高速下摆式光学透镜抛光机的研发

　　0 引言

　　近年来， 随着光-机-电领域的技术进步， 各种扫描仪、投影机、数码相机等新产品对光学透镜的需求量越来越大，精度要求也越来越高。 为抢占市场，国内外的光学加工企业纷纷加入高精度光学加工设备的研制中。 经调研发现，传统光学加工设备存在一些不足：耗材大、成本高;机架筋板结构不合理，易产生振动，运动惯性大，加工稳定性差;装配复杂，装配误差的叠加大大影响了运动精度; 抛光机的主要部件—主轴系统经常因抛光液渗入后腐蚀零部件而需更换，不仅增加了运作成本，而且卸装费时。 传统生产设备的运动精度和稳定性不能满足要求，工艺技术起着至关重要的作用， 对操作者的技艺依赖性很大，造成生产工艺不稳定，废品率极高的现象。

　　本文在充分研究传统光学加工设备性能的基础上，通过虚拟样机技术设计能解决上述不足的高运动精度的新设备， 以达到稳定性好、 加工精度高的效果。虚拟样机技术 VP (Virtual Prototyping) 是指在计算机上建立数字化样机模型， 对模型进行各种静动态性能分析， 然后改进样机设计方案， 用数字化虚拟样机代替传统的物理样机。 因此当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时， 不但设计质量和效率都得到了有效的提高，而且可以缩短开发周期。

　　1 光学透镜抛光机的工作原理

　　下摆式光学透镜抛光机采用准球心式原理工作， 主轴在高速旋转的同时主轴系统 (包含主轴电机) 绕摆动轴做往复摆动， 含有磨粒和腐蚀性化学药剂的抛光液则在光学透镜与抛光模具之间流动， 通过机械化学抛光机理 (此抛光机理是一种被人们普遍认可的抛光机理， 主要是由抛光模、 抛光液、 玻璃等综合作用的结果， 即机械、 化学和物理作用) 实现对中等直径、 中高级精度的光学透镜的精磨、 表面抛光加工。 加工原理图及传动原理如图 1、2 所示。

　　下摆式光学透镜抛光机主要由机械部分、电控系统、气动系统和供液系统四部分组成。整机具有两个相互独立的加工单元， 每个加工单元都拥有一套独立的主轴系统、 压力轴系统、 摆幅控制系统和操作系统。 压力头部分利用气缸来实现工进和快速进退运动，工进到位后， 依靠压力头上的弹簧产生工作压力。 新设备虚拟样机总装图如图 3 所示。

　　2 机械部分设计

　　2.1 机架设计

　　传统光学加工设备为保证机架的刚度提高稳定性增加了不少筋板， 这种做法不仅加大了耗材， 而且并没有有效的避开激振频率， 造成设备易产生共振， 大大影响了镜片加工精度。 新设备开发时， 按装配要求设计出多款不同的机架， 通过相关应用软件对几款机架进行模态分析比较， 然后确定最佳设计方案。 机架底部有无约束时各阶固有频率值如表 1 所示， 机架底部有约束情况下第二阶模态振型如图 4 所示。 机架采用焊接方式将角钢连接起来， 加工时通过预留收缩余量、 合理选择焊接顺序及工艺等手段控制因焊接热应力、 残余应力和交变外力作用产生的变形。 另外， 在机架的底端安装地脚调平装置， 使运行 更 平稳， 噪音更低。