大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置及加工方法与流程

本发明涉及光学元件精密加工设备技术领域，更具体的说是涉及大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置及加工方法。

背景技术：

随着激光技术的不断发展，大型高功率激光装置作为现代激光技术的一个重要分支，在惯性约束聚变研究方面有着重要的应用，如美国的国家点火装置(nif)、法国的兆焦耳装置(lmj)等。作为世界上最大、最精密的光学系统，在大口径光学元件数量、质量方面，高功率激光装置所提出的要求比迄今为止任何光学系统都高出许多，大口径光学元件的批量化、高精度、低成本制造，是目前国际上光学加工领域普遍面临的工程技术问题。

而高功率激光装置上使用的大口径光学元件，其超精密加工的第一个流程就是坯片的精密成形，坯片的精密成形包括四条侧边的精密成形加工以满足指定的长宽尺寸和侧边垂直度要求，四条侧边之间的夹角的加工以达到指定的宽度、光学工作表面(一般为平面或斜面)的加工以满足指定的平面度和缺陷要求、所有棱边的成形加工以达到指定的宽度及满足指定的崩边要求。而目前采用已有的大口径光学元件精密成形技术，一般在坯料熔融成形后使用金刚石丝线进行锯切获得坯板，然后分别采用侧边铣磨机床对四条侧边进行铣磨加工至指定尺寸精度和垂直度精度，采用平面铣磨机床对工作表面进行铣磨加工至指定平面度要求，以及采用油石对元件的所有角、棱边进行手工修磨获得指定的倒边倒角宽度。由此可见现有技术中需要多种精密铣磨设备的硬件支持，元件装夹调整繁琐，人工操作效率和质量难以得到有效保证，已逐渐不能满足越来越大的工程应用需求。

因此，如何提供一种降低操作调整的复合成形磨削装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，解决了现有技术中光学元件坯片精密成形加工时，需要多种精密铣磨设备的硬件支持，元件装夹调整繁琐，人工操作效率和质量难以得到有效保证的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，包括：

床身，

x方向传动机构，x方向传动机构沿x轴方向固定于床身上；

工作台，工作台沿x轴方向与x方向传动机构可滑动连接；

真空吸盘，真空吸盘固定于工作台顶部，用于吸附固定元件；

y方向传动机构，y方向传动机构沿y轴方向固定于床身上；

z方向传动机构，z方向传动机构沿y轴方向可滑动于y方向传动机构上；

b轴旋转机构，b轴旋转机构一端沿z轴方向可滑动于z轴方向传动机构上；

主轴机构，主轴机构一端固定于b轴旋转机构另一端，且其轴线与b轴旋转机构轴线垂直；主轴机构另一端绕y轴方向可摆动，

磨削部，磨削部固定于主轴机构另一端上，且与工作台位置对应；

控制系统，x方向传动机构、真空吸盘、y方向传动机构、z方向传动机构、b轴旋转机构及主轴机构均与控制系统电性连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，由于控制系统通过控制x方向传动机构，y方向传动机构，z方向传动机构及b轴旋转机构实现了四轴三联动，并且主轴机构能够绕y轴方向摆动，能够在同一床身上，完成光学元件不同部位的磨削，无需更换机床，频繁装夹元件，操作效率高，进而保证了元件磨削的效率。

其中主轴机构中包括主轴、主轴电机、连接部件等，控制系统电性连接主轴电机，实现主轴转速控制。磨削部为砂轮，根据不同的工艺要求，可以更换不同规格及类型的砂轮。

优选地，床身包括x轴方向床体和y方向床体，x轴方向床体和y方向床体构成t字形，x方向传动机构固定于x轴方向床体上，y方向传动机构固定于y方向床体上。床身采用t字形布局，可以在获得相同的整机刚度、精度的情况下，降低设备制造成本，减少占地空间，结构紧凑，易于实现联动控制。

优选地，x方向传动机构包括x轴导轨、x轴滑块、x轴伺服电机、x轴同步带组件、x轴丝杠及x轴丝杠螺母；

x轴导轨固定于x轴方向床体上；

x轴滑块连接于工作台上，且其底部与x轴导轨可滑动连接；

x轴伺服电机固定于x轴方向床体上，与控制系统电性连接，其输出端通过x轴同步带组件带动x轴丝杠转动；

x轴丝杠螺母套接于x轴丝杠上，且固定于工作台底部。采用此方案x轴导轨和x轴滑块可实现为工作台导向；并通过x轴伺服电机、x轴同步带组件、x轴丝杠及x轴丝杠螺母实现工作台沿x轴方向的动力供给。

优选地，y方向传动机构包括y轴导轨、y轴滑块、y轴伺服电机、y轴同步带组件、y轴丝杠及y轴丝杠螺母；

y轴导轨固定于y方向床体上；

y轴滑块连接于z方向传动机构，且其底部与y轴导轨可滑动连接；

y轴伺服电机固定于y方向床体上，与控制系统电性连接，其输出端通过y轴同步带组件带动y轴丝杠转动；

y轴丝杠螺母套接于y轴丝杠上，且固定于z方向传动机构底部。

采用此方案y轴导轨和y轴滑块可实现为z方向传动机构导向；并通过y轴伺服电机、y轴同步带组件、y轴丝杠及y轴丝杠螺母实现z方向传动机构沿y轴方向的动力供给。

优选地，z方向传动机构包括z轴基座、z轴立柱、z轴导轨、z轴滑块、z轴伺服电机、z轴同步带组件、z轴丝杠及z轴丝杠螺母；

z轴基座底部固定y轴丝杠螺母，且沿y轴可滑动连接；

z轴立柱与z轴基座一体连接；

z轴导轨固定于z轴立柱上；

z轴滑块连接于b轴旋转机构，且其底部与z轴导轨可滑动连接；

z轴伺服电机固定于z轴立柱上，与控制系统电性连接，其输出端通过z轴同步带组件带动z轴丝杠转动；

z轴丝杠螺母套接于z轴丝杠上，且固定于b轴旋转机构一侧。

采用此方案z轴基座通过z轴导轨和z轴滑块沿z轴立柱可滑动，并通过z轴伺服电机、z轴同步带组件、z轴丝杠及z轴丝杠螺母实现b轴旋转机构沿z轴滑动的动力供给。

优选地，b轴旋转机构包括b轴基座、b轴横梁、b轴、b轴伺服电机及轴承；

b轴基座一侧面固定z轴丝杠螺母，且沿z轴方向可滑动；

b轴横梁与b轴基座一体连接；其两端均设置有轴承安装座；

轴承包括两组对应安装于轴承安装座内；

b轴两端对应插接于两组轴承中；且其轴线与主轴机构轴线垂直，其一端与主轴机构一端固定；

b轴伺服电机固定于b轴横梁上，与控制系统电性连接，且与b轴另一端动力连接。

采用此方案，由于b轴横梁上设置有轴承，b轴在b轴伺服电机的带动下可转动，因此带动与b轴一端固定的主轴机构实现摆动，方便磨削部与元件贴合实现磨削。

优选地，b轴伺服电机采用中空轴伺服电机，其固定于b轴横梁上，b轴贯穿中空轴伺服电机内；采用此方案有利于中空轴伺服电机精确控制b轴转动，提高控制精度，进一步增加磨削精度控制。

本发明还提供了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置的加工方法，控制系统内部预设光学元件坯件精密成形加工数控程序，控制系统根据光学元件坯件精密成形加工要求控制大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置各机构配合联动，实现光学元件坯件的侧边磨削、倒角磨削、倒边磨削及斜面磨削。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明还提供了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置的加工方法，控制系统根据光学元件坯件精密成形加工工序控制大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置各机构配合联动，实现了四轴三联动，并且主轴机构能够绕y轴方向摆动，能够在同一床身上，完成光学元件不同部位的磨削，无需更换床身，频繁装夹元件，操作效率高，进而保证了元件磨削的精度。

优选地，侧边磨削及倒角磨削均包括以下步骤：

将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，并保证元件侧边与床身的运动轴平行；将圆柱形金刚石砂轮安装在主轴轴端，并通过修整以达到一定的圆周跳动误差和一定的轮廓轴向平行度误差；

控制系统控制圆柱砂轮的外圆周面，缓慢靠近元件的侧边或角部，直至接触，并设置加工坐标系，完成对刀；通过数控程序，控制磨削部磨削轨迹，直至元件的尺寸满足工艺要求。

优选地，倒边磨削包括以下步骤：

将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，并保证元件侧边与床身的运动轴平行；采用°圆锥形砂轮安装于主轴端面，通过修整时砂轮的圆锥面获得一定的圆周跳动误差；磨削平行于工作台的棱边时，主轴轴线垂直于工作台面，使砂轮的外圆锥面缓慢靠近被加工棱边，直至接触，完成对刀；沿被加工棱边，使用数控程序控制砂轮来回直线插补运动，砂轮外圆锥面磨削棱边，直至棱边宽度达到工艺要求；

磨削不平行于工作台的棱边时，调节b轴偏摆，使主轴轴线垂直于被加工棱边，使砂轮的外圆锥面缓慢靠近被加工棱边，直至接触，完成对刀。沿被加工棱边，使用数控程序控制砂轮来回直线插补运动，砂轮外圆锥面磨削棱边，直至棱边宽度达到工艺要求。

优选地，斜面磨削包括以下步骤：

将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，并保证元件侧边与床身的运动轴平行；将圆盘形金刚石砂轮安装于主轴轴端，通过修整时砂轮端面获得一定的轴向跳动误差和平面度误差；调节b轴，使其偏摆角度等于被加工斜面的倾斜角度，即砂轮轴线方向垂直于被加工斜面表面；砂轮缓慢靠近元件表面直至接触，完成对刀；控制系统根据数控程序控制砂轮加工轨迹，使砂轮沿元件斜面光栅式包络加工，砂轮端面对元件表面进行磨削加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置立体图一；

图2附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置立体图二；

图3附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置中的b轴旋转机构的结构示意图；

图4附图为图3附图的剖视图；

图5附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置侧边磨削状态示意图；

图6附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置倒角磨削状态示意图；

图7附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置斜面磨削状态示意图；

图8和图9为图7中斜面磨削轨迹示意图；

图10附图为本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置倒边磨削示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，解决了现有技术中光学元件加工，需要多种精密铣磨设备的硬件支持，元件装夹调整繁琐，人工操作效率和质量难以得到有效保证的问题。

参见附图1-4，本发明提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，包括：

床身1，

x方向传动机构2，x方向传动机构2沿x轴方向固定于床身1上；

工作台3，工作台3沿x轴方向与x方向传动机构2可滑动连接；

真空吸盘4，真空吸盘4固定于工作台3顶部，用于吸附固定元件；

y方向传动机构5，y方向传动机构5沿y轴方向固定于床身1上；

z方向传动机构6，z方向传动机构6沿y轴方向可滑动于y方向传动机构5上；

b轴旋转机构7，b轴旋转机构7一端沿z轴方向可滑动于z轴方向传动机构6上；

主轴机构9，主轴机构9一端固定于b轴旋转机构7另一端，且其轴线与b轴旋转机构7轴线垂直；主轴机构9另一端绕y轴方向可摆动，

磨削部8，磨削部8固定于主轴机构9另一端上，且与工作台3位置对应；

控制系统，x方向传动机构2、真空吸盘4、y方向传动机构5、z方向传动机构6、b轴旋转机构7及主轴机构9均与控制系统电性连接。

本发明公开提供的大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置，由于控制系统通过控制x方向传动机构，y方向传动机构，z方向传动机构及b轴旋转机构实现了四轴三联动，并且主轴机构能够绕y轴方向摆动，能够在同一机床上，完成光学元件不同部位的磨削，无需更换机床，频繁装夹元件，操作效率高，进而保证了元件磨削的精度。

其中主轴机构中包括主轴、主轴电机、连接部件等，控制系统电性连接主轴电机，实现主轴转速控制。

在本发明的一个实施例中，床身1包括x轴方向床体和y方向床体，x轴方向床体和y方向床体构成t字形，x方向传动机构2固定于x轴方向床体上，y方向传动机构5固定于y方向床体上。床身采用t字形布局，可以在获得相同的整机刚度、精度的情况下，降低设备制造成本，减少占地空间，结构紧凑，易于实现联动控制。

有利的是，x方向传动机构2包括x轴导轨21、x轴滑块22、x轴伺服电机23、x轴同步带组件24、x轴丝杠25及x轴丝杠螺母；

x轴导轨21固定于x轴方向床体上；

x轴滑块22连接于工作台2上，且其底部与x轴导轨21可滑动连接；

x轴伺服电机23固定于x轴方向床体上，与控制系统电性连接，其输出端通过x轴同步带组件24带动x轴丝杠25转动；

x轴丝杠螺母套接于x轴丝杠25上，且固定于工作台2底部。

由此，x轴导轨和x轴滑块可实现为工作台导向；并通过x轴伺服电机、x轴同步带组件、x轴丝杠及x轴丝杠螺母实现工作台沿x轴方向的动力供给。

有利的是，y方向传动机构5包括y轴导轨51、y轴滑块52、y轴伺服电机53、y轴同步带组件54、y轴丝杠55及y轴丝杠螺母；

y轴导轨51固定于y方向床体上；

y轴滑块52连接于z方向传动机构6，且其底部与y轴导轨51可滑动连接；

y轴伺服电机53固定于y方向床体上，与控制系统电性连接，其输出端通过y轴同步带组件54带动y轴丝杠55转动；

y轴丝杠螺母套接于y轴丝杠55上，且固定于z方向传动机构6底部。

由此，y轴导轨和y轴滑块可实现为z方向传动机构导向；并通过y轴伺服电机、y轴同步带组件、y轴丝杠及y轴丝杠螺母实现z方向传动机构沿y轴方向的动力供给。

更有利的是，z方向传动机构6包括z轴基座、z轴立柱、z轴导轨61、z轴滑块62、z轴伺服电机63、z轴同步带组件、z轴丝杠及z轴丝杠螺母；

z轴基座底部固定y轴丝杠螺母，且沿y轴可滑动连接；

z轴立柱与z轴基座一体连接；

z轴导轨61固定于z轴立柱上；

z轴滑块62连接于b轴旋转机构7，且其底部与z轴导轨61可滑动连接；

z轴伺服电机63固定于z轴立柱上，与控制系统电性连接，其输出端通过z轴同步带组件带动z轴丝杠转动；

z轴丝杠螺母套接于z轴丝杠上，且固定于b轴旋转机构7一侧。

采用此方案z轴基座通过z轴导轨和z轴滑块沿z轴立柱可滑动，并通过z轴伺服电机、z轴同步带组件、z轴丝杠及z轴丝杠螺母实现b轴旋转机构沿z轴滑动的动力供给。

参见附图3和4，b轴旋转机构7包括b轴基座71、b轴横梁72、b轴73、b轴伺服电机75及轴承74；

b轴基座71一侧面固定z轴丝杠螺母，且沿z轴方向可滑动；

b轴横梁72与b轴基座71一体连接；其两端均设置有轴承安装座；

轴承74包括两组对应安装于轴承安装座内；

b轴73两端对应插接于两组轴承74中；且其轴线与主轴机构9轴线垂直，其一端与主轴机构9一端固定；

b轴伺服电机75固定于b轴横梁72上，与控制系统电性连接，且与b轴73另一端动力连接。

由于b轴横梁上设置有轴承，b轴在b轴伺服电机的带动下可转动，因此带动与b轴一端固定的主轴机构实现摆动，方便磨削部与元件贴合实现磨削。

在本发明的另一个实施例中，b轴伺服电机75采用中空轴伺服电机，其固定于b轴横梁72上，b轴73贯穿中空轴伺服电机内；采用此方案有利于中空轴伺服电机精确控制b轴转动，提高控制精度，进一步增加磨削精度控制。

本发明还提供了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置的加工方法，参见附图5-10，控制系统内部预设光学元件坯件精密成形加工数控程序，控制系统根据光学元件坯件精密成形加工要求控制大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置各机构配合联动，实现光学元件坯件的侧边磨削、倒角磨削、倒边磨削及斜面磨削。

本发明还提供了大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置的加工方法，控制系统根据光学元件坯件精密成形加工工序控制大口径楔板光学元件超精密复合成形磨削装置各机构配合联动，实现了四轴三联动，并且主轴机构能够绕y轴方向摆动，能够在同一床身上，完成光学元件不同部位的磨削，无需更换机床，频繁装夹元件，操作效率高，进而保证了元件磨削的精度。

其中，侧边磨削，参见附图5，磨削元件的所有侧边，获得工艺要求的长宽尺寸和侧边垂直度。将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，元件的四条侧边均悬出真空吸盘一定的距离(如10～20mm)，并保证元件侧边与床身的x轴或y轴平行。将圆柱形金刚石砂轮安装在主轴轴端，并通过修整以达到一定的圆周跳动误差(如5～10μm)和一定的轮廓轴向平行度误差(如5～10μm)。使用砂轮的外圆周面缓慢靠近元件侧边，直至接触上后，设置加工坐标系，完成对刀操作。通过数控程序控制砂轮沿x轴或y轴按照直线插补方式，使用砂轮的外圆周面，对元件侧边进行磨削加工。依次对所有侧边进行磨削加工，直至满足工艺要求的长宽尺寸。

倒角磨削，参见附图6，获得工艺要求的倒角宽度(元件四个角需要达到一定的宽度，以利于元件的光学系统里面进行装调)。将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，元件的四条侧边均悬出真空吸盘一定的距离(如10～20mm)，并保证元件侧边与床身的x轴或y轴平行。将圆柱形金刚石砂轮安装在主轴轴端，并通过修整以达到一定的圆周跳动误差(如5～10μm)和一定的轮廓轴向平行度误差(如5～10μm)。使用圆柱砂轮的外圆周面，缓慢靠近元件的角部，直至接触，并设置加工坐标系，完成对刀。通过数控程序，控制砂轮沿x轴或y轴斜45°方向直线插补，使用砂轮的外圆周面磨削元件的角部位置，直至其宽度满足工艺要求。

斜面磨削，参见附图7，对元件的斜面进行加工，去除坯料锯切时的表面纹理，获得工艺要求的平面度误差。将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，并保证元件侧边与床身的x轴或y轴平行。将圆盘形金刚石砂轮安装于主轴轴端，通过修整时砂轮端面获得一定的轴向跳动误差(如5～10μm)和平面度误差(如5～10μm)。调节a轴，使其偏摆角度等于被加工斜面的倾斜角度，即砂轮轴线方向垂直于被加工斜面表面。时砂轮缓慢靠近元件表面直至接触，完成对刀。数控程序加工轨迹参见附图8和9，使砂轮沿元件斜面光栅式包络加工，砂轮端面对元件表面进行磨削加工。

倒边磨削，参见附图10，加工元件的棱边，使其宽度达到工艺要求。将光学元件真空吸附安装于真空吸盘上，并保证元件侧边与床身的x轴或y轴平行。将45°圆锥形砂轮安装于主轴端面，通过修整时砂轮的圆锥面获得一定的圆周跳动误差(如5～10μm)。磨削平行于工作台的棱边时，主轴轴线垂直于工作台面，使砂轮的外圆锥面缓慢靠近被加工棱边，直至接触，完成对刀。沿被加工棱边，使用数控程序控制砂轮来回直线插补运动，砂轮外圆锥面磨削棱边，直至棱边宽度达到工艺要求。磨削不平行于工作台的棱边时，调节a轴偏摆，使主轴轴线垂直于被加工棱边，使砂轮的外圆锥面缓慢靠近被加工棱边，直至接触，完成对刀。沿被加工棱边，使用数控程序控制砂轮来回直线插补运动，砂轮外圆锥面磨削棱边，直至棱边宽度达到工艺要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。