CN110227983B - 非球面光学元器件抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元器件抛光装置，属于光学元器件加工领域。本发明的非球面光学元器件抛光装置包括载液载体，所述载液载体上承载有磁流变液；磁体，所述磁体产生磁场；所述磁场对所述磁流变液作用，形成环形抛光工具。本发明的非球面光学元器件抛光装置基于磁流变原理，利用磁场的作用在载液载体上形成抛光工件，能够更加高效的进行抛光处理。

Description

非球面光学元器件抛光装置

技术领域

本发明涉及光学元器件加工领域，尤其是涉及非球面光学元器件抛光装置。

背景技术

随着当今社会的飞速发展，人们的生活水平不断提高，智能手机、无人驾驶汽车、军用红外设备、医用内窥镜以及安防视频监控等领域方兴未艾，光学元器件作为这些领域的核心器件，在未来将会有更加广阔的市场前景。

传统的光学元器件采用球面光学元器件，在光线通过球面镜成像后，光线聚焦点发散、成像模糊，将会对图像信息的准确度造成一定误差。近年来，人们逐渐开始采用非球面光学元器件替代传统的球面光学元器件，非球面光学元器件在光学系统中能够消除光能损失，提高光学系统的图像信息采集能力和相对口径比，减轻设备的重量，被广泛应用于X射线光学系统、功能光电器件以及信息与微电子等尖端科技领域，光线在通过非球面镜后聚焦点集中，成像效果明显优于球面光学元器件，因此，非球面光学元器件以其优异的性能正在逐渐取代球面光学元器件。

在非球面光学元器件的加工制造中，作为后端工序的超精密修抛加工是决定非球面光学元器件在精度和品质上是否达标的关键环节。但是，目前市场上还没有能够高效处理非球面光学元器件的抛光装置。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种高效处理非球面光学元器件表面的非球面光学元器件抛光装置。

本发明实施例解决上述技术问题所采取的技术方案为：提供一种非球面光学元器件抛光装置，包括载液载体，所述载液载体上承载有磁流变液；磁体，所述磁体产生磁场；所述磁场对所述磁流变液作用，形成环形抛光工具。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁体为环形磁铁。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环形磁铁能够转动，所述环形磁铁的转动中心线与所述环形磁铁的轴线具有预设的偏距。

作为上述技术方案的进一步改进，记所述偏距与所述环形磁铁的内径的比值为r，其中，0<r≤1/2。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环形磁铁连接有第一转动装置，所述第一转动装置包括第一电机以及与所述第一电机的输出轴连接的承载件，所述环形磁铁固设于所述承载件上，所述环形磁铁的轴线与所述第一电机的输出轴的轴线设置所述预设的偏距。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括移动部件，所述移动部件能够装载需要抛光的加工工件，并带动所述加工工件在所述环形抛光工具上运动。

作为上述技术方案的进一步改进，所述移动部件为六轴机械手。

作为上述技术方案的进一步改进，所述移动部件与所述载液载体之间设有电场，所述移动部件一侧的电场强度大于所述载液载体一侧的电场强度；或者，所述加工工件与所述载液载体之间设有电场，所述加工工件一侧的电场强度大于所述载液载体一侧的电场强度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述加工工件与所述载液载体之间设有电场，所述加工工件的横截面积小于所述载液载体的横截面积。

作为上述技术方案的进一步改进，所述加工工件与所述移动部件绝缘连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述移动部件包括工件夹具，所述工件夹具与所述载液载体之间设有电场，且所述工件夹具的横截面积大于所述载液载体的横截面积。

作为上述技术方案的进一步改进，所述工件夹具绝缘设置于所述移动部件上。

作为上述技术方案的进一步改进，设置电源，所述电源的两极分别与所述加工工件以及所述载液载体连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电源为交流电源，所述交流电源与所述加工工件之间设有电刷，所述电刷与所述加工工件之间通过减振弹簧连接。

作为上述技术方案的进一步改进，设置电源，所述电源的两极分别与所述工件夹具以及所述载液载体连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电源为交流电源，所述交流电源与所述工件夹具之间设有电刷，所述电刷与所述工件夹具之间通过减振弹簧连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述载液载体连接有第二转动装置，所述第二转动装置包括第二电机以及与所述第二电机的输出轴连接的载体主轴，所述载液载体固设于所述载体主轴上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述载体主轴与所述载液载体之间设有绝缘层。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二电机的输出轴上紧固设置有第一同步轮，所述载体主轴上紧固设置有第二同步轮，所述第一同步轮与所述第二同步轮同步转动。

本发明的有益效果：

本发明的非球面光学元器件抛光装置，利用磁场的作用，使载液载体上的磁流变液形成环形抛光工具，利用环形抛光工具与加工工件的相对运动对加工工件进行抛光处理，相比于传统抛光装置，本发明的非球面光学元器件抛光装置利用磁流变原理形成的环形抛光工具能够与任意曲面吻合度高，环形抛光工具具有自锐性、加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小、加工适用性广以及加工大径厚比的光学镜面不存在复印效应，其抛光效率更高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的非球面光学元器件抛光装置一个实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大示意图；

图3为在磁场作用下磁流变液中磨粒的分布示意图；

图4为r＝0时形成的环形抛光工具的结构示意图；

图5为r＝1/2时形成的环形抛光工具的结构示意图；

图6为r＝0时的抛光结果示意图；

图7为r＝1/2时的抛光结果示意图；

图8为电场作用下中性粒子的受力示意图；

图9示出了在磁场与电场的共同作用下磁流变液中磨粒的分布示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，本发明实施例提供一种非球面光学元器件抛光装置，包括载液载体1、磁体2，载液载体1上承载有磁流变液，磁体2能够产生磁场，其产生的磁场作用在磁流变液上，使磁流变液形成抛光工件3，通过抛光工件3对非球面光学器件进行抛光处理。

参照图3，示出了磁流变液在磁场作用下形成抛光工件的原理示意图。磁流变液在未施加磁场时，是一种流动的液体，而在施加磁场后，磁流变液在磁场梯度的作用下，变为具有一定硬度的柔性磨头，这一柔性磨头以剪切的形式实现对材料的去除，柔性磨头能够与任意曲面吻合度高、循环的磁流变液使得磨头具有自锐性、加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小、加工适应性广以及加工大厚径比的光学镜面不存在复印效应的优点，因此，能够高效的实现对非球面光学元器件的抛光。如图3，磁流变液中包含许多的磁敏粒子400以及磨粒410，在磁场的作用下，磁敏粒子400将会沿着磁力线发生聚合进而生成磁性链，磨粒410由于磁浮力的作用聚集在磁性链的顶部及周围，在抛光时，磨粒410在磁浮力和重力的合力作用下与工件接触，在工件表面进行微切削。

在一种优选的实施例中，如图1，磁体2为环形磁铁，由于环形磁铁结构的特殊性，其产生的磁场作用在磁流变液上，产生了环形抛光工具3，环形抛光工具3在处理非球面光学器件的抛光上，其更加高效、方便。

进一步地，设置磁体2能够转动，且磁体2的转动中心线与磁体2自身的轴线之间设置预设的偏距。磁体2在绕转动中心线转动时，会产生空间旋转磁场，随之磁场线也会做偏心旋转运动，进而磁性链将会在载液载体1上不断搅动磨粒，起到更新表面磨粒的作用，减少已经钝化的磨粒参与微切削的几率，进而可以一直保持较高的加工效率。

本发明实施例还研究了磁体的偏距的设置对抛光的影响，其中，以外径30mm、内径为9mm的永久磁铁为例。记磁体2的偏距除以磁体2自身的内径的比值为r，则，在本发明实施例中，r的范围优选为大于0小于等于1/2。

参照图4与图5，图4示出了r＝0时形成的环形抛光工具的结构示意图，图5示出了r＝1/2时形成的环形抛光工具的结构示意图。当r＝0时，如图4，形成的环形抛光工具中磁链聚集现象十分严重，而当r＝1/2时，如图5，形成的环形抛光工具则十分均匀，这是因为偏心转动产生偏心旋转磁场，使得磁力线搅拌抛光液所致。继续参照图6与图7，图6示出了r＝0时的抛光效果图，图7示出了r＝1/2时的抛光效果图，当r＝0时，形成的环形抛光工具对加工工件表面进行抛光时，几乎没有抛光效果，而当r＝1/2时，表面粗糙度可以从50nm降低到10nm左右，抛光的效果十分明显。可见，当r选择为大于0且小于等于1/2时，由于磁体的偏心转动，能够产生偏心的旋转磁场，使得磁流变液内的磨粒搅动，形成更加均匀的环形抛光工具，从而达到更好的抛光效果。然而，当r继续增加时，虽然磁体仍然在做偏心转动，但是过大的偏心距会使磁体远离旋转中心，磁体形成的磁场也开始远离旋转中心处，导致磁体产生的磁场只能对部分的磁流变液区域作用，磁流变液中心区域的部分受到磁场的作用明显减小，反而也降低了产生的抛光工具的形状和表面均匀性，随之抛光效果也相应下降。

在本发明一个实施例中，通过第一转动装置实现磁体的偏心转动，如图1，第一转动装置包括第一电机20以及承载件21，承载件21固定设置于第一电机20的输出轴上，在第一电机20工作时，承载件21随第一电机20的输出轴的转动而同步转动，磁体2固定设置于承载件21上，并且设置磁体2的轴线位置与承载件21的转动中心具有上述的预设的偏距，在承载件21转动时，磁体2会产生偏心的转动。

为了保证环形抛光工具对非球面光学器件的表面进行充分抛光处理，本发明实施例的非球面光学元器件抛光装置还包括移动部件5，移动部件5能够装载需要抛光的加工工件6，并能够带动加工工件6在环形抛光工具3上运动，使加工工件6与环形抛光工具3之间发生相对运动，进而对加工工件6表面进行抛光处理。

移动部件5可以选用二轴机械手、三轴机械手、四轴机械手等，或其他类似的具备移动以及转动功能的部件，本实施例中，移动部件5优选为六轴机械手，在六轴机械手的带动下，加工工件6可以实现上下、左右、前后方向上的移动以及俯仰、偏航、横滚方向上的转动，六轴机械手采用6自由度机械手臂来控制加工工件的空间运动轨迹，具有极高的空间自由度，只要通过针对不同加工工件外形设计对应的加工工件端电极形状即可抛光凹凸非球面工件、复杂自由曲面或其他3D结构，因此，具有极广的适用性。

以上方案基于磁流变原理，在磁场的作用下，使磁流变液体内的磨粒形成环形抛光工具，通过环形抛光工具对加工工件进行抛光，在本发明的另一种实施例中，通过引入电场，利用磁流变液中磨粒的介电泳效应，使磨粒产生定向运动，相比于单纯的磁场作用，在电场与磁场的复合作用下，磨粒会在磁浮力、重力和电场力的共同作用下贴合加工工件表面，增大了磨粒与加工工件表面的接触面积和峰值压力，同时又增加了与加工工件表面接触的磨粒数量，从而大幅提高了抛光效率、减轻中频误差的产生。

其中，在一个实施例中，参照图1，在加工工件6与载液载体1之间设置电场，并设置加工工件6一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，在电场的作用下，磁流变液内的更多的磨粒向顶部分布，形成的环形抛光工具3内含有更多的磨粒。

常规的磨粒材料包括二氧化硅、碳化硅、氧化铈、氧化铝、金刚石等，这些材料均为稳定的电中性物质，利用中性粒子的介电泳现象，我们可以对磨粒的分布位置进行控制。如图8，在磨粒所在区域内设置非均匀的电场，从图8中可知，左侧的电场强度小于右侧的电场强度，中性粒子(磨粒)在较高的非均匀电场中会发生极化，在中性粒子(磨粒)内部两端产生等量的异种电荷，从而形成电偶极子，由于高强度的电场是非均匀的，所以中性粒子(磨粒)两端的电场强度有差异，导致了中性粒子(磨粒)所受到的电场力合力不为零，产生定向运动，并向电场强度更大的一个方向运动，这种现象被称为介电泳现象。

如图9，示出了在磁场与电场的共同作用下，磨粒的位置分部示意图，请结合图3，图3中，仅在磁场的作用下，磨粒410主要聚集在磁性链的顶部及周围，而在图9中，可以发现，磨粒410明显地向磁性链的顶部(靠近加工工件的一侧)聚集，如此，形成的环形抛光工具将含有更多的磨粒，能够更加高效的对加工工件进行抛光。

在本实施例中，由于在加工工件6与载液载体1之间设置有电场，且加工工件6一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，因此，磨粒将会向加工工件6一侧产生定向移动，形成的抛光工件含有更多的磨粒，对加工工件6抛光的效率得到显著地提高。

现有技术有很多方法来实现加工工件6的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，如改变两侧的电荷量。在优选的实施例中，通过设置加工工件6的横截面积小于载液载体1的横截面积，在总电荷量一致的情况下，加工工件6一侧的横截面积更小，在加工工件6一侧的电场线的密度更大，电场强度更大，因此，磨粒向加工工件6一侧产生定向移动。

为了避免加工工件6的带电对移动部件5产生干扰，加工工件6与移动部件5采用绝缘连接。

电场的具体设置方案为，设置电源7，电源7的正负两极分别与加工工件6与载液载体1连接。其中，电源7可以为交流电源或直流电源，两种电源的作用下，由于加工工件6的横截面积小于载液载体1的横截面积，会产生加工工件6一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度。

在优选的实施例中，电源7为交流电源，电源7与加工工件6之间设置电刷70，其中，电刷70固设在移动部件5的支架50上，为了避免电刷70的带电干扰移动部件5的正常工作，支架50为绝缘材料制得，进一步地，电刷70与加工工件6之间通过减振弹簧71连接，以避免加工工件6受到电刷70工作的影响。

在另一个实施例中，在移动部件5与载液载体1之间设置电场，并且移动部件5一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，其原理请参照上文。

其中，移动部件5包括用于夹持加工工件6的工件夹具51，在工件夹具51与载液载体1之间设置电场，并且设置工件夹具51一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度。

优选的，设置工件夹具51的横截面积小于载液载体1的横截面积，如此，在相同电荷量的情况下，工件夹具51一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度，使得磨粒向加工工件6一侧定向移动。

电场的具体设置方案为，设置电源7，电源7的正负两极分别与工件夹具51与载液载体1连接。其中，电源7可以为交流电源或直流电源，两种电源的作用下，由于工件夹具51的横截面积小于载液载体1的横截面积，会产生工件夹具51一侧的电场强度大于载液载体1一侧的电场强度。

在优选的实施例中，电源7为交流电源，电源7与工件夹具51之间设置电刷70，其中，电刷70固设在移动部件5的支架50上，为了避免电刷70的带电干扰移动部件5的正常工作，支架50为绝缘材料制得，进一步地，电刷70与工件夹具51之间通过减振弹簧71连接，以避免加工工件6受到电刷70工作的影响。

优选的，工件夹具51包括带电部与绝缘部，其中，带电部夹持加工工件6，并与电源7连接，绝缘部与移动部件5的主体连接，以保证移动部件5不会受到电源7的影响。

在抛光时，如果环形抛光工具3转动，将会显著的增加对加工工件6表面的抛光效率。为此，载液载板1连接有第二转动装置，通过第二转动装置带动载液载板1转动，进而使得载液载板1上形成的环形抛光工具3产生转动。

第二转动装置包括第二电机10、载体主轴11，载体主轴11与第二电机10的输出轴连接，在第二电机10的运动下，载体主轴11将随之转动，载液载体1固设于载体主轴11上，以使载液载体1随着载体主轴11的转动而同步转动，进而使得环形抛光工具3产生转动。

为了避免载液载体1的带电性对第二转动装置的工作产生影响，如图2，在载体主轴11与载液载体1之间设置有绝缘层100。

如图1，为了减小非球面光学元器件抛光装置的体积，第一电机20与第二电机10采用并排布置，为此，第二电机20上紧固的设置有第一同步轮12，载体主轴11上紧固的设置有第二同步轮13，第一同步轮12与第二同步轮13同步转动连接，两者可以采用齿轮啮合、同步带连接等多种方式实现两者的同步转动连接，如此，在第二电机10转动时，第一同步轮12转动，带动第二同步轮13转动，从而载体主轴11随之转动，固定设置在载体主轴11上的载液载体1也产生转动。

以上方案详细基于磁流变及介电泳效应，其可以更加高效的对加工工件表面进行抛光处理，能够在改善加工工件表面粗糙度达到镜面的同时，保证不在加工工件表面留下微小的波纹(中频误差)。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (17)

1.一种非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，包括：

载液载体，所述载液载体上承载有磁流变液；

磁体，所述磁体产生磁场，所述磁体为环形磁铁，所述环形磁铁能够转动，所述环形磁铁的转动中心线与所述环形磁铁的轴线具有预设的偏距，记所述偏距与所述环形磁铁的内径的比值为r，其中，0<r≤1/2，所述环形磁铁连接有第一转动装置，所述第一转动装置包括第一电机以及与所述第一电机的输出轴连接的承载件，所述环形磁铁固设于所述承载件上，所述环形磁铁的轴线与所述第一电机的输出轴的轴线设置所述预设的偏距；

所述磁场对所述磁流变液作用，形成环形抛光工具；

电源，所述电源的两极分别与加工工件以及所述载液载体连接，所述电源为交流电源，所述交流电源与所述加工工件之间设有电刷，所述电刷与所述加工工件之间通过减振弹簧连接。

2.根据权利要求1所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，还包括移动部件，所述移动部件能够装载需要抛光的加工工件，并带动所述加工工件在所述环形抛光工具上运动。

3.根据权利要求2所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述移动部件为六轴机械手。

4.根据权利要求2所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述加工工件一侧的电场强度大于所述载液载体一侧的电场强度。

5.根据权利要求4所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述加工工件的横截面积小于所述载液载体的横截面积。

6.根据权利要求5所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述加工工件与所述移动部件绝缘连接。

7.根据权利要求2所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述载液载体连接有第二转动装置，所述第二转动装置包括第二电机以及与所述第二电机的输出轴连接的载体主轴，所述载液载体固设于所述载体主轴上。

8.根据权利要求7所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述载体主轴与所述载液载体之间设有绝缘层。

9.根据权利要求7所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述第二电机的输出轴上紧固设置有第一同步轮，所述载体主轴上紧固设置有第二同步轮，所述第一同步轮与所述第二同步轮同步转动。

10.一种非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，包括：

载液载体，所述载液载体上承载有磁流变液；

磁体，所述磁体产生磁场，所述磁体为环形磁铁，所述环形磁铁能够转动，所述环形磁铁的转动中心线与所述环形磁铁的轴线具有预设的偏距，记所述偏距与所述环形磁铁的内径的比值为r，其中，0<r≤1/2，所述环形磁铁连接有第一转动装置，所述第一转动装置包括第一电机以及与所述第一电机的输出轴连接的承载件，所述环形磁铁固设于所述承载件上，所述环形磁铁的轴线与所述第一电机的输出轴的轴线设置所述预设的偏距；

所述磁场对所述磁流变液作用，形成环形抛光工具；

移动部件，所述移动部件包括用于夹持加工工件的工件夹具，所述移动部件能够装载需要抛光的加工工件，并带动所述加工工件在所述环形抛光工具上运动；

电源，所述电源的两极分别与所述工件夹具以及所述载液载体连接，所述电源为交流电源，所述交流电源与所述工件夹具之间设有电刷，所述电刷与所述工件夹具之间通过减振弹簧连接。

11.根据权利要求10所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述移动部件一侧的电场强度大于所述载液载体一侧的电场强度。

12.根据权利要求11所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述工件夹具的横截面积大于所述载液载体的横截面积。

13.根据权利要求12所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述工件夹具绝缘设置于所述移动部件上。

14.根据权利要求10所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述移动部件为六轴机械手。

15.根据权利要求10所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述载液载体连接有第二转动装置，所述第二转动装置包括第二电机以及与所述第二电机的输出轴连接的载体主轴，所述载液载体固设于所述载体主轴上。

16.根据权利要求15所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述载体主轴与所述载液载体之间设有绝缘层。

17.根据权利要求15所述的非球面光学元器件抛光装置，其特征在于，所述第二电机的输出轴上紧固设置有第一同步轮，所述载体主轴上紧固设置有第二同步轮，所述第一同步轮与所述第二同步轮同步转动。