一種大口徑光學元件五自由度拋光機械手的制作方法

本發明涉及一種大口徑光學元件五自由度拋光機械手，適用于光學領域。

背景技術：

隨著空間光學技術、光束控制技術以及大型天文望遠技術的不斷發展，對大口徑光學元件特別是大口徑非球面光學元件的需求越來越多。目前，國內大型非球面光學元件的主流加工技術依然是傳統的經典修帶拋光加工技術，但是其加工周期較長。現代的計算機控制拋光(CCOS)技術、應力盤等加工技術的出現，能夠一定程度地提高大口徑光學元件的加工質量和效率，但是這些方法無一例外在很大程度上依賴于機床的精度，成為制約我國大型非球面加工技術發展的因素之一。

Li Junfeng等人2007年提出的多模式組合加工技術(Multi—mode Combine Manufacturing，MCM)為大口徑光學元件的加工開辟了一條新的路徑。根據光學元件面形檢測得出的誤差結果，MCM技術在相應的區域選擇適當的拋光頭數目、運動模式及參數，組合出合適的拋光去除函數，并多次迭代完成面形的收斂，有利于控制加工過程中產生的各種誤差，有效地提高了拋光效率和加工精度，特別適用于大口徑光學元件的研磨拋光。與現有的單模式加工方法不同，對工件進行多工位加工，全頻段控制誤差是MCM技術的顯著特點。因此，提供多種拋光頭運動模式和運動路徑，并適用于多工位加工的相關設備是多模式組合加工技術的重要保證。

技術實現要素：

本發明提出了一種大口徑光學元件五自由度拋光機械手，該機械手五自由度聯動可以提供MCM技術所需運動模式和路徑，采用柱坐標結構所占空間位置小，便于多個工位同時展開工作。

本發明所采用的技術方案是：

所述機械手的拋光頭系統采用平轉動的運動方式，氣動加壓，Z軸浮動，拋光模與磨頭軸采用球鉸加撥銷柔性連接，位于磨頭軸上方的螺桿可以調節偏心距。首先平轉動運動方式不僅能夠產生中心有峰值的平滑曲線，而且由于拋光盤平動，拋光盤在一個轉動周期內所覆蓋的光學表面的梯度變化最小，有利于拋光盤與工件表面吻合；氣動加壓與Z軸浮動，在產生穩定的拋光壓力的同時，使拋光模隨工件表面矢高實時變化，且此軸無需數控，簡化了機械手本體的結構和控制系統；拋光模與磨頭軸之間球鉸加撥銷的柔性連接保證了拋光模與工件表面實時吻合，在設計時，在保證拋光模基體剮度的前提下，h值應盡可能小，將壓力方向的變化降低到最小值。

所述拋光頭系統中采用Z軸浮動結構，因此在操作機本體設計中不考慮Z軸方向的直線運動。整個拋光機本體采用柱坐標方式，轉動參量θ₁、移動參量d₃和Z軸浮動量d₅確定拋光頭的位置；轉動參量θ₂和θ₄只確定拋光頭的姿態。

所述腰部轉動θ₁由伺服電機帶動諧波齒輪副實現；腰部上端裝有伺服電機，驅動蝸輪蝸桿副帶動臂部固定套實現轉動θ₂；臂部左端伺服電機帶動精密滾珠絲杠一螺母副實現臂部固定套與移動套之間的移動，為防止二者之間有相對轉動，移動套外圓銑有花鍵與固定套內圓上花鍵組成導向裝置；移動套右端經鉸鏈與拋光頭系統連接，由電機帶動絲桿絲母傳動，通過絲桿的伸縮實現拋光頭系統的轉動只；整個機械手安裝在移動基座頂部，基座可以手動升降，以適應不同工作臺高度和不同厚度的光學元件。

通過θ₁，θ₂，d₃，θ₄，C聯動和浮動可以實現各種光學表面的加工。在進行環帶加工徑向運動時θ₁，θ₂，θ₄只起輔助定位作用，只需臂部移動d₃。因此單純的修帶拋光機械手可以將轉動θ₂取消，將轉動吼改為手動，這樣可以大大地減化拋光機械手的機械結構和控制系統。

本發明的有益效果是：該機械手五自由度聯動可以提供MCM技術所需運動模式和路徑，采用柱坐標結構所占空間位置小，便于多個工位同時展開工作。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的拋光頭系統結構簡圖。

圖2是本發明的機械手結構簡圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，機械手的拋光頭系統采用平轉動的運動方式，氣動加壓，Z軸浮動，拋光模與磨頭軸采用球鉸加撥銷柔性連接，位于磨頭軸上方的螺桿可以調節偏心距。首先平轉動運動方式不僅能夠產生中心有峰值的平滑曲線，而且由于拋光盤平動，拋光盤在一個轉動周期內所覆蓋的光學表面的梯度變化最小，有利于拋光盤與工件表面吻合；氣動加壓與Z軸浮動，在產生穩定的拋光壓力的同時，使拋光模隨工件表面矢高實時變化，且此軸無需數控，簡化了機械手本體的結構和控制系統；拋光模與磨頭軸之間球鉸加撥銷的柔性連接保證了拋光模與工件表面實時吻合，在設計時，在保證拋光模基體剮度的前提下，h值應盡可能小，將壓力方向的變化降低到最小值。

如圖2，拋光頭系統中采用Z軸浮動結構，因此在操作機本體設計中不考慮Z軸方向的直線運動。整個拋光機本體采用柱坐標方式，轉動參量θ₁、移動參量d₃。和Z軸浮動量d₅。確定拋光頭的位置；轉動參量θ₂和θ₄只確定拋光頭的姿態。

腰部轉動θ₁由伺服電機帶動諧波齒輪副實現；腰部上端裝有伺服電機，驅動蝸輪蝸桿副帶動臂部固定套實現轉動θ₂；臂部左端伺服電機帶動精密滾珠絲杠一螺母副實現臂部固定套與移動套之間的移動，為防止二者之間有相對轉動，移動套外圓銑有花鍵與固定套內圓上花鍵組成導向裝置；移動套右端經鉸鏈與拋光頭系統連接，由電機帶動絲桿絲母傳動，通過絲桿的伸縮實現拋光頭系統的轉動只；整個機械手安裝在移動基座頂部，基座可以手動升降，以適應不同工作臺高度和不同厚度的光學元件。

通過θ₁，θ₂，d₃，θ₄，C聯動和浮動可以實現各種光學表面的加工。在進行環帶加工徑向運動時θ₁，θ₂，θ₄只起輔助定位作用，只需臂部移動d₃。因此單純的修帶拋光機械手可以將轉動θ₂取消，將轉動吼改為手動，這樣可以大大地減化拋光機械手的機械結構和控制系統。