專利名稱：一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，屬于精密光學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域，特指一種消除大口徑、高輕量化反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置。
背景技術(shù)：
近幾年，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，具有高強(qiáng)度、低變形、高反射率的功能材料(如熔石英、ULE、微晶、SiC等)在該領(lǐng)域得以迅速應(yīng)用。為追求光學(xué)系統(tǒng)的集光能力和分辨能力， 并節(jié)約制造與發(fā)射成本，一般通過(guò)采用輕質(zhì)大尺寸非球面光學(xué)元件來(lái)提高系統(tǒng)成像質(zhì)量， 且鏡面的厚度越來(lái)越薄，即主鏡的徑厚比越來(lái)越高。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡輕量化的形式主要有三角形、扇形、蜂窩形、圓形及異性孔形等。不同的輕量化結(jié)構(gòu)對(duì)輕質(zhì)反射鏡的減重程度、結(jié)構(gòu)剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、溫度特性、材料去除率及自重變形等特征產(chǎn)生不同的影響。受大口徑非球面更高輕量化趨勢(shì)的影響，輕質(zhì)反射鏡的裝卡與高精度加工方法成了亟待解決的問(wèn)題。目前，高精度輕質(zhì)反射鏡的光學(xué)加工方法主要有小磨頭(CCOS)，磁流變(MRF)及能動(dòng)磨盤(CCAL)等拋光技術(shù)。然而，小磨頭(CCOS)與磁流變(MRF)拋光技術(shù)會(huì)對(duì)拋光鏡產(chǎn)生中高頻誤差并在拋光軌跡上留下明顯的斑痕。為減少輕質(zhì)反射鏡面的中高頻誤差，一般采用大口徑磨盤，即能動(dòng)磨盤拋光技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行初步拋光，再采用小磨頭對(duì)工件進(jìn)行局部修拋以提高面形精度。根據(jù)普林斯頓假設(shè)和線性理論推導(dǎo)，材料去除率函數(shù)可表達(dá)為 dh τ
Yt=KPV在加工過(guò)程中，輕質(zhì)反射鏡反射面承受的壓強(qiáng)P主要為磨頭壓力。相對(duì)于CCOS
ο
拋光技術(shù)，采用CCAL技術(shù)拋光時(shí)，鏡面承受壓力更大，彈性變形更為明顯。鏡面在磨頭壓力及重力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋支撐區(qū)域鏡面的彈性變形較孔區(qū)域鏡面的彈性變形較低，因此， 筋支撐區(qū)域的鏡面去除量較孔區(qū)域鏡面更多。當(dāng)鏡面外力釋放后，筋支撐區(qū)凹陷下去，孔區(qū)域凸起，當(dāng)拋光鏡面面形達(dá)到較高精度時(shí)，鏡面呈現(xiàn)波浪形。在外加壓力作用下，由于輕質(zhì)反射鏡鏡面各點(diǎn)彈性變形不一致而導(dǎo)致拋光后高精度面形呈現(xiàn)波浪形的現(xiàn)象稱之為“壓印效應(yīng)”。重力及磨頭壓力所引入的壓印效應(yīng)已成為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡高精度加工的技術(shù)壁壘。消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法主要有內(nèi)腔充氣式與浸入充氣式。內(nèi)腔充氣就是直接對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡的各個(gè)蜂窩狀內(nèi)腔施加反向壓強(qiáng)，反射鏡面在重力，磨頭壓力 (0. 8 1. 5KPa)及充氣壓力的作用下達(dá)到平衡，消除了磨頭壓力的壓印效應(yīng)。這種拋光裝置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是內(nèi)腔氣體同時(shí)會(huì)對(duì)圓周壁及支撐底面產(chǎn)生壓強(qiáng)，圓周壁及支撐底面的變形會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋產(chǎn)生反向拉力，進(jìn)而引起反射鏡面的變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，該裝置采用浸入充氣式，在不引起反射鏡面的變形的同時(shí)，消除了壓印效應(yīng)，解決了目前大口徑、高量化，高徑厚比的輕質(zhì)反射鏡高精度拋光時(shí)外加壓力引入的壓印效應(yīng)問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，由浸入式密封拋光平臺(tái)與精密充氣裝置組成，所述浸入式密封拋光平臺(tái)由密封缸、頂蓋、三角形支撐座、鋼球、弧形夾具和彈性密封圈構(gòu)成；三個(gè)三角形支撐座置于密封缸內(nèi)腔底面的三個(gè)鋼球上，并在每個(gè)三角形支撐座上表面粘接三個(gè)墊片構(gòu)成九點(diǎn)支撐座結(jié)構(gòu)；頂蓋通過(guò)螺栓固定于密封缸上，彈性密封圈的充氣孔穿過(guò)頂蓋側(cè)面通孔，并置于頂蓋與輕質(zhì)反射鏡間；螺栓穿過(guò)密封缸側(cè)面螺紋孔與弧形夾具相連，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓移動(dòng)弧形夾具，使弧形夾具對(duì)輕質(zhì)反射鏡進(jìn)行切向約束；所述的精密充氣裝置由微型氣泵、蓄電池、精密截止閥、精密泄壓閥、膜合氣壓表、四通體和硅膠管組成；微型氣泵通過(guò)硅膠管與精密截止閥相連，四通體四個(gè)端口分別與精密截止閥、精密泄壓閥、膜合氣壓表和密封缸相連。所述密封缸結(jié)構(gòu)為U型，頂面及側(cè)面分別鉆螺紋孔，并在內(nèi)腔底面刨半圓凹槽。所述三角形支撐座為等腰三角形，頂角為108°，三角形支撐座底側(cè)重心處開半圓凹槽，上側(cè)粘接墊片。所述頂蓋為臺(tái)階形，并在頂蓋上側(cè)開沉孔，側(cè)面開有通孔。所述彈性密封圈為易膨脹的彈性材料，彈性模量小于1.3*10° Pa，并且彈性密封圈帶有充氣嘴。所述精密截止閥能任意調(diào)節(jié)充入氣體的流量，調(diào)節(jié)量程為0 5L/min，氣體流量的定位精度為lmL/min。所述精密泄壓閥能對(duì)充入過(guò)大的氣壓進(jìn)行適量減排，泄壓流量控制精度達(dá)0. 3mL/
miri。所述直流電源采用蓄電池。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)在拋光過(guò)程中，外加壓力引起輕質(zhì)反射鏡內(nèi)腔孔對(duì)應(yīng)鏡面與筋粘接鏡面彈性變形不連續(xù)而導(dǎo)致高精度拋光后，面形呈現(xiàn)波浪形的壓印效應(yīng)已成為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡高精度加工的技術(shù)壁壘。本發(fā)明公開的拋光裝置將反射鏡浸入于由密封缸，頂蓋，彈性密封圈構(gòu)成的密封腔中，并對(duì)其內(nèi)腔充氣。輕質(zhì)反射鏡鏡面在重力、磨頭壓力以及反向充氣壓力作用下達(dá)到平衡，消除了壓印效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了大口徑，高輕量化反射鏡的高精度加工。(2)經(jīng)過(guò)有限元仿真分析，采用內(nèi)腔充氣式得到鏡面面形精度最好為PV127. 6nm, RMS64. 3nm ；而本發(fā)明的浸入式充氣方法是將整個(gè)拋光工件浸入于密封氣缸內(nèi)，對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡內(nèi)腔、外緣及支撐底面同時(shí)施加壓強(qiáng)，不但消除了反射鏡面的壓印變形，同時(shí)保持圓周壁及支撐底面的受力平衡以致進(jìn)一步提高鏡面面形精度。經(jīng)過(guò)有限元仿真分析，本發(fā)明采用浸入充氣式得到鏡面面形精度最好為PV9. 6nm, RMS2. 2nm。(3)此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、控制簡(jiǎn)單、集成度高、操作方便，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑、高輕量化，高徑厚比反射鏡的高精度拋光。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的浸入充氣式拋光裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明輕質(zhì)反射鏡裝卡示意圖；圖3為本發(fā)明的頂蓋三維視圖；圖4為本發(fā)明三角形支撐座示意圖5為本發(fā)明彈性密封圈示意圖；圖6為本發(fā)明壓印效應(yīng)有限元分析圖；圖7為現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)腔充氣式有限元分析圖；圖8為本發(fā)明浸入充氣式有限元分析圖；圖9為充氣壓強(qiáng)與面形精度分析圖。圖中標(biāo)號(hào)1、彈性密封圈；2、頂蓋；3、弧形夾具；4、三角形支撐座；5、鋼球；6、墊片；7、輕質(zhì)反射鏡；8、密封缸；9、氣泵；10、蓄電池；11、精密泄壓閥；12、膜合氣壓表；13、四通體；14、 精密截止閥；15、硅膠管；16、轉(zhuǎn)臺(tái)；17、頂蓋沉孔；18、頂蓋側(cè)面通孔；19、三角塊半圓凹槽； 20、密封缸半圓凹槽；21、密封圈充氣嘴；22、密封缸上側(cè)螺紋孔；23、密封缸側(cè)面螺紋孔； 24、內(nèi)六角螺栓。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，本發(fā)明由浸入式密封拋光平臺(tái)與精密充氣裝置組成。浸入式密封拋光平臺(tái)由密封缸8、頂蓋2、支撐座4、鋼球5、弧形夾具3和彈性密封圈1構(gòu)成，精密充氣裝置由微型氣泵9、直流電源10、精密截止閥14、精密泄壓閥11、膜合氣壓表12、四通體13 和硅膠管15組成。底側(cè)重心處開半球狀凹槽的三個(gè)三角形支撐座4置于密封缸8內(nèi)腔底面的三個(gè)鋼球5上，每個(gè)三角形支撐座4上表面粘接三個(gè)墊片6構(gòu)成九點(diǎn)支撐座結(jié)構(gòu)；輕質(zhì)反射鏡7置于九點(diǎn)支撐座4上；密封缸8結(jié)構(gòu)為U型，側(cè)面開四個(gè)螺紋孔23并在內(nèi)腔底面開三個(gè)半圓凹槽20，以方便調(diào)整輕質(zhì)反射鏡7與轉(zhuǎn)臺(tái)16同軸；螺栓24穿過(guò)密封缸側(cè)面螺紋孔23與弧形夾具3相連，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓24移動(dòng)弧形夾具3，使弧形夾具3對(duì)輕質(zhì)反射鏡7構(gòu)成切向約束；頂蓋2通過(guò)螺栓固定于密封缸8上，彈性密封圈1的充氣嘴穿過(guò)頂蓋2側(cè)面通孔，并置于頂蓋2與輕質(zhì)反射鏡7間；微型氣泵9通過(guò)硅膠管15與精密截止閥14相連，四通體13 四個(gè)端口分別與精密截止閥14，精密泄壓閥11，膜合氣壓表12，密封缸8相連；直流電源10 采用蓄電池，與微型氣泵9連接；將整個(gè)精密充氣裝置安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)16上，旨于避免浸入式密封拋光平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生繞線問(wèn)題。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程(1)將輕質(zhì)反射鏡7放置于九點(diǎn)支撐面上并調(diào)節(jié)偏心，使得輕質(zhì)反射鏡7與轉(zhuǎn)臺(tái) 16同軸；(2)通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓24水平移動(dòng)弧形夾具3，對(duì)輕質(zhì)反射鏡7構(gòu)成切向約束，并安裝頂蓋2于密封缸8上；(3)安裝彈性密封圈1，通過(guò)充氣嘴21對(duì)密封圈1沖入150 250ml空氣。密封圈1膨脹并將輕質(zhì)反射鏡7與頂蓋2間的空隙密封；(4)對(duì)密封缸8內(nèi)腔充入空氣，充氣壓強(qiáng)為1. 65 1. 75KPa ；通過(guò)充氣嘴21充、泄氣體，調(diào)節(jié)彈性密封圈1內(nèi)的壓強(qiáng)，使得該壓強(qiáng)與密封缸8內(nèi)腔壓強(qiáng)相等，旨于保證輕質(zhì)反射鏡7側(cè)面受力平衡，消除彈性形變；如圖1、圖3所示，頂蓋2為臺(tái)階形，并在頂蓋2上側(cè)開四個(gè)均勻的沉孔17。利用沉孔17及密封缸上側(cè)四個(gè)螺紋孔22，可將頂蓋2固定于密封缸8上。頂蓋2側(cè)面開一個(gè)通孔18，密封圈充氣嘴21穿過(guò)通孔18進(jìn)行充、泄氣。如圖2、圖4所示，每個(gè)三角形支撐座4下側(cè)開半球凹槽19，上側(cè)粘接3個(gè)墊片6 構(gòu)成九點(diǎn)支撐，且三角形支撐座4為等腰三角形，頂角為108，旨于保證三角形支撐座4結(jié)構(gòu)最輕巧時(shí)，輕質(zhì)反射鏡7在九點(diǎn)支撐作用下，重力變形量最小。如圖5所示，彈性密封圈1為易膨脹的彈性材料，彈性模量小于1. 3*10° Pa，并且，彈性密封圈1帶有充氣嘴21。如圖1所示，精密截止閥14、精密泄壓閥11為高精度、能穩(wěn)定控制氣流的可調(diào)節(jié)閥門開關(guān)。精密截止閥13能任意調(diào)節(jié)充入氣體的流量，準(zhǔn)確控制充入氣體的壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)量程為0 5L/min，氣體流量的定位精度為lmL/min ；精密泄壓閥11能對(duì)充入過(guò)大的氣壓進(jìn)行適量減排，泄壓流量控制精度可達(dá)0. 3mL/min。圖6為施加磨頭頭，輕質(zhì)反射鏡拋光面彈性形變不連續(xù)，呈現(xiàn)壓印效應(yīng)的有限元仿真分析圖，加工時(shí)，磨頭壓力密度為15g/cm2，鏡面彈性形變?yōu)镻V155nm，RMS87nm ；圖7所示為現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)腔充氣式下，消除壓印效應(yīng)且面形精度最高時(shí)的有限元仿真分析圖，充入氣體壓強(qiáng)為1. 65KPa，面形精度為PV127. 6nm, RMS64. 3nm ；圖8所示為本發(fā)明浸入充氣式下，消除壓印效應(yīng)且面形精度最高時(shí)的有限元仿真分析圖，充入氣體壓強(qiáng)為1. 68KPa，面形精度為PV9. 6nm, RMS2. 2nm ；圖9所示為采用內(nèi)腔充氣式與浸入充氣式下，不同壓強(qiáng)與面形精度分析圖。由仿真結(jié)果表明，重力引其鏡面變形后面形精度為PV16nm，RMS9. 2nm ；本發(fā)明采用浸入式充氣方式得到鏡面面形精度明顯優(yōu)于內(nèi)腔充氣式，而且，在施加1.68KPa時(shí)，得到的面形精度最尚ο本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，由浸入式密封拋光平臺(tái)與精密充氣裝置組成，其特征在于所述浸入式密封拋光平臺(tái)由密封缸(8)、頂蓋(2)、三角形支撐座(4)、鋼球(5)、弧形夾具(3)和彈性密封圈⑴構(gòu)成；三個(gè)三角形支撐座⑷置于密封缸⑶內(nèi)腔底面的三個(gè)鋼球(5)上，并在每個(gè)三角形支撐座(4)上表面粘接三個(gè)墊片(6)；頂蓋(2)通過(guò)螺栓固定于密封缸(8)上，彈性密封圈(1)的充氣嘴(21)穿過(guò)頂蓋側(cè)面通孔(18)，并置于頂蓋(2)與輕質(zhì)反射鏡(7)間；螺栓(24)穿過(guò)密封缸側(cè)面螺紋孔(23)與弧形夾具(3) 相連，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓(24)移動(dòng)弧形夾具(3)，使弧形夾具(3)對(duì)輕質(zhì)反射鏡(7)進(jìn)行切向約束；所述的精密充氣裝置由微型氣泵(9)、直流電源(10)、精密截止閥(14)、精密泄壓閥 (11)、膜合氣壓表(12)、四通體(13)和硅膠管(15)組成；直流電源(10)與微型氣泵(9)相連接，微型氣泵(9)通過(guò)硅膠管(15)與精密截止閥(14)相連，四通體(13)四個(gè)端口分別與精密截止閥(14)、精密泄壓閥(11)、膜合氣壓表(12)和密封缸(8)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述密封缸(8)結(jié)構(gòu)為U型，頂面及側(cè)面分別鉆螺紋孔(22、23)，并在內(nèi)腔底面刨半圓凹槽(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述三角形支撐座(4)為等腰三角形，頂角為108°，三角形支撐座(4)底側(cè)重心處開半圓凹槽，上側(cè)粘接墊片(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述頂蓋(2)為臺(tái)階形，并在頂蓋(2)上側(cè)開沉孔(17)，側(cè)面開有通孔(18)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述彈性密封圈(1)為易膨脹的彈性材料，彈性模量小于1.3*10° Pa，并且彈性密封圈(1)帶有充氣嘴(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述精密截止閥(14)能任意調(diào)節(jié)充入氣體的流量，調(diào)節(jié)量程為0 5L/min，氣體流量的定位精度為 lmL/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述精密泄壓閥(11)能對(duì)充入過(guò)大的氣壓進(jìn)行適量減排，泄壓流量控制精度達(dá)0. 3mL/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，其特征在于所述直流電源(10)采用蓄電池。
全文摘要
一種消除輕質(zhì)反射鏡壓印效應(yīng)的拋光裝置，適用于大口徑、高輕量化、高徑厚比反射鏡高精度加工的拋光裝置，屬于光學(xué)表面加工領(lǐng)域，它由密封缸、頂蓋、支撐座、弧形夾具、彈性密封圈、微型氣泵、精密截止閥、精密泄壓閥、四通體以及硅膠管組成。拋光過(guò)程中，外加壓力引起輕質(zhì)反射鏡內(nèi)腔孔對(duì)應(yīng)鏡面與筋粘接鏡面彈性變形不連續(xù)而導(dǎo)致高精度拋光后，面形呈現(xiàn)波浪形的壓印效應(yīng)已成為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)反射鏡高精度加工的技術(shù)壁壘。本發(fā)明公開的拋光裝置將反射鏡浸入于由密封缸，頂蓋，彈性密封圈構(gòu)成的密封腔中，并對(duì)其內(nèi)腔充氣。輕質(zhì)反射鏡鏡面在重力、磨頭壓力以及反向充氣壓力作用下達(dá)到平衡，消除壓印效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)大口徑，高輕量化反射鏡的高精度加工。
文檔編號(hào)B24B13/00GK102179738SQ201110075940
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者徐清蘭, 范斌, 鐘顯云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所