種非球面光學零件的研拋方法，其特征在于所述的彈簧的一 端與所述的轉盤連接，所述的彈簧的另一端與所述的第一傳動軸連接。
3.如權利要求1或2所述的一種非球面光學零件的研拋方法，其特征在于所述的彈簧 為至少兩根，且繞著所述的第一傳動軸均勻分布。
4.如權利要求1所述的一種非球面光學零件的研拋方法，其特征在于所述的工作臺為 數控機床中的伺服工作臺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非球面光學零件的研拋方法，優(yōu)點是通過本方法在加工過程中可直接控制研拋法向力，克服了由于柔順機械系統(tǒng)力/位耦合問題導致的力控制不準確難題，有利于獲得穩(wěn)定、一致的曲面輪廓，提高了零件表面的精整加工質量；而且以柔順控制的方式對非球面光學零件進行加工，避免了精密加工對機械系統(tǒng)精度的高要求，降低了設備的制造成本，有利于推廣應用；此外，本方法的加工原理簡單，有利于硬件設計和軟件開發(fā)。
文檔編號B24B47/20GK101862989SQ201010196710
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權日2010年6月8日
發(fā)明者胡利永, 詹建明, 鄭堤 申請人:寧波大學