一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具

技术领域

本发明属于超精密光学加工技术领域，涉及一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具。

背景技术

大口径光学元件特别是非球面、自由曲面等复杂光学元件在航天光学遥感等领域的应用越来越广泛，其加工质量和效率制约着遥感系统的在轨成像质量及整个研制周期。抛光作为大口径光学元件加工的最后一道工序，对光学元件的表面质量和加工周期都会产生极大的影响。气囊抛光是一种新兴的抛光方法，尤其适合非球面及自由曲面的加工。传统的气囊抛光使用五轴精密机床控制气囊抛光头的位置姿态，结构复杂成本高。利用工业机器人空间移动六自由度全覆盖的功能，控制气囊抛光头的位置实现加工的方法，得到了越来越广泛的应用，同时工业机器人商业应用成熟，相比于五轴精密机床的价格成本具有明显优势。

工业机器人的长臂式结构决定了在其末端执行机构承受较大压力时，会产生部分变形，导致作用于光学元件上的实际压力与理论加工压力产生一定的偏差。与此同时当光学元件表面出现形位误差或曲率发生变化时，也会导致抛光接触力不能满足要求，造成材料去除量不稳定，抛光过程面形收敛慢的问题。气囊抛光头在与光学元件边缘接触时，由于接触面积减小，接触点压强增大，加工后面形极易产生塌边，严重影响加工周期。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，可以实时反馈调节抛光表面接触压力及气囊内部气体压强，实现高稳定性的气囊抛光加工。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，包括机械臂接口法兰、外框、音圈电机、电机转接板、组件安装板、定滑轮、配重块、电机导轨、限位感应片、限位感应器、驱动电机、电机安装块、联轴器、气室、中空主轴、压力传感器、气体压强传感器、电气比例阀、通气导管、弹性套、锁紧套、气囊、上端轴承、下端轴承、上端盖、下端盖、上密封圈、下密封圈、液压胀套和轴端连接头；

其中，音圈电机尾端固定在外框上，音圈电机的输出端与电机转接板相连；电机转接板实现在电机导轨上滑动；配重块与电机转接板连接在定滑轮两侧，用于平衡气囊抛光头和驱动电机组件的自重；定滑轮固定在组件安装板顶端；组件安装板固定在外框上；外框与机械臂接口法兰固定连接；电机转接板上装有限位感应片，在移动到限位感应器处时触发安全报警，停止移动；

驱动电机安装在电机安装块上；电机安装块与气室相连；气室固定在电机转接板上；驱动电机输出轴通过联轴器带动中空主轴转动；气囊套在轴端连接头上；通过弹性套和锁紧套使气囊固定，组成气囊抛光头，通过液压胀套与中空主轴连接；中空主轴上套有上端轴承和下端轴承；上端轴承和下端轴承外圈通过气室、上端盖和下端盖固定；上端盖、下端盖和气室通过上密封圈和下密封圈进行密封；气室上设有进气孔，通过电气比例阀与通气导管相连；通气导管另一端连接气源；压力传感器安装在轴端连接头上；

当驱动电机转动时，输出轴通过联轴器带动中空主轴及液压胀套转动，液压胀套与轴端连接头抱紧；由于气囊通过锁紧套与轴端连接头连接，实现气囊与中空主轴同步转动；

气体压强传感器连接在气室内。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，通过压力传感器测量抛光工具的正向压力。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，当气囊抛光头工作时，使用外部DAQ采集卡采集压力传感器传回的压力数字信号，即实际接触力值，并将实际接触力值通过PCI总线传至外部控制系统。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，外部控制系统将实际接触力值与预设接触力值进行比较，将两者差值进行处理后转化为数字控制信号经外部DAQ采集卡传送给音圈电机；音圈电机根据控制信号调整输出的压力值，使接触力达到预设值。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，在调节过程中，压力传感器始终将接触压力值实时反馈给外部控制系统；当压力传感器检测到实际接触力超过安全值时，外部控制系统将报警，驱动电机停止工作。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，通过气体压强传感器实时测量气室和气囊内的气体压强。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，当气囊抛光头工作时，使用外部DAQ采集卡采集气体压强传感器传回的压强数字信号，即实际气体压强，并将实际气体压强通过PCI总线传至外部控制系统。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，外部控制系统将实际气体压强与预设气体压强进行比较；将两者差值进行处理后转化为数字控制信号经外部DAQ采集卡传送给电气比例阀；电气比例阀根据控制信号调整输出气压。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，当气囊内气压值小于预设值时，电气比例阀供气阀芯打开，排气阀芯关闭，使气囊内气压上升；当气囊内气压大于预设值时，电气比例阀供气阀芯关闭，排气阀芯打开，使气囊内气压下降；当气压值达到预设值时，电气比例阀关闭；在调节过程中，气体压强传感器始终将气囊内的实际气压值实时反馈给控制系统，当气体压强传感器检测到气囊内气压超过安全值时，控制系统将报警。

在上述的一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，当抛光至光学元件边缘时，通过改变外部控制系统中的气体压强预设值，使电气比例阀调整输出气压，改变气囊内的气体压强使气囊与光学元件的接触面积增大，实现接触点压强不产生陡增，防止在光学元件边缘产生塌边的问题。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了对接触压力和气体压强的双极控制，通过压力传感器和气体压强传感器对抛光过程中的接触压力和气体压强进行实时反馈，经控制系统处理后通过音圈电机和电气比例阀实现实时调节，保证大口径光学元件的长时间加工过程的平稳性和均匀性；

(2)本发明可以在抛光至光学元件边缘时，改变气囊内的气体压强使气囊与光学元件的接触面积增大，保证接触点压强不产生陡增，改善传统气囊抛光易在光学元件边缘产生塌边的问题；

(3)本发明中气囊抛光头采用在球形橡胶材料表面粘接氧化铈固结聚氨酯抛光垫的形式，避免游离磨料颗粒嵌入或吸附在光学元件表面造成的划痕麻点等表面损伤，减少亚表面损伤层；

(4)本发明具有普适性强、可操作性好等优点，可广泛应用于平面、球面、非球面与自由曲面光学元件的气囊抛光加工。

附图说明

图1为本发明高稳定性气囊抛光工具结构示意图；

图2为本发明气囊抛光头连接部分剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，通过对抛光过程的接触压力的实时控制，使接触压力在抛光过程中保持稳定；通过控制气囊气室内的气体压强，使气体压强在抛光过程中保持稳定，同时在光学元件边缘时减小气体压强，增大气囊与光学元件接触面积以保证边缘接触点压强不产生陡增，改善边缘效应，实现高稳定性的气囊抛光加工。

适用于大口径光学元件加工的高稳定性气囊抛光工具，如图1所示，具体包括机械臂接口法兰1、外框2、音圈电机3、电机转接板4、组件安装板5、定滑轮6、配重块7、电机导轨8、限位感应片9、限位感应器10、驱动电机11、电机安装块12、联轴器13、气室14、中空主轴15、压力传感器16、气体压强传感器17、电气比例阀18、通气导管19、弹性套20、锁紧套21、气囊22、上端轴承23、下端轴承24、上端盖25、下端盖26、上密封圈27、下密封圈28、液压胀套29和轴端连接头30。

其中，音圈电机3尾端固定在外框2上，音圈电机3的输出端与电机转接板4相连；电机转接板4实现在电机导轨8上滑动；配重块7与电机转接板4连接在定滑轮6两侧，用于平衡气囊抛光头和驱动电机组件的自重；定滑轮6固定在组件安装板5顶端；组件安装板5固定在外框2上；外框2与机械臂接口法兰1固定连接；电机转接板4上装有限位感应片9，在移动到限位感应器10处时触发安全报警，停止移动。

驱动电机11安装在电机安装块12上；电机安装块12与气室14相连；气室14固定在电机转接板4上；驱动电机11输出轴通过联轴器13带动中空主轴15转动；气囊22套在轴端连接头30上；通过弹性套20和锁紧套21使气囊22固定，组成气囊抛光头，通过液压胀套29与中空主轴15连接；中空主轴15上套有上端轴承23和下端轴承24；上端轴承23和下端轴承24外圈通过气室14、上端盖25和下端盖26固定；上端盖25、下端盖26和气室14通过上密封圈27和下密封圈28进行密封；气室14上设有进气孔，通过电气比例阀18与通气导管19相连；通气导管19另一端连接气源；压力传感器16安装在轴端连接头30上，如图2所示。

当驱动电机11转动时，输出轴通过联轴器13带动中空主轴15及液压胀套29转动，液压胀套29与轴端连接头30抱紧；由于气囊22通过锁紧套21与轴端连接头30连接，实现气囊22与中空主轴15同步转动；气体压强传感器17连接在气室14内。

本发明通过压力传感器16测量抛光工具的正向压力。当气囊抛光头工作时，使用外部DAQ采集卡采集压力传感器16传回的压力数字信号，即实际接触力值，并将实际接触力值通过PCI总线传至外部控制系统。外部控制系统将实际接触力值与预设接触力值进行比较，将两者差值进行处理后转化为数字控制信号经外部DAQ采集卡传送给音圈电机3；音圈电机3根据控制信号调整输出的压力值，使接触力达到预设值。

在调节过程中，压力传感器16始终将接触压力值实时反馈给外部控制系统；当压力传感器16检测到实际接触力超过安全值时，外部控制系统将报警，驱动电机11停止工作。

本发明通过气体压强传感器17实时测量气室14和气囊22内的气体压强。当气囊抛光头工作时，使用外部DAQ采集卡采集气体压强传感器17传回的压强数字信号，即实际气体压强，并将实际气体压强通过PCI总线传至外部控制系统。外部控制系统将实际气体压强与预设气体压强进行比较；将两者差值进行处理后转化为数字控制信号经外部DAQ采集卡传送给电气比例阀18；电气比例阀18根据控制信号调整输出气压。

当气囊22内气压值小于预设值时，电气比例阀18供气阀芯打开，排气阀芯关闭，使气囊22内气压上升；当气囊22内气压大于预设值时，电气比例阀18供气阀芯关闭，排气阀芯打开，使气囊22内气压下降；当气压值达到预设值时，电气比例阀18关闭；在调节过程中，气体压强传感器17始终将气囊22内的实际气压值实时反馈给控制系统，当气体压强传感器检测到气囊22内气压超过安全值时，控制系统将报警。

本发明提供了一种气囊抛光工具，主要结构组件包括音圈电机，直线滑轨，限位感应器，驱动电机，联轴器，中空转轴和气囊。中空转轴具有中空腔体，该中空腔体两端分别连通于所述气囊和一通气导管，通气导管上安装有电气比例阀。气囊接口法兰处安装有测量接触压力的压力传感器，气体压强传感器安装在与中空腔体相通的气室内，用于测量气囊内的气体压强。

压力传感器测量气囊与光学元件间的接触压力，控制系统对采集到的压力数字信号进行分析处理后，输出驱动控制信号至音圈电机，音圈电机根据控制信号调整输出压力值，使抛光工具头与光学元件间的接触压力达到理想压力值。在调节过程中，压力传感器始终将接触压力实时反馈给控制系统，当压力传感器检测到接触压力超过安全值时，控制系统将报警。

气体压强传感器测量气囊内的气体压强，控制系统对采集到的气体压强信号进行分析处理后，输出控制信号至电气比例阀，电气比例阀根据控制信号调整输出气压。当气囊内气压值小于预设值时，电气比例阀供气阀芯打开，排气阀芯关闭，使气囊内气压上升；当气囊内气压大于预设值时，电气比例阀供气阀口关闭，排气阀口打开，使气囊内气压下降；当气压值达到预设值时，电气比例阀关闭。在调节过程中，气体压强传感器始终将气囊内的实际气压值实时反馈给控制系统，当气体压强传感器检测到气囊内气压超过安全值时，控制系统将报警。

气囊抛光头采用在球形橡胶材料表面粘接氧化铈固结聚氨酯抛光垫的形式，氧化铈粒度不大于3微米，以避免游离磨料颗粒嵌入或吸附在光学元件表面造成划痕麻点等损伤。

当抛光至光学元件边缘时，通过改变外部控制系统中的气体压强预设值，使电气比例阀18调整输出气压，改变气囊22内的气体压强使气囊22与光学元件的接触面积增大，实现接触点压强不产生陡增，防止在光学元件边缘产生塌边的问题。

本发明中气囊抛光头采用在球形橡胶材料表面粘接氧化铈固结聚氨酯抛光垫的形式，避免游离磨料颗粒嵌入或吸附在光学元件表面造成的划痕麻点等表面损伤，减少亚表面损伤层，提高光学元件表面质量。

本发明采用了对气囊抛光过程中的接触压力和气体压强的双极控制，通过压力传感器和气体压强传感器对抛光过程中的接触压力和气体压强进行实时反馈，经控制系统处理后通过音圈电机和电气比例阀实现实时调节，保证大口径光学元件的长时间加工过程的平稳性和均匀性。

本发明可以在抛光至光学元件边缘时，通过控制系统内的预设气压值改变气囊内的气体压强使气囊与光学元件的接触面积增大，保证接触点压强不产生陡增，改善传统气囊抛光易在光学元件边缘产生塌边的问题。

本发明中气囊抛光头采用在球形橡胶材料表面粘接氧化铈固结聚氨酯抛光垫的形式，避免游离磨料颗粒嵌入或吸附在光学元件表面造成的划痕麻点等表面损伤，减少亚表面损伤层。

本发明采用了对接触压力和气体压强的双极控制，通过压力传感器和气体压强传感器对抛光过程中的接触压力和气体压强进行实时反馈，经控制系统处理后通过音圈电机和电气比例阀实现实时调节，保证大口径光学元件的长时间加工过程的平稳性和均匀性。可以在抛光至光学元件边缘时，改变气囊内的气体压强使气囊与光学元件的接触面积增大，保证接触点压强不产生陡增，改善传统气囊抛光易在光学元件边缘产生塌边的问题。

本发明中气囊抛光头采用在球形橡胶材料表面粘接氧化铈固结聚氨酯抛光垫的形式，避免游离磨料颗粒嵌入或吸附在光学元件表面造成的划痕麻点等表面损伤，减少亚表面损伤层。本发明具有普适性强、可操作性好等优点，可广泛应用于平面、球面、非球面与自由曲面光学元件的气囊抛光加工。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。