CN1192710A - 光学抛光的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种用以局部光学抛光工件的精研工具,该工具具有一柔性工作表面,其特征在于具有一个在使用中借助于工具的不同工作表面区来有选择地改变作用于工件上的压力,从而改变与工件的有效接触面积的装置。一种采用精研工具光学抛光光学工件的方法,该精研工具的最大工作表面积显著小于工件,该方法包括确定该工具在工件上移动的步距,并确定该工具对工件的压力和有效接触面积,以便获得一下抛光步骤,以便实现下一抛光步骤,然后驱动该工具移过该步距,同时动态改变所述施加的压力与有效接触面积。用以在诸如光学工件的大致扁平构件上导向诸如光学抛光工具的物体的装置,包括使该物体受控移过该构件表面的三维驱动机构,以及一根连结该驱动机构与该物体致使该物体限于围绕一实际回转点作回转运动的回转连杆,该回转点相对于该驱动机构是固定的,并处于该物体与该工件的界面上。

Description

光学抛光的方法与装置

本发明主要涉及光学表面的光学抛光、精研或修琢，在球面或非球面和具有异常形状的大尺寸镜子生产中是特别有用的。然而，这里所公开的某些装置具有更广泛的应用，诸如机器人手臂相对于一般平滑表面的精确运动。

由本发明提高的完美制定的工艺过程包括利用游离的容料或在软基体中的容料颗粒来进行研磨、抛光和修琢。采用一垫衬或研容盘将容料作用于工件。“修琢”是连续地抛光，局部作用于表面，使表面高度产生极精细的变化。

该“工具”是机器的一部分。它装有垫衬，垫衬将容料作用于工件。该垫衬的直径通常被称作该工具的直径。该工艺过程通常是湿式的。经过若干次抛光后，清理该工件，并进行光学检验。该光学检验是鉴定该表面的虽经抛光但不正确地高于所希望的轮廓的部分。在该高区择优进行进一步的抛光。这通常采用改变抛光垫的压力和速度的方法来实现。可能需要无数次的努力来减小误差，因此该过程是反复的。

本发明旨在提高该重复过程的速度和精度。本发明提供一种新式的局部抛光的工具，使一种快速、自动，计算机控制的机器能适用于宽广范围的具有光学品质表面的产品。

对于非球形(部分球形)表面，反复修琢是一个很长的过程。人们一直在努力使从前的手工艺机械化，其中有些已经成功(见下面)，但迄今没有提供一种使手工艺具有通用性的技术。大的和小的工具存在不同的问题。

一方面，用大工具可获得最佳的品质。它们通常能符合所希望的球形表面。然而，这些工具是为特定的工件制造和改造的，并且常常以昂贵的研究与发展的角度来运用的，只有设计它们的工程师能使用它们。

另一方面，小工具可更精确地模拟手工抛光，并具有通用性。不幸的是，如果它们被自动操作，则它们往往会产生残留的缺陷，这些缺陷难于用同样的工具来消除。例如，工具刃可产生许多比工具本身窄的凸脊和凹槽。在光学检验中是可以看到它们的，然而，试图用相同工具来消除它们则可能会产生一批新的类同的略微改变位置的缺陷。更换工具会产生其它各种问题。利用在每转中逐渐减少加工，即采用工具的缓慢退出(feathered-out)行程来消除由工具引发的缺陷是很慢的。这些问题，虽然不使工艺过程失效，然而大大地延长了一连串的反复，并增加了总的复杂性。本发明的有利方面，在连续控制下，能提供一种渐缩减小动作，它不产生尖棱，并具有各种各样的玻璃切削功能外形。

美国专利US 4,128,968(1978)描述了一种自动抛光机，其中，小工具刃的效应借助于工具的局部辅助运动来减小。当该小工具在适当位置上高频脉动时，该接触面积的中心被连续地抛光，但该面积的边缘抛光不足。该“切削外形”被规定为沿圆周是对称的。该工具具有一种运动模式，沿整个表面它可以是螺旋形的。该工具本身沿一辅助轴线可以旋转，该辅助轴线可以是工具的局部轴线。高频脉动是整个工具操作的方法或模式，它试备消除在别的情况下出现的误差。它在软件方面是过时的：能最恰当地计算该工具的运动模式以改善各别工件，而不是产生一种任意的循环削切外形，这是不必要的。同样，高频脉动效应不可避免地使局部抛光面积扩大，这又是不必要的。

US 5,157,878(1992)描述了一种由顶压工件的运转带组成的抛光工具。

英国专利申请UK 2259662(1993)描述了一种能复合非球面柔性焦距透镜组的机器，它类似于一种多轴线研容机，以不确定的抛光头代替切割头。

亚利桑那大学和伦敦学院描述了一种具有直径大约为工件直径一半或多于一半的复合工具的机器。该工具的整个工作区跟工件在任一时刻基本上保持有效接触。该工具的倾角由它与工件的接触所限定。D.D Walker等人的“采用快速修琢的高度非球面第二代镜子制品”，电子设备供应局会议和专题研究集文集(ESO Conference and Worshop Proceedings)第42期；第215-218页，ESO Garching，1992年4月27-30，公开了一个例子。

蔡司工厂描述了一种具有细长复合工具的机器，工具的长度约为工件直径的一半。如上述大工具的情况那样，该工具的工作区跟工件在任一时刻基本上保持有效接触。该工具的倾角由它与工件的接触所限定。在他们的专利中请GB-A-2163076中，该复合工具基本上与工件共同扩展。

在所附的独立权利要求中限定了本发明。

本发明提供一种用以局部光学抛光的工具，包括一个力、压力或位置的主驱动器，它将工具所施压力的可控中央增强区作用于工具有效区内的工件上，这样，在工具的整个区域内，工具和工件的接触面积(一给定的有效抛光压力作用在该面积上)是可控的。

由工具施加于工件的总力可以控制。通过调整总的力和压力逐渐减小率，该压力在处于工具面积内的可控名义边界上(包括一圆周)可逐渐减小到零。该工具可被这样制成和操作，使其抛光压力的内部分布具有单个峰值。在某些这样的实施例中，在有效直径外的工具刃可被提升到避开工件。

本发明可被这样操作，使施加于工件的压力自工具的中心向边缘逐渐减小到某一较低的压力值，而不必在工具范围内降到零。自工具中心至边缘的压力逐渐减小率是可控的。在某些这样的实施例中，工具边缘的抛光压力能减小到该工具区域内峰值压力的10％以下。其总的压力分布可大致相当于高斯截短曲线分布。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，包括一个力、压力或位置的主驱动器和一个或多个另外类似的驱动器，这样，由该工具名义上施加于工件上的中心压力或由该工具名义上施加于工件上的总力能不依赖于逐渐减小的压力作用而得到控制。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，在抛光面上它的曲率半径是可控的。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，包括一个主驱动器和三个另外的位置驱动器，这样，工具相对于工件的攻角是可控的。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，其中所有所述的参数随着该工具的抛光均是动态可控的。

该工具的直径一般小于工件直径的25％。

由该工具施加的压力分布可以是轴向对称的。

该工具可安装在从动轴承上，该轴承能以各种可控速度以任何希望的运动模式使工具掠过工件。

该工具能安装在一根辅助机动心轴上，该轴可以处在工具的一根对称轴线上。该工具可作为心轴抛光云云的部件在其上可控旋转。

该工件可安装在连续转动的器转台上。

该工具被驱动能以某种方式移过一固定工件，这种方式如工件在转动时赋以同样有效的工作。

为了更清楚理解本发明，现在参照附图仅作为例子叙述一些实施例，其中：

图1A是通过体现本发明的精研工具的部分的简略轴向剖视面；

图1B是在各1A所示的工具内横向配置的弹簧的平面图；

图1C在图1A的工具内的一组圆形压力环的平面图；

图2是通过本发明另一实施例的精研工具的轴向剖视图；

图3是相应于图2实施例的图2视图的简略剖视图，更清晰地表示工具头的支承装置；

图4是沿图3A-A线的简略剖视图；

图5是相应于图2的简略剖视图，表示工具的工作部呈不同的形状；

图6表示图5工具柔性工作面在使用中显示作为自工具中心开始的半径的函数的压力分布的曲线图；

在图1中图示了本发明的一个例子。由保持间隔的垫衬(7)产生抛光动作。工件(未示)与间隔垫衬的下侧保持接触。

这些间距垫衬粘于一不锈钢膜片(6)上。

该薄膜粘于聚氯丁橡胶，橡胶或塑料或这些物质的泡沫材料的可压缩层(5)上，并由其支承。在该可压缩层的上侧，粘有另一不锈钢膜片(4)。由一组圆形压力环(8)对该上膜片施加压力。圆形压力环(8)点焊于一个八臂扁平弹簧(9)上。

用轮廓(1)表示一主驱动器，在这里要详细加以叙述。它是一种机动螺旋驱动器，取市场上可买到的步进马达的形式，具有一个中空的制有螺纹的驱动垂直柱塞的转子。该柱塞本身跟连于该柱塞工作端(下端)的压簧一起伸展。一种市场上可买到的标准负荷传感器安装在压簧内。该主驱动器能使该工具的工作区中心内的压力随着该驱动器垂直向下作业而增加。

刚性环(4)钎焊于八臂弹簧(9)的上侧。所示边缘驱动器(2)是3个成角度间隔的边缘驱动器中的一个，这3个驱动器用按上面就主驱动器(1)所述的类同方法制造。它们是沿圆周等间距的，并对刚性环(3)进行推或拉。它们同样装有负荷传感器，并和主驱动器(1)一起用于控制下间隔面的倾斜及总压力与形状。

该工具被包封在带入口盖(12)的铸铝壳体(10)内，该盖实际上带有电气接插件和导线(未示)。该壳体(10)有一支承法兰或凸耳(11)。

该步进马达借助于带功率放大器级的标准集成电路步进马达控制器用计算机驱动。由负荷传感器指示的力值对借助于标准模-数转换器的计算机是有用的。

该工具通过法兰或凸耳(11)安装在两个由步进马达和齿条与齿杆机构驱动的相同十字滑块上。该驱动装置也可包括用以旋转工具的装置，而如果这样的话，还包括对工具供电的滑环。该工具向下作用在工件上的总力处在每平方厘米工作面积8至50克的范围内。

工具运动的有效控制器包括由工具施加在工件，例如镜子上的压力分布控制器和工具相对于该镜子的运动(冲程，转动)速度分布控制器。如在标题为“采用快速精研的高度非球面第二代镜子的制造”的上述我们的论文中较充分公开那样，当该机器运转时该控制器采用反馈工作。该机器遥测在该工具和镜子之外的压力分布，相对速度分布及工具(精研)上的总侧向摩擦力(阻力)。通过标订，可以反馈容削率，并且在抛光期间对于镜子表面上的每一点都可以这样重复地进行。将这些容削率综合起来以估算镜子形状是如何逐渐演变的，这被显示出来，并适当地改变负荷样式。在每一过程结束时，不仅将视觉图像和所希望的图像比较，而且将预计的变化和观察到的变化比较。然后相应调整决定容削的规则系统，这样，该装置便记忆了。

现在参照图2-6叙述本发明的第二实施例。该工具(未示)连于一柔性膜片1上，膜片固定在工具头2上。该工具头围绕空心轴4在轴承3上旋转，并经金属波纹管柔性联接器被驱动，该波纹管能使该工具受轴向负荷。空心轴内的腔道能使柔性膜片背面的空气压力得以改变。

柔性联接器5用滚花螺帽6连于旋转滑轮7上，该螺帽允许不同尺寸的工具杆相互互换。该滑轮安装于球轴承8上，由小滑轮10经齿形皮带9驱动，小滑轮又由独立安装的电马达(未示)经柔性轴11驱动。

该滑轮驱动件总成安装在板12上，后者又经两个各铰接于板13一端和板12一端的连杆14连于一中间安装板13上。这些连杆限定了板12的轴线，因而限定该工具围绕接近工具中心的实际回转点P在附图平面内摆动。在图3中也表示了该机械连杆，只是大概的，并不是按比例画的。在图4的垂直剖视图中表示的辅助连杆24是这样配置的，使在该垂直平面内能有类似的运动，工具的相对运动被限制为围绕实际回转点P的摆动运动。由两个联于位置传感器(未示)的双作用液压油缸15(仅表示出一个)控制倾斜，使工具角度能利用输到控制回路的位置信息反馈被精确调整。

固定的中空轴4连于被限于相对于刚性壳体25轴向运动的负荷杆16上，壳体25经挠性支承件17连于板12。由负荷杆16加于轴4，从而加于工具的轴向力由电磁线圈18经测量该力的负荷传感器19调整。施加于工具的实际力会不同于所述轴向力，这是因为两者均沿轴向作用的柔性支承17和波纹管联接器5的弹簧系数所致。位置传感器20在该例中为线性可变差动变换器LVDT(liner variable differential transformer)，测量负荷杆的轴向运动并提供一个据此能确定轴向弹簧力的信号，用以校正该负荷传感器读数。

通过跟工件的摩擦施加于工具上的侧向力由安装于负荷杆16上的应变含仪21测得，负荷杆局部变细，因而按照该力而弯曲。

柔性管22连于负荷杆16中的中心腔道，并供以空气以压缩柔性膜片1。如下面所述，该压力是受控的，而该压力空气由标准泵(未示)供给。然而，应当理解可采用包括各种液体的其它流体。

在该第二实施例中，抛光接触面的改变是在计算机控制下面算得的柔性工具压缩量来实现的。作为例子说明的该方法的一个效应是，该抛光压力在接触区和总力的范围内被大致保持不变。

在图2中，该柔性工具被表示为一种由空气吹胀的橡胶膜片。其直径为50毫米，厚2毫米，相应于直径为250毫米的工件，或较大或较小，和工件尺寸成正比，或相应于抛光较大或较小的表面积。该膜片用计算机控制的压力吹胀，或临时或永久地密封，以便使其鼓胀。该空气压力相当接近于所要求的抛光压力。该工具在工作侧的鼓胀处包以抛光材料，例如，该抛光材料可由织物，毡，聚氨酯泡沫材料或镶嵌在织物上的间隔扇形体组成，并可胶接于该膜片上。该材料能以普通方式外加精细容料来抛光。该工具在计算机控制下由所述机器移向工件，到自第一接触区延伸的各个位置，然后逐渐接近，这样，该鼓胀处受压缩，使接触面积逐渐增加。在图5中，非常简略地表示了这一结果。当上述情况出现时，鼓胀的空间受到压缩，但当其容积减少10％以下时，其空气压力增加10％以下。因此，由空气压力确定的抛光压力恒定在10％范围内。当以这种方式得到所要求的接触面积时，该工具和工件以任何要求抛光的方法由计算机控制的马达转动或移动。

可以不同的方式来应用该工具。在此情况下，该工具被加压或部分抽空，从而使该膜片接近于工件平均曲率半径(凹或凸)。该空气压力然后被稍微调整以产生由全部(或部分)与工件接触的工具表面施加的压力分布。增加的空气压力会产生一种朝工具中心增加的压力分布。其实际压力分布由空气压力和橡胶张力两者支配。选取橡胶厚度沿径向适当地变化，可以获得一种在与工件接触面积边缘处逐渐减小到零的压力分布。在图6中简略表示了这一情况，显示压力随半径的分布。相反，减小空气压力，可获得一种类似于环形抛光的效果。

该机器在三个正交的机动滑道上装有该工具。它们按所述方法在计算机控制下能相对于工件改变工具的位置。此外，借助于电磁线圈驱动器18可达到位置和力的快速变化。通过采用柔性件17而不是工具内的滑道，可减少由摩擦引起的误差。

对工件施加的总力(压力乘以面积)随接触面积的增加而增加。该总力由负荷传感器编码。当用负荷传感器测量时，所施加的力可和自该位置上预计的力比较，以便如上所说来确认该操作，其它的负荷传感器，诸如应变仪21，将沿平行于工件表面方向的抛光力进行编码。

在抛光期间，玻璃切削(磨削)率取决于若干因素，包括压力，速度和工具的侧向阻力。从负荷传感器读数获得的力值对计算机是有用的。工具的位置由上述三个正交的机动滑道和旋转支承该工件的位置所决定，工件的旋转位置也被编码。旋转工具(若采用的话)的速度根据马达电流或旋转编码器估算。因此，该计算机能以相对于工件的各种已知速度驱动该工具。

实验的物理定则限于特定的工件。按照这些物理定则，容削率正比于压力，速度和抛光时间的乘积，即阻力，速度和时间的乘积。在工作起始点上，该比例常数是估算的，为做到这点，在部分工件面积上于工作周期前后采用通常的视觉测定来测量玻璃切削率。由于在现时条件下确定物理定则，计算机便能用数字螺计瞬时容削率，因此，能估算工作时玻璃实际切削的轮廓图形。可利用估算的轮廓图形来满意地接近所要求的结果。该比例常数在逐次的工作循环中能被重新决定。

可增加通过高区的范围的时间来择优地容削这些高区，这是转动工具的熟知工艺方法。

利用本发明的优点，计算机驱动能把工具定位在工件的高点上，并调整工具的接触面积，使与高点配合。这样，在无须同时减低周围面积的情况下能通过抛光来降低高点。如果没有本发电，在靠近于高点或高点周围的区内会进行错误的加工，而使这些区内的表面太低。因为玻璃不能被增加，低区比原来的高点更难于切削，因此低区的存在可能需要抛光所有其它的表面。

测量施加于工件上的力的另一方法是利用支承工件的(而不是工具)的负荷传感器。工件通常处于普通的回转台上，并采用这样的结构，使负荷传感器可处在回转台和工件之间。这些负荷传感器可随工件一起转动，并借助于一些滑环经一根驱动工件的轴向管轴与工件保持电连接和/或进行光导无场空间数据传输。

可为一台机器制造各种各样的工具，而工具的最大接触面积通常小于特定抛光表面积的四分之一。还可以这样制造橡胶膜片，使其在零压力下保持平面或曲面。为使施加的压力在隆起接触面积的边缘逐渐减小，可采用厚度增加的橡胶膜片。同样，该橡胶可具有非均匀的厚度。

可选择地包括一种用以使工具绕其轴线旋转的装置。当需要增加抛光速度时它参加工作。

第二实施例还包括一种使工具以需要的攻角直接对准工件的方法。能常，该攻角是这样设置的，使工具的轴线在中心接触点处和抛光表面正交。然而，包括了非正交轴线的选择方案，在此情况下，靠近或在工具边缘处发生抛光动作。该控制工具攻角的方法是作为实际要点来描述的，如上相对于图2至4所说。它包括一些铰接的板或杆，它们被配置的驱动来使工具总成的其余部分大致围绕工具接触区中心摆动。该实际要点的优点在于无须使工具摆过工件，便能改变其攻角，犹如该摆动中心和工具有间距时会出现的那样。此外，抛光工具对改变攻角的驱动器的摩擦阻力的反作用很小或没有，从而使驱动器所需的力减至最小。

虽然通过两台用以光学抛光的主机举例说明了本发明，然而也可能有按所附权利要求书中所限定的本发明的其它实施例。该实际要点的一些优点能适用于宽广的装置范围，诸如机器人的腕关节。可采用许多改变抛光工具接触面积和压力图形的其它方法，而不限于所给的液压、气动或弹簧机械的例子。

Claims (21)

1.一种用以局部光学抛光工件的精研工具，具有一个用于接触一垫衬或研容盘的柔性工作表面，其特征在于有一个借助于工具的不同工作表面区来有选择地改变在使用中所用于工件上的压力，从而改变与工件的有效接触面积的装置。

2.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于该压力自工具中心区内的最大值逐渐减小到在有效接触面积周边处的零。

3.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于该压力具有一个峰值，并朝有效接触面积的边缘逐渐减小。

4.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于在应用中施加于工件上的压力图形呈截短的高斯曲线的形式，在工具中心具有一最大值。

5.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于包括至少一个用以提供作用于柔性工作表面一部分上的轴向力以便产生所述有选择的压力变化的驱动器。

6.一种按权利要求5所述的工具，其特征在于包括至少另一个被配置来在横向间隔于所述驱动器的柔性工作表面的一个区上保持轴向力，以便进一步控制所述有选择的压力变化的驱动器。

7.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于该工具包括一个支承该柔性工作表面的头部和用以使该头部围绕一个在正交于该工作表面的轴线上的固定构件的装置。

8.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于该柔性工作表面被支承于一膜片上，膜片的厚度，因而其弹簧常数沿其面积变化，以有助于在使用中作用于工件上的压力分布。

9.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于它围绕其轴线是圆周对称的，因此，其工作面是圆的，其有效工作面先使用中也是圆的。

10.一种按权利要求1所述的工具，其特征在于该柔性工作面由一在包括一流体腔的刚性支承件上面的膜片支承，其配置是这样的，该流体腔内的流体压力，它可低于或高于外界压力，改变该工作面的凹凸度，从而有选择地改变在使用中由不同的工作面区作用于工件上的压力。

11.一种按权利要求10所述的工具，其特征在于该膜片的厚度沿其面积变化，以便在使用中形成所选择的凹凸形工作面轮廓。

12.一种按权利要求10所述的工具，其特征在于还包括用以施加流体压力于所述流体腔的装置。

13.利用按上述任一权利要求所述的显著小于所述工件的工具用以光学抛光工件的装置，包括在工件上方导向工具并对该工具施加工作压力的装置；用以控制该装置的所述压力变化装置以选择与工件的有效接触面积的控制装置。

14.利用按上述任一权利要求所述的显著大于所述工件的工具用以光学抛光工件的装置，  包括在工具上方导向工件并以工具的压力作用于工件的装置，以及用以控制该工具的所述压力变化装置的装置，以便改变该工具的工作面形状来符合工件的形状，这样，该接触面积是平滑的。

15.一种采用精研工具光学抛光光学工件的方法，该精研工具的最大工作表面积显著小于工件，该方法包括确定该工具移过工件的步距，并确定该工具对工件的压力和有效接触面积，以便实现下一抛光步骤，然后驱动该工具移过该步距，同时动态改变所述施加的压力与有效接触面积。

16.一种按权利要求15所述的方法，其特征在于该工具是按权利要求1-14的任一权利要求所述的。

17.一种用权利要求15或16所述的方法制造的镜子，其特征在于可以是球面的，非球面的和/或偏心的。

18.用以在诸如光学工件的大致扁平构件上导向，诸如光学抛光工具的物体的装置，包括使该物体受控移过该构件表面的三维驱动机构，以及一根连结该驱动机构与该物体致使该物体限于围绕一实际回转点作回转运动的回转连杆，该回转点相对于该驱动机构是固定的，并处于该物体与该工件的界面上。

19.按权利要求18所述的装置，其特征在于该回转连杆包括一中间体件，或者经一个第一枢轴结构枢接于该物体，并经一个第二枢轴结构枢接于该驱动机构，该第一与第二枢轴结构在包含所述实际回转点的两正交平面内分别限制其相对运动。

20.按权利要求19所述的装置，其特征在于该第一回转结构包括两个臂，它们分别在一个点上铰接于该中间体件，而在另一个点上链接于该物体；第二回转结构包括两个臂，它们分别在一个点上铰接于该中间体件，而在另一个点上铰接于该驱动结构。

21.用以光学抛光静止工件的装置，包括用以驱动一个显著小于该工件的精研工具以预定的步距在该工件表面上移动的装置；一个耦合该驱动装置和工具，使工具作受控轴向位移，以便将工具通常偏压到工件上的轴向驱动器，该驱动器具有一个用以检测所述位移的轴向位置检测器，和一个用以检测所述轴向偏压的轴向力检测器，其中该驱动器包括一根将轴向偏压力自该驱动装置经该轴向力检测器传递给工具的直立轴，该直立轴被柔性支承装置保持在连接于驱动装置的壳体内，该柔性支承装置限制该轴作轴向运动，并作用一个作为所述轴向位移函数的弹簧力；用以根据所测位移确定所述弹簧力的装置；和用以按照所述确定弹簧力的数值校正轴向偏压测量值的装置。

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