非球面光学零件复合加工、检测机床 技术领域：
本发明涉及光学零件加工技术，具体涉及可对非球面光学零件进行铣磨、研抛复合加工和检测的机床。
背景技术：
在传统的光学仪器中常使用球面光学元件，由于不可避免的存在像差、色差，会导致成像质量不高。为了获得较完美的成像质量，人们通过增加各种光学透镜等元件补偿和减小像差，导致传统的高质量光学仪器体积庞大，成本很高。如果采用非球面的光学零件，则可以直接通过设计光学元件的面型参数来提高成像质量。所以使用非球面光学零件可以大幅度的减小光学仪器的尺寸和重量，而且可以显著改善成像质量，获得接近完美的光学效果。因此非球面光学元件正越来越多地应用于新型光学系统中。
由于球面存在无限个对称轴，可以通过成型对研的方法加工。但非球面光学零件由于面型复杂，大多数只有一根对称轴，而且精度要求很高，通常面型精度要求达到几分之一到几十分之一个波长(一个波长等于0.6328μm)。因此非球面的加工和检测更为困难，尤其是高质量的非球面零件，表现在：①非球面各点的曲率半径不同，而球面则各点相同，所以非球面面形不易修正；②非球面对零件另一面的偏斜无法用球面镜所采用的定心磨边方法来解决，只能通过加工保证；③非球面一般不能用光学样板来检验光圈和局部光圈，检验方法复杂而费时。
目前精度较高的非球面光学零件通常采用研磨抛光的方法加工，即先研磨成非球面毛坯，再通过抛光的方法提高表面质量，减小粗糙度，并进行局部面型误差修正。传统的非球面光学零件加工是依赖技术熟练的工人通过反复地局部修抛和不断检测来完成。由于加工过程完全依赖工人的手艺，无法进行定量控制，加工的零件成品率很低，精度复现性无法保证，而且成本高，周期很长，已基本上不能满足非球面光学零件的应用需求。自从上世纪七十年代出现计算机控制小工具定量研抛技术以来，光学零件的加工方法有了质地飞跃。该方法以普林斯顿(Preston)方程为基础，即在保持其它加工条件(如磨削液的浓度、磨料粒度、加工温度等)不变的情况下，材料的去除率与研抛膜和工件之间的压力及相对速度成正比。这样可以通过控制研抛膜与工件之间的压力及研抛膜的运动速度，定量地去除工件表面的残余误差，达到替代人工进行光学零件加工的目的，进而消除人工加工的不确定性，使高精度非球面光学零件批量生产成为可能。
计算机控制的非球面光学零件加工过程一般分为一下几个阶段：粗磨-精磨-面型检测-抛光，其中面型检测和抛光是一个反复进行的过程，直到达到精度要求为止。磨削过程通常是采用铣磨(用杯型砂轮或碟型砂轮)的方法，用数控机床进行磨削加工，使毛坯面型达到需要的精度。粗磨和精磨的区别主要是目的不同。粗磨用于工件毛坯成型，以减小加工余量为目的。精磨用于减小粗磨后工件表面的变质层，减小微裂纹，提高面型精度。抛光过程有两个作用：一是提高表面光洁度，一是减小面型误差。为了便于控制，在抛光过程中常保持研抛头的压力和运动速度不变，通过控制研抛头在工件上每点的停留时间来控制材料去除量的大小。在测量得到量化后的面型误差数据后，通过轨迹规划和驻留时间算法得到工件上每点的加工时间，即材料去除量。由于研抛是一个非常复杂的过程，不确定性影响因素很多，一次研抛加工不大可能使面型误差减小到可接受的程度，需要通过研抛加工-面型误差测量-再加工的多次循环过程，最终使面型误差逐步收敛到要求的范围内。
铣磨加工的误差表现为研抛加工的余量，提高铣磨加工的精度可以显著减小研抛时的材料去除量，进而极大地减小研抛加工的时间，显著提高加工效率。而铣磨加工的加工精度是由于机床保证的，要将机床的加工精度提高到微米级甚至更高，将极大地增加机床的成本，而且也是非常困难的。
定量研抛加工离不开测量，测量精度决定了研抛加工所能达到的精度极限。由于非球面光学零件的面型精度要求很高，通常采用的定量测量方法有波面干涉仪测量和超高精度坐标测量等。波面干涉仪只能用于光学表面的测量，精度可以达到几十分之一波长，在测量非球面时，需要增加补偿镜，而且每个补偿镜只能用于一种工件的测量，测量成本很高。坐标测量可用于铣磨表面和光学表面的测量，测量成本低，可以方便地测量任意面型，但测量精度没有干涉法测量精度高。
定量研抛用于去除加工表面的高点误差，使表面误差趋于零。由于研抛膜对所覆盖区域的材料均有去除作用，为了使面型误差趋于收敛，有两个关键性技术：一是研抛膜路径规划和驻留时间算法，一是要有稳定且可控的去除函数，而且去除函数形状应呈现为单调的中间有峰值的曲线，这样更有利于路径规划，使误差快速趋于收敛。在面型误差修正过程中，往往需要根据实际面型误差的特点和加工的需要改变去除函数，而去除函数的形状与研抛膜的运动形式、研抛膜与工件之间的压力密切相关。所以要求研抛机构要有良好的可控性，而且所提供的研抛膜运动形式能够满足定量研抛加工对去除函数的要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术所存在的缺陷，提供一种可在一台机床上同时实现非球面光学零件的铣磨、研抛复合加工及检测机床。
本发明是通过下面的技术方案解决上述技术问题的。其特征在于机床床身采用对称式龙门框架结构，其上设有X、Y、Z、C四个坐标轴，各轴采用模块化设计，通过在Z轴工作台上分别安装铣磨头或研抛机构进行铣磨和研抛工序的切换；在机床床身上，还设有与Y轴平行的气浮平台，该平台上装有可进行面型在位测量和补偿之面型误差测量装置。在Z轴工作台上，还设有A轴，通过连接板与其相联，用于铣磨的砂轮轴安装在A轴转台上。本发明研抛机构采用行星轮式双转子研抛机构，它包括公转轴、自传轴和研抛盘，所述公转轴和自传轴均由伺服电机驱动，研抛盘装于自转轴底端，公转轴和自传轴之间通过偏心调整机构联接。其中研抛盘与自转轴轴端采用万向联轴节连接，偏心调整机构包括燕尾槽滑台和回转轴，其中燕尾槽滑台上滑槽部分装于公转轴轴端，滑台部分通过回转轴与自转轴连接。在自转电机与自转轴之间还设有一软轴，该软轴一端与自转电机输出轴固接，另一端穿过公转轴、燕尾槽滑台、回转轴后与自转轴连接。面型误差测量装置包括工作台、自准仪和可调整其位置的位移传感器，位移传感器采用反射式激光位移传感器或接触式位移传感器，工作台装于气浮平台上，自准仪置于其上，位移传感器置于工作台侧面，与工件位置对应。
本发明采用模块化的机床设计思想，将机床本体结构-X、Y、Z、C轴组成龙门式本体结构，这些轴的组合可以满足成型铣磨加工和定量研抛加工过程对机床本体的要求，通过在机床本体上更换铣磨头和研抛装置，可分别实现非球面光学零件成型铣磨加工和定量研抛加工。其中研抛装置采用结构轻巧的行星轮式双转子研抛机构，克服了公转转速难以提高的缺点，一方面提高了机构的加工效率，另一方面，在扩大的转速比调节范围内，能够找到各种需要的去除函数，使得定量研抛加工时面型误差更容易收敛。另外，在机床上增加了独立的面型误差测量装置，用于面型误差的在位测量与补偿，其测量结果可以有效补偿机床的误差，显著提高了加工精度。
附图说明：
图1为本发明立体图；
图2为本发明铣磨时机床结构主视图；
图3为本发明铣磨时机床结构右视图；
图4为本发明研抛时机床结构图；
图5为本发明双转子研抛机构结构图；
图6为本发明测量装置结构主视图；
图7为本发明测量装置结构右视图。
具体实施方式：
目前，非球面光学零件的数控加工是一个非常复杂的过程。在这一过程中有几个关键问题：一是铣磨加工的质量，二是测量的精度问题，三是误差收敛速度的问题。这几个问题综合影响加工精度和加工效率，高的加工效率和精度是对制造设备的基本要求。实际加工中有两个性质不同的加工阶段：铣磨过程和研抛过程，通常这类机床是通过转换加工位置的方式实现铣磨和研抛工序的转换，机床结构复杂，成本高。本发明在总结前人工作的基础上，以提高加工效率和加工精度为目标，兼顾考虑成本，对现有非球面光学零件加工机床进行了改进，其特征在于机床床身采用对称式龙门框架结构，可以获得较大的加工空间；抵抗弹性变形的能力强；可以提高机床的整体刚性、稳定性及热对称性。床身材料为花岗岩，具有良好的吸振性能，结构稳定性好。在床身上，设有X、Y、Z、C四个坐标轴，各轴采用模块化设计，其组合可以满足成型铣磨加工和定量研抛加工过程对机床本体的要求，通过在Z轴工作台上分别安装铣磨头或研抛机构进行铣磨和研抛工序的切换，可集铣磨成型、抛光加工于一体，分别实现非球面光学零件成型铣磨加工和定量研抛加工，其配置结构简单，而且并不影响机床的加工效率，机床刚度高，铣磨加工精度可达10μm。
为进一步消除系统误差，在机床床身上，还设有与Y轴平行的气浮平台，该平台上装有可进行面型在位测量和补偿之面型误差测量装置，通过该装置在线测量直线度误差，并将该误差补偿到测量结果中，可消除导轨直线度误差，提高机床加工精度。
图1～图7展示了本发明具体应用实施例结构。
如图1～图4所示，本发明由床身1、两相互平行且直立的立柱22和横梁28组成龙门框架结构，横梁28上装有Y轴导轨24，Y轴工作台31套于Y轴导轨24上，可由Y轴丝杠25带动沿Y轴导轨24作直线滑移，Y轴丝杠25由Y轴电机29带动转动。在Y轴工作台31上，固定有Z轴工作台30，其上装有可由Z轴电机26带动作上下滑移之Z轴37，Z轴37运动方向与Y轴导轨24直线方向垂直。在Z轴工作台30上，通过连接板32连接A轴33，该轴为常用的转台式轴，用于铣磨的砂轮轴安装在A轴33上所设的转台上。在床身1上设有X轴导轨38，位于两立柱22之间对称位置，其轴线与Y轴导轨24和Z轴37垂直，该导轨上装有X轴工作台35，可由X轴丝杠4带动沿X轴导轨38作直线滑移，X轴丝杠4由X轴电机15带动转动。在X轴工作台35上，装有C轴转台34，工件210通过工件夹具211置于C轴转台34上，这样，通过X、Y、Z、A四轴联动可实现复杂曲面的铣磨加工；通过Y、Z、A、C四轴联动可实现回转对称非球面的铣磨加工，通过控制A轴33转角可实现砂轮沿工件表面法向加工。
非球面光学零件铣磨加工后，需进行定量研抛加工，研抛机构能够保证研抛盘沿法向切合工件表面。一般研抛机构主要包括自转轴和公转轴，经我们研究发现，自转轴和公转轴的转速比在50∶1～1∶-2之间均存在加所需要的比较理想的去除函数，这意味着自转轴需要比较宽的调速范围，目前现有技术的双转子机构均不具备这样的要求。双转子机构要实现自转运动、公转运动、自转轴的轴向浮动、自转轴相对公转轴偏心率调节、以及研抛膜工作压力调节等多项内容，结构复杂，偏心质量大，如果提高公转转速，则过大的离心力将难以保证机构正常工作。如图5所示，本发明计了一种结构轻巧的行星轮式双转子研抛机构，克服了公转转速难以提高的缺点，一方面提高了机构的加工效率，另一方面，在扩大的转速比调节范围内，能够找到各种需要的去除函数，使得定量研抛加工时面型误差更容易收敛。其参数如下：转速比在100∶1～1∶-2之间连续可调，最大自转转速：3000rpm，最大公转转速：600rpm，偏心率：5～20mm连续可调，压力：0～5Kg线性连续可调。如图所示，本发明研抛加工时直接在Z轴工作台30上安装双转子研抛机构100，它包括公转轴112、自传轴105和研抛盘101，所述公转轴112通过公转轴承座113设置于连接板32上，为空心结构，由同步带109在公转电机108带动下旋转，减速比为2∶1。自传轴105由自转电机1110带动转动，研抛盘101装于自转轴105底端，采用万向联轴节102连接，使研抛盘101在15°范围内自由倾斜，可保证在工件表面不垂直于自转轴105时，研抛盘101始终和工件210表面相切。允许自转轴105绕轴向转动和沿轴向滑动串动，轴向滑动行程30mm。公转轴112和自传轴105之间通过偏心调整机构联接。偏心调整机构包括燕尾槽滑台107和回转轴106，其中燕尾槽滑台107上滑槽114部分装于公转轴112轴端，滑台部分通过回转轴106与自转轴105连接，回转轴106可使机构在公转运动时自转机构能够保持平动，避免产生绞线现象。回转轴106亦为空心结构，相应的在燕尾槽处开有通孔。为了减小偏心质量，自转电机110安装于双转子机构100基座上，自转电机110与自转轴105之间设有一软轴111，该软轴111一端与自转电机110输出轴固接，另一端穿过公转轴112、燕尾槽滑台107、回转轴106后与自转轴105连接，通过该软轴111传递自转运动。在软轴111和自转轴105连接处采用了一种滑槽结构，可保证自转轴105沿轴向滑动时软轴11不脱离自转轴105。本发明研抛膜的工作压力是由可由比例压力调节阀自动调节压力之小型气缸104提供的。气缸104安装于自转轴105轴座上，其活塞杆通过连接板103与自转轴105连接。气缸104的工作压力通过气缸104活塞杆、连接板103、自转轴105作用于研抛盘101上。该压力由一比例压力调节阀自动调节，并能保证加工过程中压力恒定。
本发明双转子研抛机构的结构参数如下：
·公转轴驱动方式：MSMA5A2A电机+384-3M15圆弧齿同步带，转速：0～600rpm；
·自转轴驱动方式：MSMA5A2A电机+软轴，转速：0～3000rpm；
·加压方式：CDU16-15D气缸+VY1A00-M5电气比例减压阀，行程：15mm，压力调节范围：0～5Kg；
·偏心调节：自制燕尾机构，可调范围：5～20mm。
如图1、图6、图7所示，本发明在机床上增加了独立的面型误差测量装置，用于面型误差的在位测量与补偿。如果直接用抛光的方法修正面型误差，则加周期很长。一般比较理想的是铣磨后精度达到1～2μm。这可以通过直接提高机床精度实现，但成本将成倍的提高。本发明在机床坐标轴上安装一个测量装置，用于面型误差测量，通过补偿以提高机床的加工精度。如图所示，在机床床身1上，设有一个气浮测量平台，它置于由一对半封闭式气浮滑块202和一条T字型导轨201组成，导轨201两端由立柱212支撑，轴线平行于Y轴导轨24，材料均为花岗岩。在这里将气浮测量平台运动轴线称为V轴，该平台轴线和Y轴平行，其直线度达到0.2μm。面型误差测量装置装于气浮测量平台上，它包括工作台203、自准仪214和可调整其位置的位移传感器206，工作台203固定于气浮滑块202上，自准仪214置于其上，位移传感器206通过传感器连接板205置于工作台203侧面，与工件210位置对应，传感器连接板205则通过Z向调整机构与工作台203侧面连接。由于测量平台沿Z向的直线度误差直接表现为测量误差，为了消除这一误差，通过自准仪214在线测量直线度误差，将该误差补偿至测量结果中，消除导轨直线度对测量精度的影响。测量方法是：自准直仪安装于气浮测量平台上，自准直仪的反射镜213装于气浮导轨201的一端，其镜面中心与自准仪214轴心线一致，当测量平台运动时，通过自准直仪测量平台在运动过程中的偏转角度，通过一套算法可以得到气浮测量平台的直线度误差。通过补偿，可使最终测量装置的精度达到0.2μm/400mm。这样，通过误差补偿，工件的铣磨加工精度可以达到2μm，该测量装置还可用于抛光阶段的面型误差测量与修正。
本发明位移传感器206可采用基于三角法测量原理的反射式激光位移传感器，量程±2.5μm，分辨率0.2μm。也可以采用接触式位移传感器。
本发明整体结构说明及工作过程：
机床整体结构为龙门式结构，床身1为大理石平台，水平放置。横梁28通过两个立柱22安装在床身1上方，在横梁28上安装Y轴工作台31，其轴线和床身1平面平行。X轴工作台35直接安装在床身1平面上，X轴轴线和Y轴轴线成空间垂直关系。在Y轴工作台31上安装Z轴37，Z轴37轴线垂直于床身1平面。X、Y、Z轴轴线成右手直角坐标系。在X轴工作台35上安装C轴转台34，C轴轴线和Z轴平行。X、Y、Z、C轴构成机床基本运动轴系，X轴用于移动工件的位置，Y轴、Z轴用于移动刀具(铣磨头和研抛机构)的位置。C轴用于安装工件，当C轴旋转时，便于加工回转体类工件。气浮测量平台在机床上的安装形式和Y轴类似，也是由两个立柱212支撑在床身1平面上，其轴线平行于Y轴。气浮平台安装在床身1平面的一端。
铣磨加工时，在Z轴37工作台上安装A轴33转台，A轴33轴线平行于X轴，A轴33转台台面上安装铣磨头(砂轮)，铣磨头(砂轮)轴线垂直于A轴33，并和Z轴工作台30台面平行，砂轮为杯型砂轮。通常铣磨头轴线相对于C轴转台34平面(工件)倾斜一角度，加工时依靠砂轮端面的一段外圆弧线和工件210接触进行磨削加工，这样在加工凹面工件时砂轮不会和工件发生干涉，也可以进行凸面工件的加工。在进行回转体类零件的加工时，C轴转台34带动工件210旋转，可以通过X、Z、C轴的组合进行加工，也可以通过Y、Z、C轴的组合进行加工。在后一种组合方式下，可以通过A轴33联动，使砂轮始终沿工件210法线方向加工，有利于保证加工精度。在加工非回转对称曲面时，可以利用X、Y、Z、A、C轴联动进行加工。
研抛加工时，从Z轴工作台30上拆下A轴33转台(含铣磨头)，装上双转子研抛机构100，研抛机构100的轴线(自转轴)和Z轴37轴线平行。在进行研抛加工时，调整Z轴37位置，使研抛盘101和工件210表面接触，并通过自转轴105预压一段距离。通过气缸104调整研抛盘101的工作压力，设置双转子研抛机构100的自转和公转速度，以及偏心率，即可进行研抛加工。这时研抛盘101在工件210表面的加工区域为圆形区域，区域半径为公转半径和研抛盘101半径之和。研抛盘101加工区域的中心位置的运动轨迹可以通过Y、C轴组合，X、C轴组合或者X、Y轴组合运动实现。在对工件表面进行定量研抛加工时，首先根据测量得到的工件面型误差数据，以及研抛盘101的去除函数，计算研抛盘101在工件表面各点的驻留时间，根据此驻留时间规划研抛盘101研抛区域中心的运动轨迹，然后控制机床运动，即可实现定量研抛加工。
工件210在X轴方向上有两个工位：加工工位和测量工位。当需要进行加工时，X轴工作台35移动到加工工位，使工件210处于刀具正下方。当需要进行测量时，X轴工作台35移动到测量工位，使工件210处于测量传感器206下方。
当测量工件面型时，先将工件210移动到测量工位，利用Z向调整机构204调整传感器206的位置，使工件210处于传感器206的测量行程内。测量时工件210旋转(C轴旋转)，传感器206沿气浮平台移动扫描工件210表面，记录测量点坐标(在气浮平台方向上传感器206测点距工件210回转中心的距离和工件210转动角度)和测量值，同时记录光电自准直仪214的读数。自准直仪214的读数用于校正因气浮导轨201直线度引起的测量误差。经过数据处理，可以得到工件的面型误差。