本發(fā)明涉及表面超精密加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光流變拋光液的拋光裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、表面超精密加工技術(shù)在光學(xué)器件表面加工、半導(dǎo)體表面加工、醫(yī)療器械表面加工等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。超精密加工中超精密拋光往往是零件加工中的最后一道工序，拋光后表面質(zhì)量的好壞直接影響零件的功能，尤其是光學(xué)曲面等零件，若在拋光過程中造成表面損傷、表面面型的改變，就會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)曲面的功能。近年來(lái)，諸如剪切增稠拋光、磁流變拋光、電流變拋光、光流變等流變拋光技術(shù)被提出并應(yīng)用于超精密表面拋光。

2、光流變拋光是使用光流變材料調(diào)配成拋光液進(jìn)行拋光的拋光方法。光流變材料包括偶氮苯、二芳基乙烯、苯氧基萘并萘醌、螺吡喃等物質(zhì)及衍生物。將一定量光流變材料添加到有機(jī)或無(wú)機(jī)溶液中，再加入適量活性劑和拋光粉便能配置出光流變拋光液。光照可逆的光流變拋光液在受到紫外光或者白光的照射時(shí)，光流變材料的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生可逆的變化，使光流變拋光液呈現(xiàn)黏度的變化。使用小拋光頭接近工件并旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)附近的光流變拋光液流動(dòng)，流動(dòng)的光流變拋光液對(duì)工件產(chǎn)生動(dòng)壓力，足夠大的壓力會(huì)將微小磨粒壓入工件并使其沿著工件表面移動(dòng)產(chǎn)生材料去除，進(jìn)而在靠近拋光頭的工件表面產(chǎn)生材料去除，改變工件的局部面型。拋光過程中，拋光液黏度的變化會(huì)改變拋光液在工件表面的流動(dòng)速度以及動(dòng)壓力，改變拋光效果，影響拋光的材料去除速率。

3、已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利（cn202011148254.x），專利名稱：光-剪切聯(lián)合誘導(dǎo)增稠效應(yīng)的光流變拋光方法及裝置，使用具有剪切增稠效應(yīng)和光流變效應(yīng)的拋光液進(jìn)行拋光，利用光照對(duì)拋光液黏度進(jìn)行控制并穩(wěn)定黏度，提高材料去除率。上述專利的拋光方式為整體表面的柔性拋光，對(duì)整體的面型具有適應(yīng)性但沒有主動(dòng)控制局部面型的作用，不適用于復(fù)雜表面拋光修正，沒有考慮到溫度對(duì)拋光液黏度的影響，也沒有考慮到拋光液的光-黏度響應(yīng)速度對(duì)拋光液黏度變化的影響。

4、已公開中國(guó)發(fā)明專利（cn202211061942.1），專利名稱：一種光流變-光化學(xué)-空化協(xié)同作用的拋光系統(tǒng)。拋光工具能夠柔性適應(yīng)曲面的面型變化，可以調(diào)節(jié)紫外光照射角度，使用光流變效應(yīng)，光化學(xué)效應(yīng)以及空化效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)拋光效果。沒有實(shí)時(shí)地對(duì)拋光區(qū)域的黏度影響進(jìn)行整體檢測(cè)，沒有考慮到溫度對(duì)黏度的影響，同時(shí)，也沒有考慮拋光液的光-黏度響應(yīng)速度對(duì)拋光液黏度變化的影響。

5、已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利（cn201810188063.2），專利名稱：一種基于光流變材料的拋光方法與裝置。該專利使用紗網(wǎng)固定光流變拋光體，通過調(diào)節(jié)照射到拋光體的光波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)拋光體剛度實(shí)現(xiàn)程控拋光。該專利沒有考慮到光照時(shí)間、溫度對(duì)光流變拋光體剛度的影響。同時(shí)，該專利在拋光區(qū)域沒有設(shè)置剛度的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行剛度的反饋控制，控制的精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中光流變拋光對(duì)于光流變拋光液黏度控制效果不強(qiáng)、對(duì)材料去除速率控制效果不強(qiáng)的不足，本發(fā)明提出一種基于光流變拋光液的拋光裝置和方法。

2、具體技術(shù)方案如下：

3、一種基于光流變拋光液的拋光裝置，包括：多個(gè)高黏度轉(zhuǎn)子泵、主流道、恒溫水浴裝置、紫外燈一、攪拌器、進(jìn)給管道、黏度檢測(cè)儀、電控閥門、溫度檢測(cè)器、噴出頭、拋光組件、被加工工件、液位檢測(cè)器、拋光池、控制端；

4、所述恒溫水浴裝置內(nèi)盛裝光流變拋光液，中心設(shè)置攪拌器，頂部設(shè)置紫外燈一，側(cè)壁開設(shè)拋光液入口與主流道輸出端連通，底部開設(shè)拋光液出口通過高黏度轉(zhuǎn)子泵與分流管連通；分流管的一條支路為進(jìn)給管道，所述進(jìn)給管道末端設(shè)置噴出頭與拋光池連通，且進(jìn)給管道上設(shè)置若干溫度檢測(cè)器測(cè)量?jī)?nèi)部流體溫度，內(nèi)部軸向均勻設(shè)置有環(huán)形的半導(dǎo)體降溫片，均勻交錯(cuò)設(shè)置有影響區(qū)域相同的紫外燈二和白光燈；分流管的另一條支路通過電控閥門與黏度檢測(cè)儀連通，黏度檢測(cè)儀的出口通過高黏度轉(zhuǎn)子泵與主流道連通；

5、拋光池的壁面安裝有液位檢測(cè)器，底部固定有被加工工件，底部邊緣開設(shè)端口，通過高黏度轉(zhuǎn)子泵與主流道輸入端連通；拋光組件通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在拋光池中用于拋光，包括沿軸向依次同軸布置的透明的拋光頭、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、主軸、紫外激光發(fā)射頭；所述拋光頭位于被加工工件附近且始終不與其接觸，紫外激光發(fā)射頭發(fā)射的激光穿過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、主軸內(nèi)的空腔從拋光頭射出；

6、所述控制端用于接收黏度檢測(cè)儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，對(duì)恒溫水浴裝置的加熱溫度、紫外燈一的強(qiáng)度進(jìn)行控制；接收溫度檢測(cè)器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，對(duì)半導(dǎo)體降溫片的制冷或產(chǎn)熱、紫外燈二和白光燈的強(qiáng)度、紫外激光發(fā)射頭發(fā)射激光的強(qiáng)度進(jìn)行控制；接收液位檢測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，調(diào)整各個(gè)高黏度轉(zhuǎn)子泵的功率，使拋光池內(nèi)的液面高度保持穩(wěn)定。

7、進(jìn)一步地，所述紫外燈一、紫外燈二、白光燈、紫外激光發(fā)射頭均使用pwm調(diào)整照射強(qiáng)度。

8、進(jìn)一步地，所述進(jìn)給管道包括：紫外燈二、白光燈、半導(dǎo)體降溫片、管壁；所述半導(dǎo)體降溫片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，軸向均勻固定于管壁內(nèi)，其功率、制冷或產(chǎn)熱能獨(dú)立控制；紫外燈二與白光燈在管壁內(nèi)壁均勻交錯(cuò)分布，兩種燈分別呈陣列排布，且在同一軸向位置的紫外燈二和白光燈影響的區(qū)域相同，兩者對(duì)光流變拋光液的黏度影響效果相反；所述紫外燈二和白光燈固定在管壁內(nèi)壁上后，表面覆蓋透明膠水，防止其與光流變拋光液直接接觸。

9、進(jìn)一步地，所述拋光組件包括：固定板和調(diào)整架，以及沿軸向依次同軸布置的拋光頭、一個(gè)聯(lián)軸器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、另一個(gè)聯(lián)軸器、主軸、紫外激光發(fā)射頭；所述拋光頭、聯(lián)軸器和主軸的內(nèi)部中心處開設(shè)通孔，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器用于檢測(cè)主軸的扭矩；動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、調(diào)整架直接固定在固定板上，主軸通過軸承座安裝在固定板上；固定板固連在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上；紫外激光發(fā)射頭通過調(diào)整架固定并進(jìn)行位置與姿態(tài)調(diào)整。

10、進(jìn)一步地，所述拋光頭包括沿軸向依次布置的：透明端部、凹透鏡、金屬管；金屬管內(nèi)部中空，用于供紫外激光發(fā)射頭發(fā)射的紫外激光通過；所述透明端部固連在金屬管的一端，凹透鏡固定在金屬管與透明端部的交界處，且凹面朝向金屬管，用于發(fā)散紫外激光，發(fā)散的紫外激光通過透明端部射出。

11、進(jìn)一步地，所述透明端部的材料選擇透明二氧化硅或加入受阻類光穩(wěn)定劑的透明聚氨酯。

12、一種基于光流變拋光液的拋光方法，基于所述的基于光流變拋光液的拋光裝置實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

13、s1：將配制好的光流變拋光液倒入恒溫水浴裝置內(nèi)，被加工工件固定于拋光池內(nèi)；

14、s2、對(duì)光流變拋光液的黏度進(jìn)行預(yù)控制：?jiǎn)?dòng)攪拌器、紫外燈一、恒溫水浴裝置、高黏度轉(zhuǎn)子泵，使光流變拋光液在拋光裝置中循環(huán)流動(dòng)，即光流變拋光液從恒溫水浴裝置流入分流管、進(jìn)給管道，通過噴出頭流入拋光池，在高黏度轉(zhuǎn)子泵的作用下進(jìn)入主流道，再回流至恒溫水浴裝置中；控制端根據(jù)液位檢測(cè)器得到的拋光池內(nèi)液面高度，控制各個(gè)高黏度轉(zhuǎn)子泵，將拋光池中光流變拋光液的液面維持在設(shè)定高度；

15、同時(shí)，所述控制端控制電控閥門打開，使固定量的光流變拋光液流入黏度檢測(cè)儀后，控制電控閥門關(guān)閉，完成黏度檢測(cè)后，在高黏度轉(zhuǎn)子泵的作用下泵入主流道，后續(xù)回流至恒溫水浴裝置中；此時(shí)，控制端再次控制電控閥門打開，進(jìn)行新一輪黏度檢測(cè)；控制端根據(jù)黏度檢測(cè)儀檢測(cè)的黏度結(jié)果調(diào)整紫外燈一的照射強(qiáng)度和恒溫水浴裝置的溫度，使恒溫水浴裝置中的光流變拋光液的整體黏度保持在設(shè)定范圍內(nèi)；

16、s3、對(duì)光流變拋光液的黏度進(jìn)行準(zhǔn)精確反饋控制：控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拋光組件運(yùn)動(dòng)，使拋光頭的透明端部浸沒在拋光池中，首次運(yùn)行時(shí)透明端部遠(yuǎn)離被加工工件；啟動(dòng)主軸，并通過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器持續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)扭矩，進(jìn)而得到拋光區(qū)域光流變拋光液的黏度，所述拋光區(qū)域?yàn)橥该鞫瞬扛浇膮^(qū)域；所述溫度檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)給管道中光流變拋光液的溫度，控制端接收溫度和黏度反饋并進(jìn)行分析處理，控制進(jìn)給管道中的紫外燈二、白光燈的照射強(qiáng)度，以及半導(dǎo)體降溫片的功率，使進(jìn)給管道輸出的光流變拋光液的黏度大小穩(wěn)定在目標(biāo)黏度附近；

17、s4、對(duì)光流變拋光液的黏度進(jìn)行精確反饋控制：控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拋光組件運(yùn)動(dòng)至待加工區(qū)域，控制端根據(jù)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)扭矩，得到拋光區(qū)域的實(shí)時(shí)黏度，從而控制紫外激光發(fā)射頭發(fā)射的激光強(qiáng)度，將拋光區(qū)域中光流變拋光液的黏度調(diào)整至目標(biāo)黏度；

18、s5：重復(fù)s2-s4，實(shí)時(shí)調(diào)整光流變拋光液的黏度，直至完成被加工工件的拋光。

19、進(jìn)一步地，所述光流變拋光液包括：感光物質(zhì)、溶劑、拋光粉；所述感光物質(zhì)選擇能在可見光或紫外光照射下發(fā)生可逆的微觀結(jié)構(gòu)改變的物質(zhì)，所述溶劑根據(jù)感光物質(zhì)選擇有機(jī)溶劑或無(wú)機(jī)溶劑；所述拋光粉選自氧化鋁、碳化硅、二氧化硅中的任意一種。

20、進(jìn)一步地，所述紫外燈一、紫外燈二、紫外激光發(fā)射頭發(fā)出的紫外光波長(zhǎng)在200~400nm范圍內(nèi)，具體波長(zhǎng)以光流變材料光譜吸收特性為準(zhǔn)。

21、本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明使用預(yù)控制、準(zhǔn)精確反饋控制、精確反饋控制的預(yù)黏度控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋光區(qū)域光流變拋光液黏度的原位、實(shí)時(shí)、精確的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光流變拋光過程中材料去除速率的精確控制，該方法還能夠極大地減少如溫度、濕度、光照等外界因素對(duì)光流變拋光過程中材料去除速率的不確定影響，增強(qiáng)了拋光系統(tǒng)的控制性能與魯棒性。在此基礎(chǔ)上能夠方便精準(zhǔn)地對(duì)任意固定在拋光池內(nèi)的被加工工件進(jìn)行確定材料去除的拋光，方便對(duì)表面面型進(jìn)行精確、可控、可靠的加工。