曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，屬于精密加工領(lǐng)域。通過直流伺服電機(jī)和壓電驅(qū)動(dòng)器的宏動(dòng)/微動(dòng)結(jié)合的進(jìn)給方式，結(jié)合公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元的定向運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)加工回轉(zhuǎn)半徑的精確調(diào)整，球形磨削頭公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)依托于擺動(dòng)支撐架和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)在兩個(gè)正交方向的旋轉(zhuǎn)自由度。與此同時(shí)，通過對(duì)凹透鏡試件豎直方向高度的精確隨動(dòng)調(diào)整，亦可實(shí)現(xiàn)被加工透鏡的曲率半徑的調(diào)整。本發(fā)明采用立式結(jié)構(gòu)，體積小巧，布局緊湊，其整體尺寸小，可有效提高現(xiàn)有非球面光學(xué)透鏡研磨技術(shù)加工的效率，適用于微小型非球面凹透鏡光學(xué)器件的精密加工，以拓寬微小型非球面透鏡在航天航空、軍事系統(tǒng)以及光通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利說明】
曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密加工領(lǐng)域，特別涉及非球面透鏡精密磨削加工領(lǐng)域，尤指一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置。通過該裝置磨削加工出的非球面凹透鏡可有效改善球面透鏡矯正像差的效果，改善成像品質(zhì)，提高系統(tǒng)鑒別能力。非球面透鏡在航天航空、照相攝像、軍事系統(tǒng)、光通訊和激光應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，本發(fā)明因其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、操作簡易、加工效率高，可為微小型非球面凹透鏡的制造提供加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用非球面光學(xué)元器件可以增加光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度，并且對(duì)改善光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，提高光學(xué)性能，減小外形尺寸和重量起著重要的作用。小型非球面光學(xué)器件的加工技術(shù)主要包括數(shù)控研磨成型、離子束拋光法、模壓成型法、真空鍍膜法、精密單點(diǎn)金剛石車削等。目前，加工小型非球面透鏡的方法主要是研磨法和模壓成型法，而離子拋光法和真空鍍膜法主要用來加工較大的反射非球面。研磨法是非球面光學(xué)器件的基本加工方法。按照磨具與零部件的基礎(chǔ)特點(diǎn)，研磨法可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸三種。一般的點(diǎn)接觸制造方法加工精度較低，主要用于研磨過程的粗成型加工，而線接觸制造精度稍高，面接觸的制造精度為最高。研磨法一般是借助凸輪仿形機(jī)以及數(shù)控機(jī)床等工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于小尺寸的非球面光學(xué)器件而言，一般預(yù)先采用數(shù)控機(jī)床研磨成型，然后再利用手工拋光方法成型，若高精度要求，則該過程中附以檢驗(yàn)和修帶工藝。模壓成型方法主要是針對(duì)塑料光學(xué)零件。由這種加工方法生產(chǎn)的光學(xué)零件，可以用作一般的聚光鏡和較為簡易的光學(xué)系統(tǒng)透鏡。目前國內(nèi)生產(chǎn)的塑料非球面透鏡大多數(shù)是采用金屬模具熱壓成型的，如菲涅耳放大鏡和史密特矯正板。隨著高精度金屬模具的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了能夠滿足光學(xué)零件的表面粗糙度要求和曲面形狀要求的金屬模具，因此采用模壓成型制造的塑料非球面光學(xué)零件可在一定程度上替代部分玻璃態(tài)光學(xué)零件。
[0003]如前所述，非球面透鏡加工技術(shù)采用的主要加工方法為數(shù)控研磨與拋光技術(shù)、模壓成型技術(shù)和超精密單點(diǎn)金剛石車削等。
[0004](I)數(shù)控研磨與拋光技術(shù)
數(shù)控研磨與拋光技術(shù)是從計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS)發(fā)展而來的。CCOS技術(shù)是由美國Itek公司在七十年代初期最先提出的技術(shù)思想。它用計(jì)算機(jī)控制超精密統(tǒng)磨機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行成形磨削，然后再用柔性拋光設(shè)備拋光，在提高精磨面形精度的同時(shí)改變工件表面粗糖度，使其達(dá)到光學(xué)元件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。此技術(shù)的基本原理是:根據(jù)光學(xué)面形檢測(cè)儀器檢測(cè)出的面形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建加工的控制模型，利用計(jì)算機(jī)控制小磨頭在工件表面的駐留時(shí)間及相對(duì)壓力來控制材料的去除量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行拋光。
[0005](2)模壓成型技術(shù)
模壓成型技術(shù)是一項(xiàng)需要特定機(jī)床的綜合性比較強(qiáng)的加工方法，主要適用于玻璃等材料。在高溫高壓和無氧的條件下，把軟化的光學(xué)材料放入高精度模具中，直接模壓出達(dá)到光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的成型零件。自20世紀(jì)八十年代中期開發(fā)此技術(shù)至今已將近三十年，模壓成型技術(shù)已成為非球面制造行業(yè)中較為先進(jìn)的加工技術(shù)之一，并且在許多國家得到廣泛應(yīng)用。由于此技術(shù)可以直接將光學(xué)材料模壓成精密光學(xué)系統(tǒng)元件，大大降低了制造成本，使得非球面玻璃材料的光學(xué)零件在光學(xué)系統(tǒng)中開始得到廣泛應(yīng)用，也給光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了巨大變化和發(fā)展。此技術(shù)不僅使光學(xué)設(shè)備重量降低、體積減小、材料節(jié)省、光學(xué)零件渡膜和工件裝配的工作量減少、成本降低，而且還提高了光學(xué)系統(tǒng)成像的質(zhì)量，改善了光學(xué)系統(tǒng)的性能。模壓法的特點(diǎn)是:①可以批量化生產(chǎn)非球面透鏡；②模具制造難度大、成本高，適用于超大批量生產(chǎn)；③無法進(jìn)行中大口徑的模壓；④工藝參數(shù)復(fù)雜，如溫度、時(shí)間、壓力等。
[0006](3)超精密數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削
車削非球面所用的超精密加工設(shè)備為超精密單點(diǎn)金剛石車床，其溜板運(yùn)動(dòng)精度和主軸旋轉(zhuǎn)精度比一般數(shù)控機(jī)床要高很多。超精密單點(diǎn)金剛石車床是加工高精密光學(xué)零件的重要裝備。超精密單點(diǎn)金剛石車床主要用于中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料光學(xué)零件的加工，其特點(diǎn)是加工精度高、生產(chǎn)效率高、重復(fù)性好，加工成本與傳統(tǒng)加工相比明顯降低，適合批量生產(chǎn)。
[0007]雖然目前非球面加工技術(shù)己經(jīng)非常成熟，但是對(duì)于硅、玻璃等脆性材料而言，單點(diǎn)金剛石車削難以獲得較理想的非球面面形，且金剛石車刀的磨損非常嚴(yán)重，加工成本高、效率低；模壓成型法對(duì)金屬模具的精度要求較高，適合加工精度較低的塑料非球面工件；而離子束拋光法需要的設(shè)備和加工成本較高，且效率低，這些加工方法均不適合用來加工非球面凹透鏡。數(shù)控設(shè)備加工非球面凹透鏡時(shí)，由于材料硬且脆、韌性差、強(qiáng)度和材料的屈服極限比較接近，故加工此特性的材料時(shí)，容易出現(xiàn)脆斷失效等現(xiàn)象。因此，目前針對(duì)脆性材料普遍使用的非球面加工技術(shù)為研磨、拋光技術(shù)。數(shù)控研磨非球面加工方法屬于固著磨料加工，具有加工確定性、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)利用盤形或杯形砂輪可加工大批量、中等口徑和非球面度較小口徑的非球面透鏡。但對(duì)于較小尺寸的透鏡加工還存在許多困難。利用研磨方法可加工的材料類型多樣，除了單晶鍺、單晶桂、玻璃等脆性材料外，還可以加工有色金屬和其他塑料等材料。而拋光加工是非球面生產(chǎn)周期中占用時(shí)間最長的一道工序，光學(xué)器件的拋光技術(shù)是無損傷表面的微量材料去除加工方法，而非球面拋光精度直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
[0008]綜上，針對(duì)上述數(shù)控研磨與拋光技術(shù)、模壓成型技術(shù)和單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)等在非球面凹透鏡加工領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，非球面凹透鏡加工裝置的研制面臨著結(jié)構(gòu)小型化、力口工效率提升、成本降低、精度提高等多方面的要求。因此，設(shè)計(jì)一種用于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，裝備開發(fā)和制造成本較低，加工精度和效率較高的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置十分必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明米用立式布局，主體尺寸為82mmX82mmX263mm,通過宏微進(jìn)給單元輸出精密可控進(jìn)給位移，通過公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元可分別對(duì)球形磨削頭的加工回轉(zhuǎn)半徑以及凹透鏡試件的曲率半徑進(jìn)行調(diào)整，裝置的透鏡安裝及調(diào)整單元具備三軸精密位移調(diào)整功能。本發(fā)明適用于微小型非球面凹透鏡光學(xué)器件的精密加工，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、操作簡易、加工效率高和便攜的特點(diǎn)，可為小型非球面凹透鏡的制造提供加工方法。
[0010]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，包括宏微進(jìn)給單元、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、透鏡安裝及調(diào)整單元、冷卻單元以及支撐基座單元，其中宏微進(jìn)給單元中的進(jìn)給電機(jī)法蘭40和進(jìn)給支撐架36分別與支撐基座單元中的上安裝板4以及右側(cè)立板37螺紋剛性連接，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14分別通過公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30和自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15與宏微進(jìn)給單元中的柔性教鉸鏈32和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42剛性連接；自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16分別與支撐基座的單元左側(cè)立板5和右側(cè)立板37的中心定位孔過贏連接；透鏡安裝及調(diào)整單元中的移動(dòng)平臺(tái)基板46通過螺紋連接方式安裝在支撐基座單元中基座20的凹形定位槽中，冷卻單元中的冷卻液容器9通過與支撐基座單元中的左側(cè)立板5螺紋剛性連接；
所述宏微進(jìn)給單元包括編碼器1、直流伺服電機(jī)2、減速器3、進(jìn)給電機(jī)法蘭40、聯(lián)軸器6、滾珠絲杠固定支撐座7、滾珠絲杠8、壓電疊堆31、柔性鉸鏈32、導(dǎo)軌滑塊33、絲杠法蘭34、線性導(dǎo)軌35、進(jìn)給支撐架36和制動(dòng)器39，其中直流伺服電機(jī)組件結(jié)合滾珠絲杠傳動(dòng)組件作為宏動(dòng)進(jìn)給子單元實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由壓電疊堆31和柔性鉸鏈32組成的壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的精密微動(dòng)進(jìn)給；制動(dòng)器39用于防止在系統(tǒng)突然斷電情況下滾珠絲杠傳動(dòng)組件由于無法實(shí)現(xiàn)自鎖而導(dǎo)致的絲杠法蘭34的自由下滑；柔性鉸鏈32采用圓弧過渡型鉸鏈形式并輸出等幅均布位移；
所述公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12、定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14和公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30，所述定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14、公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30分別與自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、柔性鉸鏈32剛性連接，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均由精密滾動(dòng)軸承和旋轉(zhuǎn)定位銷組成；
所述自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、外擺動(dòng)軸承16、擺動(dòng)支撐架27、外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸承29、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42以及內(nèi)動(dòng)擺軸43，所述擺動(dòng)支撐架27與外擺動(dòng)軸28剛性連接，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的定子部分與內(nèi)擺動(dòng)軸43剛性連接，外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸43分別通過外擺動(dòng)軸承16、內(nèi)擺動(dòng)軸承29套接于左、右側(cè)立板5、37及擺動(dòng)支撐架27的定位孔中；
所述透鏡安裝及調(diào)整單元包括凹透鏡試件17、工作臺(tái)25、球形磨削頭26以及三自由度進(jìn)給子單元，所述三自由度子單元包括X向調(diào)整旋鈕18、x向進(jìn)給平臺(tái)19、y向調(diào)整旋鈕21、Y向進(jìn)給平臺(tái)22、z向進(jìn)給平臺(tái)23、定位銷軸45、z向進(jìn)給電機(jī)46、支撐托板24以及移動(dòng)平臺(tái)基板46,所述球形磨削頭26通過其定位孔與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的轉(zhuǎn)軸套接,支撐托板24與工作臺(tái)25螺紋剛性連接；三自由度子單元對(duì)工作臺(tái)25進(jìn)行初始定位并通過隨動(dòng)調(diào)整工作臺(tái)25的豎直方向位移實(shí)現(xiàn)被加工凹透鏡試件17曲率半徑的改變；
所述冷卻單元包括冷卻液容器9、冷卻液容器緊固螺釘10以及冷卻管11，所述冷卻液容器9通過冷卻液緊固螺釘10與左側(cè)立板5剛性連接，并和與右側(cè)立板37剛性連接的進(jìn)給支撐架36對(duì)稱安裝，從而起到配重作用；冷卻管11為柔性軟管，其初始位置處于被加工凹透鏡試件17的邊緣近端；冷卻液的流量隨公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42轉(zhuǎn)速的提高而增加；
所述支撐基座單元包括上安裝板4、左側(cè)立板5、基座20、右側(cè)立板37以及立板安裝螺釘38，所述上安裝板4與基座20均設(shè)有與左、右側(cè)立板5、37等寬且對(duì)稱布置的矩形定位槽，以實(shí)現(xiàn)左側(cè)立板5與右側(cè)立板37的平行安裝并保證其與上安裝板4和基座20的平行度。
[0011]所述的柔性鉸鏈32和壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)豎直方向，即z向微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所述柔性鉸鏈32具有圓柱環(huán)形式內(nèi)包絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述壓電驅(qū)動(dòng)器由四個(gè)xy平面環(huán)形陣列排布的壓電疊堆31組成；當(dāng)高頻激勵(lì)電壓同時(shí)作用在四個(gè)壓電疊堆31上時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器輸出高頻等幅均布位移，即可實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26對(duì)凹透鏡試件17的高頻往復(fù)磨削加工；所述壓電驅(qū)動(dòng)器的最大有效輸出位移為42.1 μ m，對(duì)應(yīng)于球形磨削頭26在水平面，即xy平面和豎直方向上的最大位移分別為24.2 μ m和6.8 μ m。
[0012]所述的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均能提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的擺動(dòng)自由度；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定的驅(qū)動(dòng)位移后，與宏微進(jìn)給單元傳動(dòng)鏈末端組件——柔性鉸鏈剛性連接的公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出相同的位移，豎直位移通過公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形磨削頭26圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的回轉(zhuǎn)半徑的精確調(diào)整，即本發(fā)明的加工對(duì)象可涵蓋不同直徑尺寸的凹透鏡試件17 ;本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的凹透鏡試件17直徑的加工范圍為7.2mm—26.3mm，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14可實(shí)現(xiàn)的擺動(dòng)角度范圍分別為90° —180°以及72° —180°。
[0013]所述的凹透鏡試件17的非球面曲面部分的加工曲率半徑可調(diào)；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定進(jìn)給位移后，球形磨削頭26的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之確定，即球形磨削頭26的圓周運(yùn)動(dòng)軌跡是確定的，當(dāng)z向進(jìn)給電機(jī)45輸出確定角位移后，工作臺(tái)25帶動(dòng)凹透鏡試件17在豎直方向上產(chǎn)生定向移動(dòng)，球形磨削頭26與凹透鏡試件17的接觸面積增加或減小，相應(yīng)的磨削加工量亦增加或減小，對(duì)應(yīng)于宏微進(jìn)給單元輸出的不同進(jìn)給位移，球形磨削頭26的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之改變，通過進(jìn)一步調(diào)整凹透鏡試件17的豎直方向位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)凹透鏡試件17曲率半徑的精確連續(xù)調(diào)整。
[0014]所述的左側(cè)立板5及右側(cè)立板37在臨近球形磨削頭26的幾何中心軸線處均加工有寬度為Imm的縱向條紋，在該條紋的正下方，工作臺(tái)25臨近左側(cè)立板5及右側(cè)立板37的側(cè)邊亦加工有寬度為3mm的橫向矩形槽和寬度為Imm的縱向條紋，矩形槽的長度長于凹透鏡試件17的加工直徑以便于確保凹透鏡試件17的中心點(diǎn)與工作臺(tái)25的幾何中心的一致性，工作臺(tái)25的縱向條紋亦與左側(cè)立板5、右側(cè)立板37的縱向條紋保持對(duì)齊以確保工作臺(tái)25的幾何中心處于兩條縱向條紋的連接軸線上。
[0015]所述的工作臺(tái)25臺(tái)面上加工有密集的陣列孔位，工作臺(tái)25與凹透鏡試件17的相對(duì)位置是通過一組安裝在定位孔中的定位銷軸44實(shí)現(xiàn)的，定位銷軸44與凹透鏡試件17的外圓母線保持線接觸；球形磨削頭26上加工有互相垂直的兩個(gè)細(xì)牙螺紋孔，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的輸出軸端具有互相垂直的兩個(gè)定位平面，球形磨削頭26通過兩個(gè)細(xì)牙螺栓套接并固定安裝在自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的轉(zhuǎn)軸上。
[0016]所述的球形磨削頭26公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12、外擺動(dòng)軸承16、擺動(dòng)支撐架27、外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸承29及內(nèi)擺動(dòng)軸43實(shí)現(xiàn)，所述擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16與外擺動(dòng)軸28實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26單一方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42則通過內(nèi)擺動(dòng)軸承29和內(nèi)擺動(dòng)軸43實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26另一單一垂直方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和角位移，球形磨削頭26實(shí)現(xiàn)連續(xù)的變速圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的速率取決于公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出的角速度。
[0017]所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置的主體尺寸為82mm X 82mm X 263mm。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:與現(xiàn)有裝置相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、可便攜化、加工效率高等特點(diǎn)，主體尺寸為82mmX82mmX263mm，適用于微小型非球面凹透鏡光學(xué)器件的精密加工，可加工凹透鏡試件的直徑范圍為7.2mm—26.3mm。此外，本發(fā)明的凹透鏡試件安裝便捷、球形磨削頭易實(shí)現(xiàn)更換，加工回轉(zhuǎn)半徑和凹透鏡試件的曲率半徑連續(xù)可調(diào)，可有效提高現(xiàn)有非球面光學(xué)透鏡研磨技術(shù)加工的效率，以拓寬微小型非球面透鏡在航天航空、軍事系統(tǒng)以及光通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)用性強(qiáng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0020]圖1為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的宏動(dòng)進(jìn)給子單元示意圖；
圖3為本發(fā)明的微動(dòng)進(jìn)給子單元、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元示意圖；
圖4為本發(fā)明的球形磨削頭安裝方法示意圖；
圖5為本發(fā)明的凹透鏡試件定位方法示意圖；
圖6為本發(fā)明的透鏡安裝及調(diào)整單元示意圖；
圖7為本發(fā)明利用縱向及橫向條紋對(duì)凹透鏡試件位置進(jìn)行定位的示意圖；
圖8、圖9為本發(fā)明的加工半徑調(diào)整和曲率半徑調(diào)整的原理示意圖。
[0021]圖中:1、編碼器；2、直流伺服電機(jī)；3、減速器；4、上安裝板；5、左側(cè)立板；6、聯(lián)軸器；7、滾珠絲杠固定支撐座；8、滾珠絲杠；9、冷卻液容器；10、冷卻液容器緊固螺釘；11、冷卻管；12、公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)；13、定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；14、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)；15、自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭；16、外擺動(dòng)軸承；17、凹透鏡試件；18、x向調(diào)整旋鈕；19、x向進(jìn)給平臺(tái)；20、基座；21、y向調(diào)整旋鈕；22、y向進(jìn)給平臺(tái)；23、z向進(jìn)給平臺(tái)；24、支撐托板；25、工作臺(tái)；26、球形磨削頭；27、擺動(dòng)支撐架；28、外擺動(dòng)軸；29、內(nèi)擺動(dòng)軸承；30、公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭；31、壓電疊堆；32、柔性鉸鏈；33、導(dǎo)軌滑塊；34、絲杠法蘭；35、線性導(dǎo)軌；36、進(jìn)給支撐架；37、右側(cè)立板；38、立板安裝螺釘；39、制動(dòng)器；40、進(jìn)給電機(jī)法蘭；41、鉸鏈安裝架；42、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)；43、內(nèi)擺動(dòng)軸；44、定位銷軸；45、z向進(jìn)給電機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0023]參見圖1至圖9所示，本發(fā)明的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，包括宏微進(jìn)給單元、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、透鏡安裝及調(diào)整單元、冷卻單元以及支撐基座單元，其中宏微進(jìn)給單元中的進(jìn)給電機(jī)法蘭40和進(jìn)給支撐架36分別與支撐基座單元中的上安裝板4以及右側(cè)立板37螺紋剛性連接，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14分別通過公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30和自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15與宏微進(jìn)給單元中的柔性教鉸鏈32和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42剛性連接；自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16分別與支撐基座的單元左側(cè)立板5和右側(cè)立板37的中心定位孔過贏連接；透鏡安裝及調(diào)整單元中的移動(dòng)平臺(tái)基板46通過螺紋連接方式安裝在支撐基座單元中基座20的凹形定位槽中，冷卻單元中的冷卻液容器9通過與支撐基座單元中的左側(cè)立板5螺紋剛性連接；
參見圖1至圖4所示，所述宏微進(jìn)給單元包括編碼器1、直流伺服電機(jī)2、減速器3、進(jìn)給電機(jī)法蘭40、聯(lián)軸器6、滾珠絲杠固定支撐座7、滾珠絲杠8、壓電疊堆31、柔性鉸鏈32、導(dǎo)軌滑塊33、絲杠法蘭34、線性導(dǎo)軌35、進(jìn)給支撐架36和制動(dòng)器39，其中直流伺服電機(jī)組件結(jié)合滾珠絲杠傳動(dòng)組件作為宏動(dòng)進(jìn)給子單元實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由壓電疊堆31和柔性鉸鏈32組成的壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的精密微動(dòng)進(jìn)給；制動(dòng)器39用于防止在系統(tǒng)突然斷電情況下滾珠絲杠傳動(dòng)組件由于無法實(shí)現(xiàn)自鎖而導(dǎo)致的絲杠法蘭34的自由下滑；柔性鉸鏈32采用圓弧過渡型鉸鏈形式并輸出等幅均布位移；
所述公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12、定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14和公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30，所述定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14、公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30分別與自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、柔性鉸鏈32剛性連接，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均由精密滾動(dòng)軸承和旋轉(zhuǎn)定位銷組成；
所述自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、外擺動(dòng)軸承16、擺動(dòng)支撐架27、外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸承29、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42及內(nèi)動(dòng)擺軸43，擺動(dòng)支撐架27與外擺動(dòng)軸28剛性連接，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的定子部分與內(nèi)擺動(dòng)軸43剛性連接，外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸43分別通過外擺動(dòng)軸承16、內(nèi)擺動(dòng)軸承29套接于左、右側(cè)立板5、37及擺動(dòng)支撐架27的定位孔中；
參見圖5至圖7所示，所述透鏡安裝及調(diào)整單元包括凹透鏡試件17、工作臺(tái)25、球形磨削頭26以及三自由度進(jìn)給子單元，所述三自由度子單元包括X向調(diào)整旋鈕18、X向進(jìn)給平臺(tái)19、y向調(diào)整旋鈕21、y向進(jìn)給平臺(tái)22、z向進(jìn)給平臺(tái)23、定位銷軸45、z向進(jìn)給電機(jī)46、支撐托板24以及移動(dòng)平臺(tái)基板46，所述球形磨削頭26通過其定位孔與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的轉(zhuǎn)軸套接，支撐托板24與工作臺(tái)25螺紋剛性連接；三自由度子單元對(duì)工作臺(tái)25進(jìn)行初始定位并通過隨動(dòng)調(diào)整工作臺(tái)25的豎直方向位移實(shí)現(xiàn)被加工凹透鏡試件17曲率半徑的改變；
所述冷卻單元包括冷卻液容器9、冷卻液容器緊固螺釘10以及冷卻管11，所述冷卻液容器9通過冷卻液緊固螺釘10與左側(cè)立板5剛性連接，并和與右側(cè)立板37剛性連接的進(jìn)給支撐架36對(duì)稱安裝，從而起到配重作用；冷卻管11為柔性軟管，其初始位置處于被加工凹透鏡試件17的邊緣近端；冷卻液的流量隨公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42轉(zhuǎn)速的提高而增加；
所述支撐基座單元包括上安裝板4、左側(cè)立板5、基座20、右側(cè)立板37以及立板安裝螺釘38，所述上安裝板4與基座20均設(shè)有與左、右側(cè)立板5、37等寬且對(duì)稱布置的矩形定位槽，以實(shí)現(xiàn)左側(cè)立板5與右側(cè)立板37的平行安裝并保證其與上安裝板4和基座20的平行度。
[0024]所述的柔性鉸鏈32和壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)豎直方向，即z向微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所述柔性鉸鏈32具有圓柱環(huán)形式內(nèi)包絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述壓電驅(qū)動(dòng)器由四個(gè)xy平面環(huán)形陣列排布的壓電疊堆31組成；當(dāng)高頻激勵(lì)電壓同時(shí)作用在四個(gè)壓電疊堆31上時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器輸出高頻等幅均布位移，即可實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26對(duì)凹透鏡試件17的高頻往復(fù)磨削加工；所述壓電驅(qū)動(dòng)器的最大有效輸出位移為42.1 μ m，對(duì)應(yīng)于球形磨削頭26在水平面，即xy平面和豎直方向上的最大位移分別為24.2 μ m和6.8 μ m。
[0025]所述的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均能提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的擺動(dòng)自由度；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定的驅(qū)動(dòng)位移后，與宏微進(jìn)給單元傳動(dòng)鏈末端組件——柔性鉸鏈剛性連接的公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出相同的位移，豎直位移通過公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形磨削頭26圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的回轉(zhuǎn)半徑的精確調(diào)整，即本發(fā)明的加工對(duì)象可涵蓋不同直徑尺寸的凹透鏡試件17 ;本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的凹透鏡試件17直徑的加工范圍為7.2mm—26.3mm，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14可實(shí)現(xiàn)的擺動(dòng)角度范圍分別為90° —180°以及72° —180°。
[0026]所述的凹透鏡試件17的非球面曲面部分的加工曲率半徑可調(diào)；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定進(jìn)給位移后，球形磨削頭26的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之確定，即球形磨削頭26的圓周運(yùn)動(dòng)軌跡是確定的，當(dāng)z向進(jìn)給電機(jī)45輸出確定角位移后，工作臺(tái)25帶動(dòng)凹透鏡試件17在豎直方向上產(chǎn)生定向移動(dòng)，球形磨削頭26與凹透鏡試件17的接觸面積增加或減小，相應(yīng)的磨削加工量亦增加或減小，對(duì)應(yīng)于宏微進(jìn)給單元輸出的不同進(jìn)給位移，球形磨削頭26的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之改變，通過進(jìn)一步調(diào)整凹透鏡試件17的豎直方向位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)凹透鏡試件17曲率半徑的精確連續(xù)調(diào)整。
[0027]所述的左側(cè)立板5及右側(cè)立板37在臨近球形磨削頭26的幾何中心軸線處均加工有寬度為Imm的縱向條紋，在該條紋的正下方，工作臺(tái)25臨近左側(cè)立板5及右側(cè)立板37的側(cè)邊亦加工有寬度為3mm的橫向矩形槽和寬度為Imm的縱向條紋，矩形槽的長度長于凹透鏡試件17的加工直徑以便于確保凹透鏡試件17的中心點(diǎn)與工作臺(tái)25的幾何中心的一致性，工作臺(tái)25的縱向條紋亦與左側(cè)立板5、右側(cè)立板37的縱向條紋保持對(duì)齊以確保工作臺(tái)25的幾何中心處于兩條縱向條紋的連接軸線上。
[0028]所述的工作臺(tái)25臺(tái)面上加工有密集的陣列孔位，工作臺(tái)25與凹透鏡試件17的相對(duì)位置是通過一組安裝在定位孔中的定位銷軸44實(shí)現(xiàn)的，定位銷軸44與凹透鏡試件17的外圓母線保持線接觸；球形磨削頭26上加工有互相垂直的兩個(gè)細(xì)牙螺紋孔，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的輸出軸端具有互相垂直的兩個(gè)定位平面，球形磨削頭26通過兩個(gè)細(xì)牙螺栓套接并固定安裝在自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的轉(zhuǎn)軸上。
[0029]所述的球形磨削頭26公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12、外擺動(dòng)軸承16、擺動(dòng)支撐架27、外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸承29及內(nèi)擺動(dòng)軸43實(shí)現(xiàn)，所述擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16與外擺動(dòng)軸28實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26單一方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42則通過內(nèi)擺動(dòng)軸承29和內(nèi)擺動(dòng)軸43實(shí)現(xiàn)球形磨削頭26另一單一垂直方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和角位移，球形磨削頭26實(shí)現(xiàn)連續(xù)的變速圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的速率取決于公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12輸出的角速度。
[0030]參照?qǐng)D1至圖9所示，本發(fā)明所涉及的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，該裝置采用立式布局，整體尺寸約為82mmX82mmX263mm。本發(fā)明中涉及到的主要元器件的具體型號(hào)為:編碼器I的型號(hào)為Maxon MR-512，直流伺服電機(jī)2的型號(hào)為Maxon EC_max22，減速器3的型號(hào)為Maxon GP-32S，公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12的型號(hào)為Maxon EC_Flat20，壓電疊堆31的型號(hào)為XP-8X8/18，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的型號(hào)為Maxon EC_max30。
[0031]在具體的測(cè)試過程中，測(cè)試裝置宜置于氣浮隔振臺(tái)上以削弱外部振動(dòng)對(duì)磨削加工的影響。盤式凹透鏡試件17首先被放置于工作臺(tái)25的定位平板上，并使凹透鏡試件17的圓心與工作臺(tái)25的幾何中心盡量一致。通過調(diào)整X向調(diào)整旋鈕18和J向調(diào)整旋鈕21分別驅(qū)動(dòng)X向進(jìn)給平臺(tái)19和y向進(jìn)給平臺(tái)22實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)25水平面位移的調(diào)整，當(dāng)左側(cè)立板5及右側(cè)立板37上的縱向條紋與工作臺(tái)25側(cè)面寬度為Imm的縱向條紋共線時(shí)，可確保工作臺(tái)25的初始位置。
[0032]進(jìn)一步，通過觀察工作臺(tái)25的橫向矩形槽邊緣與凹透鏡試件17外母線的距離，可由一組安裝在定位孔中的定位銷軸44將凹透鏡試件17與工作臺(tái)25的相對(duì)位置進(jìn)行確定。在完成凹透鏡試件17的安裝于定位之后，通過脈沖/方向控制方式驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)2輸出精確可控位移，帶動(dòng)絲杠法蘭34和鉸鏈安裝架41向下運(yùn)動(dòng)，從而使得定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均產(chǎn)生較大的擺動(dòng)角度，此時(shí)，擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16和外擺動(dòng)軸28繞左側(cè)立板5及右側(cè)立板37產(chǎn)生大角度擺動(dòng)量，球形磨削頭26運(yùn)動(dòng)軌跡的弦長應(yīng)大于凹透鏡試件17的直徑。
[0033]驅(qū)動(dòng)z向進(jìn)給電機(jī)45輸出確定角位移，工作臺(tái)25帶動(dòng)凹透鏡試件17產(chǎn)生向上的小幅定向移動(dòng)，當(dāng)帶動(dòng)凹透鏡試件17與球形磨削頭26發(fā)生初始接觸后，z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止。此時(shí)，手動(dòng)調(diào)整柔性冷卻管11并確保其初始位置處于被加工凹透鏡試件17的邊緣近端，打開冷卻液容器9的流量閥門并釋放冷卻液至凹透鏡試件17凹面處。驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42并在加工初始階段確保其低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)進(jìn)入平穩(wěn)磨削階段后，逐漸提高驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的轉(zhuǎn)速，此時(shí)冷卻液的流量隨公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12以及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42轉(zhuǎn)速的提高而增加。在此基礎(chǔ)上，通過向四個(gè)壓電疊堆31同時(shí)施加高頻激勵(lì)電壓，作為微動(dòng)進(jìn)給子單元的驅(qū)動(dòng)器可輸出高頻等幅均布位移，即可實(shí)現(xiàn)在確定的加工回轉(zhuǎn)半徑下球形磨削頭26對(duì)凹透鏡試件17的高頻往復(fù)磨削加工。在完成該確定回轉(zhuǎn)半徑的圓周磨削加工厚，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)2輸出小幅反向位移，帶動(dòng)鉸鏈安裝架41向上小幅運(yùn)動(dòng)，定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14亦產(chǎn)生小幅反向擺動(dòng)角度，此時(shí)球形磨削頭26運(yùn)動(dòng)軌跡的弦長小幅減小。
[0034]重復(fù)上述操作步驟，可實(shí)現(xiàn)加工回轉(zhuǎn)半徑的精密調(diào)整，即可完成對(duì)凹透鏡試件17不同半徑處的圓周磨削加工。當(dāng)非球面凹透鏡試件17的曲率半徑已知時(shí)，z向進(jìn)給電機(jī)45可根據(jù)不同加工回轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的曲率值調(diào)整其輸出的角位移，進(jìn)而帶動(dòng)凹透鏡試件17在豎直方向上產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)算位移量，即可通過球形磨削頭26與凹透鏡試件17的改變調(diào)整磨削加工量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)凹透鏡試件17曲率半徑的精確連續(xù)調(diào)整。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:包括宏微進(jìn)給單元、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、透鏡安裝及調(diào)整單元、冷卻單元以及支撐基座單元，其中宏微進(jìn)給單元中的進(jìn)給電機(jī)法蘭(40)和進(jìn)給支撐架(36)分別與支撐基座單元中的上安裝板(4)以及右側(cè)立板(37)螺紋剛性連接，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14)分別通過公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(30)和自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(15)與宏微進(jìn)給單元中的柔性教鉸鏈(32)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)剛性連接；自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的擺動(dòng)支撐架(27)通過外擺動(dòng)軸承(16)分別與支撐基座的單元左側(cè)立板(5)和右側(cè)立板(37)的中心定位孔過贏連接；透鏡安裝及調(diào)整單元中的移動(dòng)平臺(tái)基板(46)通過螺紋連接方式安裝在支撐基座單元中基座(20)的凹形定位槽中，冷卻單元中的冷卻液容器(9)通過與支撐基座單元中的左側(cè)立板(5)螺紋剛性連接； 所述宏微進(jìn)給單元包括編碼器(I)、直流伺服電機(jī)(2)、減速器(3)、進(jìn)給電機(jī)法蘭(40)、聯(lián)軸器(6)、滾珠絲杠固定支撐座(7)、滾珠絲杠(8)、壓電疊堆(31)、柔性鉸鏈(32)、導(dǎo)軌滑塊(33 )、絲杠法蘭(34 )、線性導(dǎo)軌(35 )、進(jìn)給支撐架(36 )和制動(dòng)器(39 )，其中直流伺服電機(jī)組件結(jié)合滾珠絲杠傳動(dòng)組件作為宏動(dòng)進(jìn)給子單元實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)在豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由壓電疊堆(31)和柔性鉸鏈(32)組成的壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)在豎直方向的精密微動(dòng)進(jìn)給；制動(dòng)器(39)用于防止在系統(tǒng)突然斷電情況下滾珠絲杠傳動(dòng)組件由于無法實(shí)現(xiàn)自鎖而導(dǎo)致的絲杠法蘭(34)的自由下滑；柔性鉸鏈(32)采用圓弧過渡型鉸鏈形式并輸出等幅均布位移； 所述公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12)、定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14 )和公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(30 )，所述定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14 )、公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(30 )分別與自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(15 )、柔性鉸鏈(32 )剛性連接，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13 )、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14 )均由精密滾動(dòng)軸承和旋轉(zhuǎn)定位銷組成； 所述自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭(15)、外擺動(dòng)軸承(16)、擺動(dòng)支撐架(27)、外擺動(dòng)軸(28)、內(nèi)擺動(dòng)軸承(29)、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)以及內(nèi)動(dòng)擺軸(43)，所述擺動(dòng)支撐架(27)與外擺動(dòng)軸(28)剛性連接，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)的定子部分與內(nèi)擺動(dòng)軸(43)剛性連接，外擺動(dòng)軸(28)、內(nèi)擺動(dòng)軸(43)分別通過外擺動(dòng)軸承(16)、內(nèi)擺動(dòng)軸承(29)套接于左、右側(cè)立板(5、37)及擺動(dòng)支撐架(27)的定位孔中； 所述透鏡安裝及調(diào)整單元包括凹透鏡試件(17)、工作臺(tái)(25)、球形磨削頭(26)以及三自由度進(jìn)給子單元，所述三自由度子單元包括X向調(diào)整旋鈕(18)、X向進(jìn)給平臺(tái)(19)、y向調(diào)整旋鈕(21)、y向進(jìn)給平臺(tái)(22)、z向進(jìn)給平臺(tái)(23)、定位銷軸(45)、z向進(jìn)給電機(jī)(46)、支撐托板(24)以及移動(dòng)平臺(tái)基板(46)，所述球形磨削頭(26)通過其定位孔與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)的轉(zhuǎn)軸套接，支撐托板(24)與工作臺(tái)(25)螺紋剛性連接；三自由度子單元對(duì)工作臺(tái)(25)進(jìn)行初始定位并通過隨動(dòng)調(diào)整工作臺(tái)(25)的豎直方向位移實(shí)現(xiàn)被加工凹透鏡試件(17)曲率半徑的改變； 所述冷卻單元包括冷卻液容器(9)、冷卻液容器緊固螺釘(10)以及冷卻管(11)，所述冷卻液容器(9)通過冷卻液緊固螺釘(10)與左側(cè)立板(5)剛性連接，并和與右側(cè)立板(37)剛性連接的進(jìn)給支撐架(36)對(duì)稱安裝，從而起到配重作用；冷卻管(11)為柔性軟管，其初始位置處于被加工凹透鏡試件(17)的邊緣近端；冷卻液的流量隨公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12)及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)轉(zhuǎn)速的提高而增加； 所述支撐基座單元包括上安裝板(4)、左側(cè)立板(5)、基座(20)、右側(cè)立板(37)以及立板安裝螺釘(38)，所述上安裝板(4)與基座(20)均設(shè)有與左、右側(cè)立板(5、37)等寬且對(duì)稱布置的矩形定位槽，以實(shí)現(xiàn)左側(cè)立板(5)與右側(cè)立板(37)的平行安裝并保證其與上安裝板(4)和基座(20)的平行度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的柔性鉸鏈(32)和壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)豎直方向，即z向微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所述柔性鉸鏈(32)具有圓柱環(huán)形式內(nèi)包絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述壓電驅(qū)動(dòng)器由四個(gè)xy平面環(huán)形陣列排布的壓電疊堆(31)組成；當(dāng)高頻激勵(lì)電壓同時(shí)作用在四個(gè)壓電疊堆(31)上時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器輸出高頻等幅均布位移，即可實(shí)現(xiàn)球形磨削頭(26)對(duì)凹透鏡試件(17)的高頻往復(fù)磨削加工；所述壓電驅(qū)動(dòng)器的最大有效輸出位移為42.1 μ m，對(duì)應(yīng)于球形磨削頭(26)在水平面，即xy平面和豎直方向上的最大位移分別為24.2 μ m和6.8 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14)均能提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的擺動(dòng)自由度；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定的驅(qū)動(dòng)位移后，與宏微進(jìn)給單元傳動(dòng)鏈末端組件——柔性鉸鏈剛性連接的公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12)輸出相同的位移，豎直位移通過公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形磨削頭(26)圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的回轉(zhuǎn)半徑的精確調(diào)整，即力口工對(duì)象涵蓋不同直徑尺寸的凹透鏡試件(17)，透鏡試件(17)直徑的加工范圍為7.2mm—26.3mm，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(13)和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)(14)實(shí)現(xiàn)的擺動(dòng)角度范圍分別為90° —180° 以及 72° —180°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的凹透鏡試件(17)的非球面曲面部分的加工曲率半徑可調(diào)；當(dāng)宏微進(jìn)給單元輸出確定進(jìn)給位移后，球形磨削頭(26)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之確定，即球形磨削頭(26)的圓周運(yùn)動(dòng)軌跡是確定的，當(dāng)z向進(jìn)給電機(jī)(45 )輸出確定角位移后，工作臺(tái)(25 )帶動(dòng)凹透鏡試件(17 )在豎直方向上產(chǎn)生定向移動(dòng)，球形磨削頭(26)與凹透鏡試件(17)的接觸面積增加或減小，相應(yīng)的磨削加工量亦增加或減小，對(duì)應(yīng)于宏微進(jìn)給單元輸出的不同進(jìn)給位移，球形磨削頭(26)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑隨之改變，通過進(jìn)一步調(diào)整凹透鏡試件(17)的豎直方向位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)凹透鏡試件(17)曲率半徑的精確連續(xù)調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的左側(cè)立板(5)及右側(cè)立板(37)在臨近球形磨削頭(26)的幾何中心軸線處均加工有寬度為Imm的縱向條紋，在該條紋的正下方，工作臺(tái)(25)臨近左側(cè)立板(5)及右側(cè)立板(37)的側(cè)邊亦加工有寬度為3mm的橫向矩形槽和寬度為Imm的縱向條紋，矩形槽的長度長于凹透鏡試件(17)的加工直徑以便于確保凹透鏡試件(17)的中心點(diǎn)與工作臺(tái)(25)的幾何中心的一致性，工作臺(tái)(25)的縱向條紋亦與左側(cè)立板(5)、右側(cè)立板(37)的縱向條紋保持對(duì)齊以確保工作臺(tái)(25)的幾何中心處于兩條縱向條紋的連接軸線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的工作臺(tái)(25)臺(tái)面上加工有密集的陣列孔位，工作臺(tái)(25)與凹透鏡試件(17)的相對(duì)位置是通過一組安裝在定位孔中的定位銷軸(44)實(shí)現(xiàn)的，定位銷軸(44)與凹透鏡試件(17)的外圓母線保持線接觸；球形磨削頭(26)上加工有互相垂直的兩個(gè)細(xì)牙螺紋孔，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)的輸出軸端具有互相垂直的兩個(gè)定位平面，球形磨削頭(26)通過兩個(gè)細(xì)牙螺栓套接并固定安裝在自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)的轉(zhuǎn)軸上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的球形磨削頭(26)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12)、外擺動(dòng)軸承(16)、擺動(dòng)支撐架(27)、外擺動(dòng)軸(28)、內(nèi)擺動(dòng)軸承(29)及內(nèi)擺動(dòng)軸(43)實(shí)現(xiàn)，所述擺動(dòng)支撐架(27)通過外擺動(dòng)軸承(16)與外擺動(dòng)軸(28)實(shí)現(xiàn)球形磨削頭(26)單一方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(42)則通過內(nèi)擺動(dòng)軸承(29)和內(nèi)擺動(dòng)軸(43)實(shí)現(xiàn)球形磨削頭(26)另一單一垂直方向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12)輸出的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和角位移，球形磨削頭(26)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的變速圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的速率取決于公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)(12 )輸出的角速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，其特征在于:所述的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置的主體尺寸為82mmX82mmX 263mm。
【文檔編號(hào)】B24B41/04GK104493662SQ201410771111
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】馬志超, 趙宏偉, 任露泉, 劉先華, 劉長宜, 程虹丙 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)