本发明公开了一种双柔性磨头磁流变抛光装置，所述装置中床身的竖直龙门和X轴均固定在水平底座上，工作台固定在X轴的滑块上，Y轴固定在竖直龙门的横梁上，第一Z轴、第二Z轴并排设置Y轴上。大柔性磨头安装在第一Z轴上，小柔性磨头安装在第二Z轴上。与大柔性磨头相连的大流量循环系统和与小柔性磨头相连的小流量循环系统设置在小车上。控制柜设置在竖直龙门的后面，循环系统柜以及清洗系统设置在竖直龙门的侧面。本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置精度高、刚度高、稳定性高、动态性能高，不仅可用于大口径位相类元件的加工，而且可用于大口径平面类光学元件在全口径范围内的高精度加工，能够实现加工效率与加工精度的最优匹配。
1.一种双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的抛光装置包括床身（1）、大柔性磨头（2）、小柔性磨头（3）、大流量循环系统（4）、小流量循环系统（5）、清洗系统（6）、防护罩（7）以及与上述各部分相连的测控系统；床身（1）包括水平底座（101）、竖直龙门（102）、X轴（103）、Y轴（104）、第一Z轴（105）以及第二Z轴（106）；竖直龙门（102）和X轴（103）分别固定在水平底座（101）上，竖直龙门（102）的横梁与立柱为一整体；用于装夹工件（8）的工装（9）安装于工作台（10）上，工作台（10）固定在X轴（103）的滑块上；Y轴（104）固定在竖直龙门（102）的横梁上；第一Z轴（105）和第二Z轴（106）并排安装在Y轴（104）的拖板上；大柔性磨头（2）安装在第一Z轴（105）的第一滑枕（1051）上、小柔性磨头（3）安装在第二Z轴（106）的第二滑枕（1061）上；大流量循环系统（4）与小流量循环系统（5）并排设置在小车（401）上，大流量循环系统（4）与大柔性磨头（2）相连，小流量循环系统（5）与小柔性磨头（3）相连；清洗系统（6）置于竖直龙门（102）的侧面；所述的抛光装置还设有防护罩（7），防护罩（7）包括床身罩壳（701）、控制柜（702）和循环系统柜（703），装有测控系统的控制柜（702）设置于竖直龙门（102）的后面，装有小车（401）的循环系统柜（703）以及清洗系统（6）设置于竖直龙门（102）的同一侧。
2.根据权利要求1所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）包括双支座联接架（201）、大抛光轮组件（202）、大轮驱动组件（203）、第一电磁场组件（204）、第一喷嘴组件（205）、第一收集器组件（206）及测头组件（207）；所述双支座联接架（201）安装在第一Z轴（105）的第一滑枕（1051）上；大抛光轮组件（202）安装在双支座联接架（201）的轮支座（2011）下；大轮驱动组件（203）安装在轮支座（2011）的侧面，并与大抛光轮组件（202）相连；第一电磁场组件（204）安装在双支座联接架（201）的磁支座（2012）下并置于大抛光轮组件（202）的大抛光轮（2022）内部；第一喷嘴组件（205）和第一收集器组件（206）架设于双支座联接架（201）的轮支座（2011）与磁支座（2012）之间，并位于大抛光轮（2022）的上方；测头组件（207）安装在双支座联接架（201）上靠近小柔性磨头（3）的侧面。
3.根据权利要求2所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）中的大抛光轮组件（202）包括大轴承座（2021）、大抛光轮（2022）、角接触球轴承、前轴承端盖（2024）、后轴承端盖（2025）、内套筒（2026）、外套筒（2027）、锁紧螺母（2028）及带轮（2029）；大轴承座（2021）安装在双支座联接架（201）的轮支座（2011）下；大抛光轮（2022）通过两个角接触球轴承安装在大轴承座（2021）内；两个角接触球轴承背对背地安装在大抛光轮（2022）的转轴上；内套筒（2026）和外套筒（2027）位于两个角接触球轴承之间；前轴承端盖（2024）和后轴承端盖（2025）分别装在两个角接触球轴承的外端并用螺钉紧固在大轴承座（2021）上，锁紧螺母（2028）和带轮（2029）依次装在大抛光轮（2022）的转轴末端。
4.根据权利要求2所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）中的第一电磁场组件（204）包括磁场支架（2041）、第一Π形磁轭（2042）、第一线圈（2043）、第一磁极（2044）、第一水电分离块（2045）、第一恒流源（2046）及第一温度传感器（2047）；非导磁不锈钢制作的磁场支架（2041）安装在所述双支座联接架（201）的磁支座（2012）下面；空心铜管绕制的第一线圈（2043）安装在第一Π形磁轭（2042）的顶部，并通过安装在磁场支架（2041）上的第一水电分离块（2045）分别与第一恒流源（2046）和设置于大流量循环系统（4）中的恒温控制器（416）相连；第一磁极（2044）安装在第一Π形磁轭（2042）的底部；第一温度传感器（2047）紧贴在第一线圈（2043）的外表面，并通过电缆与测控系统相连。
5.根据权利要求2所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）中的第一喷嘴组件（205）包括第一支撑杆（2051）、带V形槽的角位移台（2052）与带开口圆柱面的第一夹持块（2053）；第一支撑杆（2051）穿过第一夹持块（2053）的开口圆柱面，并架设于大抛光轮（2022）上方双支座联接架（201）的轮支座（2011）和磁支座（2012）之间；
带V形槽的角位移台（2052）安装在第一夹持块（2053）上；在带V形槽的角位移台（2052）的V形槽内夹持有喷嘴（407）。
6.根据权利要求2所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）中的第一收集器组件（206）包括第二支撑杆（2061）、带V形槽和开口圆柱面的第二夹持块（2062）；第二支撑杆（2061）穿过第二夹持块（2062）的开口圆柱面，并架设于大抛光轮（2022）上方双支座联接架（201）的轮支座（2011）和磁支座（2012）之间；第二夹持块（2062）的V形槽内夹持有收集器（409）。
7.根据权利要求2所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头（2）中的测头组件（207）包括第一气缸（2071）、测头支架（2072）、测头（2073）以及基座（2074）；第一气缸（2071）安装在基座（2074）上；测头支架（2072）连在第一气缸（2071）的滑块上；测头（2073）安装在测头支架（2072）的下端；基座（2074）固定在双支座联接架（201）的侧面。
8.根据权利要求1所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述大流量循环系统（4）包括小车（401）、第二气缸（402）、传送泵（403）、磁流阀（404）、电磁流量计（405）、在线水份仪（406）、喷嘴（407）、回收泵（408）、收集器（409）、抛光液存储罐（410）、补液罐（411）、微量泵（412）、第二温度传感器（413）、冷却盘管（414）、过程控制器（415）及恒温控制器（416）；抛光液存储罐（410）固定在小车（401）的上层；传送泵（403）安装在抛光液存储罐（410）上，通过管路与喷嘴（407）相连，并通过第二气缸（402）实现升降运动；回收泵（408）通过管路与收集器（409）相连，回收泵（408）固定在小车（401）的下层，位于抛光液存储罐（410）的正下方；喷嘴（407）、收集器（409）分别安装在大柔性磨头（2）的第一喷嘴组件（205）和第一收集器组件（206）上；在线水份仪（406）安装在传送泵（403）与喷嘴（407）之间的管路上，与过程控制器（415）、微量泵（412）、补液罐（411）共同组成粘度控制回路；
固定在循环系统柜（703）侧壁上的磁流阀（404）和电磁流量计（405）串接在传送泵（403）与喷嘴（407）之间的管路上，与过程控制器（415）共同组成流量控制回路；第二温度传感器（413）、冷却盘管（414）安装在抛光液存储罐（410）里，并与恒温控制器（416）共同组成温度控制回路；过程控制器（415）置于控制柜（703）中；恒温控制器（416）置于循环系统柜（703）中。
9.根据权利要求1所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述小柔性磨头（3）包括联接架（301）、第二电磁场组件（302）、小抛光轮组件（303）、第二喷嘴组件（304）、第二收集器组件（305）及小轮驱动组件（306）；联接架（301）安装在第二Z轴（106）的第二滑枕（1061）上；所述第二电磁场组件（302）包括非导磁不锈钢材料制作的固定板（3021）、第二Π形磁轭（3022）、第二线圈（3023）、第二磁极、第二水电分离块、第二恒流源（3026）及第三温度传感器（3027）；小抛光轮组件（303）包括小轴承座（3031）、小抛光轮（3032）；第二电磁场组件（302）通过固定板（3021）安装在联接架（301）上，两个第二磁极安装在第二Π形磁轭（3022）下方，并从两侧伸入小抛光轮（3032）内，第二线圈（3023）绕制在第二Π形磁轭（3022）的两臂上，并通过第二水电分离块分别与第二恒流源（3026）和恒温控制器（416）相连；四个第二水电分离块分别固定在联接架（301）的两侧，第三温度传感器（3027）紧贴在第二线圈（3023）的外表面，并通过电缆与测控系统相连；小抛光轮组件（303）的小轴承座（3031）安装在第二电磁场组件（302）的其中一个第二磁极的一侧臂上，小抛光轮（3032）穿过第二电磁场组件（302）的同一第二磁极，并架设在两磁极的气隙中间；第二喷嘴组件（304）、第二收集器组件（305）均架设于第二电磁场组件（302）的两个第二磁极之间，并位于小抛光轮（3032）的上方；小轮驱动组件（306）与小抛光轮组件（303）同侧安装并固定在第二电磁场组件（302）的第二Π形磁轭（3022）的侧臂上，并与小抛光轮组件（303）相连。
10.根据权利要求1所述的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述清洗系统（6）包括单向阀（601）、净水装置（602）、四通阀I（603）、清洗水槽（604）、四通阀II（605）、复合铁粉分离装置（606）、清水管路（607）及污水管路（608）；净水装置（602）安装在清水管路（607）上，净水装置（602）的入口通过单向阀（601）直接与外部的进水管道相连，出口通过四通阀I（603）分别与清洗水槽（604）的进水管路、大流量循环系统（4）的回收管路以及小流量循环系统（5）的回收管路相连；复合铁粉分离装置（606）安装在污水管路（608）上，复合铁粉分离装置（606）的入口通过四通阀II（605）分别与清洗水槽（604）的出水管路、大流量循环系统（4）的传送管路以及小流量循环系统（5）的传送管路相连，出口直接与外部的下水管道相连。
双柔性磨头磁流变抛光装置
技术领域
[0001] 本发明属于光学制造领域，具体涉及一种双柔性磨头磁流变抛光装置，特指一种用于对大口径、高精度位相类光学元件进行磁流变抛光的双柔性磨头磁流变抛光装置。
背景技术
[0002] 大口径连续位相板(Continuous Phase Plate，CPP)是一种新型的具有连续波面深浮雕拓扑结构的位相类光学元件，主要用于大型激光装置的靶面焦斑整形与光强控制。与传统的随机位相板（Random Phase Plate，RPP）、相息位相板（Kinoform Phase Plate，KPP）以及分布相位板（Distribution Phase Plate，DPP）等位相类元件相比，CPP具有更高的能量利用率、更精确的焦斑形态控制特性，被认为是实现大型激光装置光束匀滑最有效的解决方案。CPP通常采用石英材料制作、大小为430mm×430mm、波面严格连续且面形误差RMS≤30nm、幅值PV≤10μm、周期L≤5mm。CPP的这种“低面形误差、大轮廓深度与小空间周期”浮雕波面结构使其精密制造异常困难，传统的位相元件制造技术，例如多掩模套刻、无掩模直写、灰阶掩模以及刻蚀成型技术均无法满足大口径CPP的制造需求。
[0003] 磁流变抛光是近十多年来得以迅猛发展的一种确定性子口径抛光技术，它主要利用磁流变抛光液的可控流变特性来进行加工，即通过控制磁场的强度与分布来控制“柔性磨头”的形状与硬度、通过控制“柔性磨头”的运动轨迹及驻留时间参数来控制特定位置的材料去除。与传统的抛光技术相比，磁流变抛光技术具有极高加工精度、极高收敛效率与近无表面缺陷等显著特点，能够高效率、低成本地解决平面、球面、特别是非球面的超精密加工技术难题，被誉为是光学制造界的“革命性”技术。
[0004] 采用磁流变抛光技术加工大口径CPP的工艺难点主要表现在以下两个方面：一是如何高效地去除前缀工序在CPP元件上所产生的厚达数微米的变质层并快速获得较高精度的光学镜面质量；二是如何在获得的光学镜面上再高保真地刻印出具有“低面形误差、大轮廓深度与小空间周期”特征的浮雕波面。由此可见，大口径CPP磁流变加工对传统的“单柔性磨头”磁流变抛光装备提出了十分严峻的挑战，一方面高效率加工要求装备生成的去除函数形态要大、效率要高，另一方面高保真刻印却要求去除函数的形态要小、效率要低。而传统的“大柔性磨头”磁流变抛光工艺装备尽管能高效地去除变质层和大部分加工量，却无法获得实现CPP高保真刻印所必须的微小去除函数；而传统的“小柔性磨头”磁流变抛光工艺装备尽管能够获得微小去除函数，却无法快速地去除变质层和大部分加工量。因此，大口径CPP磁流变加工必须组合“大、小柔性磨头”的工艺能力。另外，CPP加工还要求磁流变抛光工艺装备的主运动轴应具有更大的速度及加速度响应及调节能力。
[0005] 根据相关文献及专利可知，已有的磁流变抛光装置主要是为了解决平面类或者透镜类光学元件的高精度加工问题，单柔性磨头配置是这些装置的共同特征。发明名称为“用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置”的中国专利（申请号：200810030898.1）文献，公开了国防科大开发的一种六轴竖直龙门式磁流变抛光机，该装置仅配置了一个较大规格柔性磨头，生成的去除函数形态较大，无法满足CPP的加工要求；发明名称为“用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置” 的中国专利（申请号： 200810031898.3）文献，公开了国防科大开发的一种六轴立式结构磁流变抛光机，该装置仅配置了一个小规格柔性磨头，不具备大口径光学元件的加工能力。目前国内尚无可用于加工位相类元件（例如大口径CPP）的双磨头磁流变抛光方法与装置。
发明内容
[0006] 本发明提供一种双柔性磨头磁流变抛光装置，本发明不仅可用于大口径位相类元件，例如大口径CPP的高保真、高效率与高抗激光损伤加工，而且可用于大口径平面类光学元件在全口径范围内的高精度加工。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：
[0008] 本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置，其特点是，所述的抛光装置包括床身、大柔性磨头、小柔性磨头、大流量循环系统、小流量循环系统、清洗系统、防护罩以及与上述各部分相连的测控系统；床身包括水平底座、竖直龙门、X轴、Y轴、第一Z轴以及第二Z轴；竖直龙门和X轴分别固定在水平底座上，竖直龙门的横梁与立柱为一整体；用于装夹工件的工装安装于工作台上，工作台固定在X轴的滑块上；Y轴固定在竖直龙门的横梁上；第一Z轴和第二Z轴并排安装在Y轴的拖板上；大柔性磨头安装在第一Z轴的第一滑枕上、小柔性磨头安装在第二Z轴的第二滑枕上；大流量循环系统与小流量循环系统并排设置在小车上，大流量循环系统与大柔性磨头相连，小流量循环系统与小柔性磨头相连；清洗系统置于竖直龙门的侧面；所述的抛光装置还设有防护罩，防护罩包括床身罩壳、控制柜和循环系统柜，装有测控系统的控制柜设置于竖直龙门的后面，装有小车的循环系统柜以及清洗系统设置于竖直龙门的同一侧。
[0009] 所述大柔性磨头包括双支座联接架、大抛光轮组件、大轮驱动组件、第一电磁场组件、第一喷嘴组件、第一收集器组件及测头组件；所述双支座联接架安装在第一Z轴的第一滑枕上；大抛光轮组件安装在双支座联接架的轮支座下；大轮驱动组件安装在轮支座的侧面，并与大抛光轮组件相连；第一电磁场组件安装在双支座联接架的磁支座下并置于大抛光轮组件的大抛光轮内部；第一喷嘴组件和第一收集器组件架设于双支座联接架的轮支座与磁支座之间，并位于大抛光轮的上方；测头组件安装在双支座联接架的侧面。
[0010] 所述大柔性磨头中的大抛光轮组件包括大轴承座、大抛光轮、角接触球轴承、前轴承端盖、后轴承端盖、内套筒、外套筒、锁紧螺母及带轮；大轴承座安装在双支座联接架的轮支座下；大抛光轮通过两个角接触球轴承安装在大轴承座内，其外表面直径为φ250mm~φ400mm；两个角接触球轴承背对背地安装在大抛光轮的转轴上；内套筒和外套筒位于两个角接触球轴承之间；前轴承端盖和后轴承端盖分别装在两个角接触球轴承的外端并用螺钉紧固在大轴承座上，锁紧螺母和带轮依次装在大抛光轮的转轴末端。
[0011] 所述大柔性磨头中的第一电磁场组件包括磁场支架、第一Π形磁轭、第一线圈、第一磁极、第一水电分离块、第一恒流源及第一温度传感器；非导磁不锈钢制作的磁场支架安装在所述双支座联接架的磁支座下面；空心铜管绕制的第一线圈安装在第一Π形磁轭的顶部，并通过安装在磁场支架上的第一水电分离块分别与第一恒流源和设置于大流量循环系统中的恒温控制器相连；第一磁极安装在第一Π形磁轭的底部；第一温度传感器紧贴在第一线圈的外表面，并通过电缆与测控系统相连。
[0012] 所述大柔性磨头中的第一喷嘴组件包括第一支撑杆、带V形槽的角位移台与带开口圆柱面的第一夹持块；第一支撑杆穿过第一夹持块的开口圆柱面，并架设于大抛光轮上方双支座联接架的轮支座和磁支座之间；带V形槽的角位移台安装在第一夹持块上；带V形槽的角位移台的V形槽内夹持有喷嘴。
[0013] 所述大柔性磨头中的第一收集器组件包括第二支撑杆、带V形槽和开口圆柱面的第二夹持块；第二支撑杆穿过第二夹持块的开口圆柱面，并架设于大抛光轮上方双支座联接架的轮支座和磁支座之间；第二夹持块的V形槽内夹持有收集器。
[0014] 所述大柔性磨头中的测头组件包括第一气缸、测头支架、测头以及基座；第一气缸安装在基座上；测头支架连在第一气缸的滑块上；测头安装在测头支架的下端；基座固定在双支座联接架的侧面。
[0015] 所述大流量循环系统包括小车、第二气缸、传送泵、磁流阀、电磁流量计、在线水份仪、喷嘴、回收泵、收集器、抛光液存储罐、补液罐、微量泵、第二温度传感器、冷却盘管、过程控制器及恒温控制器；抛光液存储罐固定在小车的上层；传送泵为离心泵，安装在抛光液存储罐上，通过管路与喷嘴相连，并通过第二气缸实现升降运动；回收泵为蠕动泵，通过管路与收集器相连，回收泵固定在小车的下层，位于抛光液存储罐的正下方；喷嘴、收集器分别安装在大柔性磨头的第一喷嘴组件和第一收集器组件上；在线水份仪安装在传送泵与喷嘴之间的管路上，与过程控制器、微量泵、补液罐共同组成粘度控制回路；固定在循环系统柜侧壁上的磁流阀和电磁流量计串接在传送泵与喷嘴之间的管路上，与过程控制器共同组成流量控制回路；第二温度传感器、冷却盘管安装在抛光液存储罐里，并与恒温控制器共同组成温度控制回路；过程控制器置于控制柜中；恒温控制器置于循环系统柜中。
[0016] 所述小柔性磨头包括联接架、第二电磁场组件、小抛光轮组件、第二喷嘴组件、第二收集器组件及小轮驱动组件；联接架安装在第二Z轴的第二滑枕上；所述第二电磁场组件包括非导磁不锈钢材料制作的固定板、第二Π形磁轭、第二线圈、第二磁极、第二水电分离块、第二恒流源及第三温度传感器；小抛光轮组件包括小轴承座、小抛光轮；第二电磁场组件通过固定板安装在联接架上，两个第二磁极安装在第二Π形磁轭下方，并从两侧伸入小抛光轮内，第二线圈绕制在第二Π形磁轭的两臂上，并通过第二水电分离块分别与第二恒流源和恒温控制器相连；四个第二水电分离块分别固定在联接架的两侧，第三温度传感器紧贴在第二线圈的外表面，并通过电缆与测控系统相连；小抛光轮组件的小轴承座安装在第二电磁场组件的其中一个第二磁极的一侧臂上，小抛光轮穿过第二电磁场组件的同一第二磁极，并架设在两磁极的气隙中间；小抛光轮的直径为φ20mm~φ80mm；第二喷嘴组件、第二收集器组件均架设于第二电磁场组件的两个第二磁极之间，并位于小抛光轮的上方；小轮驱动组件与小抛光轮组件同侧安装并固定在第二电磁场组件的第二Π形磁轭的侧臂上，并与小抛光轮组件相连。
[0017] 小柔性磨头的第二喷嘴组件与所述大柔性磨头的第一喷嘴组件结构相同；小柔性磨头的第二收集器组件与所述大柔性磨头的第一收集器组件结构相同；小流量循环系统与所述大流量循环系统共用一个过程控制器和一个恒温控制器且两者的管路及结构相同。
[0018] 所述清洗系统包括单向阀、净水装置、四通阀I、清洗水槽、四通阀II、复合铁粉分离装置、清水管路及污水管路；净水装置安装在清水管路上，净水装置的入口通过单向阀直接与外部的进水管道相连，出口通过四通阀I分别与清洗水槽的进水管路、大流量循环系统的回收管路以及小流量循环系统的回收管路相连；复合铁粉分离装置安装在污水管路上，复合铁粉分离装置的入口通过四通阀II分别与清洗水槽的出水管路、大流量循环系统的传送管路以及小流量循环系统的传送管路相连，其口直接与外部的下水管道相连。
[0019] 本发明的优点在于：
[0020] 1、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置可为大口径高精度位相类元件，例如大口径CPP的高保真、高效率与高抗激光损伤加工提供一种全新的、可行的方法和工具。
[0021] 2、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置可为大口径高精度光学元件在全口径范围内的面形质量控制提供一种最优的制造方法和工具，可实现加工效率与制造精度的有效匹配，可实现材料高效去除、面形精度收敛以及表面纹理控制三种工艺模式的有效集成，工程应用价值极为显著。
[0022] 3、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置采用刚性竖直龙门结构作为床身主体，竖直龙门的横梁与立柱设计为一体且其横梁为矩形台阶中空结构，竖直龙门整体置于底座上，底座安装在多个可调垫铁上，这种结构具有精度高、刚度高、稳定性高、动态性能高，完全满足了CPP加工对装置的静动态刚度、结构稳定性以及精度保持性的要求。
[0023] 4、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的Y轴驱动电机及滚珠丝杠幅安装在横梁的侧面，Y轴两直线滚动导轨分别安装竖直龙门横梁的顶面和侧面，其中，顶面导轨主要起承重与导向作用、侧面导轨主要起导向作用，能显著提高Y轴的直线度并减小双抛光轮机构在X向的悬臂长度与倾覆力矩。
[0024] 5、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置配置了两个运动完全独立的Z轴（第一Z轴、第二Z轴），其中，大抛光轮机构安装在第一Z轴上、小抛光轮机构安装在第二Z轴上。大、小抛光轮机构并列排放，轮轴与Y轴垂直。抛光时，一个抛光轮机构处于工作位，另一个抛光轮处在非工作位，不仅能克服抛光轮机构与待加工元件或相关夹持工装在加工过程中可能发生的结构干涉问题，而且有利于操作人员对现场工艺过程的监控且元件装调、喷嘴与收集器的装拆以及管路的清洗等操作极为方便。
[0025] 6、本发明双柔性磨头磁流变抛光装置中的X轴安装在底座上，为抛光主运动轴，其运动方向与大、小抛光轮机构的轮轴方向平行，具有较宽的速度调节范围与加速度响应能力，能够满足CPP加工对主运动轴的动态性能要求并为抛光收敛效率的提高与迭代加工次数的减少提供设备支持。
[0026] 7、本发明双柔性磨头磁流变抛光装置中的大、小抛光轮机构在抛光过程仅随Y轴作慢进给运动，而不参与变速度运动的X轴，大大减小了X轴速度变化造成抛光液流量波动的可能性，确保了抛光工艺过程的稳定。
[0027] 8、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置开发了工件对刀传感检测装置以及工件位姿状态监测系统，能够快速地实现柔性缎带厚度与柔性缎带浸入工件深度的精确标定以及工件位姿的精确调整，大大减少抛光工艺辅助时间并提高作业效率。
[0028] 9、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的大、小抛光轮机构均采用轮轴一体式结构设置，显著提高了抛光轮的径向跳动精度；喷嘴角度能在一定范围内精确调节，完全满足了不同抛光工艺对不同柔性缎带形态的控制要求。
[0029] 10、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的内、外置式电磁场组件均采用内冷式空心线圈作为电磁转换器件，不仅冷却效果更优，而且磁场强度更高；均采用温度传感器对线圈温度进行了实时监测，提高了装置的故障诊断能力、确保了装置的使用安全性。
[0030] 11、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的大、小流量循环系统各自工作完全独立，可以传送MRP-I、MRP-II两种不同类型的磁流变抛光液。其中，大流量循环系统用于大抛光轮机构，主要用来传送MRP-I型抛光液，小流量循环系统用于小抛光轮机构，主要用来传送MRP-II型抛光液，不仅满足了石英材料制作的大口径CPP对高保真、高效率与高抗激光损伤的加工要求，而且降低了装置加工不同种类材料时抛光液相互污染的风险。
[0031] 12、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的大、小流量循环系统的离心泵转速固定，通过改变流经磁流阀的抛光液粘度来改变离心泵的出口压力，进而改变离心泵的输出流量，大大降低了离心泵叶轮在高速旋转下负载不均而产生的脉动，显著提高了流量的控制精度和去除函数的稳定性。
[0032] 13、本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置中的大、小流量循环系统采用在线水份仪测量抛光液中的水份含量，根据特定算法计算补水量，并根据补水量实时控制微量泵的补水频率来实现水份的在线补偿，进而保持抛光液零场粘度的恒定，能有效解决补水过程的非线性与大滞后等技术问题，粘度控制精度更高、去除函数的稳定性更好。
[0033] 本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置精度高、刚度高、稳定性高、动态性能高，不仅可用于大口径位相类元件的加工，而且可用于大口径平面类光学元件在全口径范围内的高精度加工，能够实现加工效率与加工精度的最优匹配。
附图说明
[0034] 图1为本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置结构示意图；
[0035] 图2为本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置外观布局图；
[0036] 图3为本发明中的床身结构示意图；
[0037] 图4为本发明中的大柔性磨头结构示意图；
[0038] 图5为本发明中的大柔性磨头的大抛光轮组件结构示意图；
[0039] 图6为本发明中的大柔性磨头的第一电磁场组件结构示意图；
[0040] 图7为本发明中的大柔性磨头的第一喷嘴组件结构示意图；
[0041] 图8为本发明中的大柔性磨头的第一收集器组件结构示意图；
[0042] 图9为本发明中的大柔性磨头的测头组件结构示意图；
[0043] 图10为本发明中的大流量循环系统及小流量循环系统结构正面侧视图；
[0044] 图11为本发明中的大流量循环系统及小流量循环系统结构背面侧视图；
[0045] 图12为本发明中的大流量循环系统冷却盘管与第三温度传感器安装示意图；
[0046] 图13为本发明中的小柔性磨头结构示意图；
[0047] 图14为本发明中的小柔性磨头的第二电磁场组件结构示意图；
[0048] 图15为图13的局部放大图I；
[0049] 图16为本发明中的清洗系统工作原理图；
[0050] 图中，1.床身 101.水平底座 102.竖直龙门 103.X轴 104.Y轴105.第一Z轴 106.第二Z轴 1051.第一滑枕 1061.第二滑枕 2.大柔性磨头 201.双支座联接架 202.大抛光轮组件 203.大轮驱动组件 204.第一电磁场组件 205.第一喷嘴组件 206.第一收集器组件 207.测头组件
2011.轮支座 2012.磁支座 2021.大轴承座 2022.大抛光轮 2023.角接触球轴承 2024.前轴承端盖 2025.后轴承端盖 2026.内套筒 2027.外套筒 2028.锁紧螺母 2029.带轮 2041.磁场支架 2042.第一Π形磁轭 2043.第一线圈 2044.第一磁极 2045.第一水电分离块 2046.第一恒流源 2047.第一温度传感器 2051.第一支撑杆 2052.带V形槽的角位移台 2053.第一夹持块 2061.第二支撑杆 2062.第二夹持块 2071.第一气缸 2072.测头支架 2073.测头 2074.基座 3.小柔性磨头 301.联接架 302.第二电磁场组件 303.小抛光轮组件 304.第二喷嘴组件
305.第二收集器组件 306.小轮驱动组件 3021.固定板 3022.第二Π形磁轭 3023.第二线圈 3024.第二磁极 3025.第二水电分离块 3026.第二恒流源 3027.第三温度传感器 3031.小轴承座 3032.小抛光轮 4.大流量循环系统 401.小车 402.第二气缸 403.传送泵 404.磁流阀
405.电磁流量计 406.在线水份仪 407.喷嘴 408.回收泵 409.收集器 410.抛光液存储罐 411.补液罐 412.微量泵 413.第二温度传感器 414.冷却盘管 415.过程控制器 416.恒温控制器 5.小流量循环系统 6.清洗系统 601.单向阀 602.净水装置 603.四通阀I 604.清洗水槽 605.四通阀II 606.复合铁粉分离装置 607.清水管路 608.污水管路 7.防护罩 701.床身罩壳 702.控制柜 703.循环系统柜
8.工件 9.工装 10.工作台。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0052] 实施例1
[0053] 图1为本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置结构示意图，图2为本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置外观布局图，图3为本发明的床身结构示意图。如图1-图3所示，本发明的双柔性磨头磁流变抛光装置，它包括床身1、大柔性磨头2、小柔性磨头3、大流量循环系统4、小流量循环系统5、清洗系统6、防护罩7以及与上述各部分相连的测控系统。床身1包括水平底座101、竖直龙门102、X轴103、Y轴104、第一Z轴105以及第二Z轴106。竖直龙门102固定在水平底座101上，X轴103固定在水平底座101上，工件8装夹在工装
9上、工装9安装在工作台10上、工作台10固定在X轴103的滑块上，Y轴104固定在竖直龙门102的横梁上，第一Z轴105和第二Z轴106并排安装在Y轴104的拖板上。大柔性磨头2安装在第一Z轴105的第一滑枕1051上、小柔性磨头3安装在第二Z轴106的第二滑枕1061上。大流量循环系统4与小流量循环系统5并排设置于小车401上，大流量循环系统4与大柔性磨头2相连、小流量循环系统5与小柔性磨头3相连。清洗系统6设置于竖直龙门102的侧面。防护罩7包括床身罩壳701、控制柜702和循环系统柜703，装有测控系统的控制柜702设置于竖直龙门102的后面，装有小车401的循环系统柜703紧靠清洗系统6 设置于竖直龙门102的同一侧面。本实施例中，大柔性磨头2与小柔性磨头3的工作完全独立，即大柔性磨头2处于工作状态时小柔性磨头3位于非加工位，而小柔性磨头
3处于工作状态时大柔性磨头2处于非加工位。
[0054] 本实施例的床身1中的X轴103、Y轴104、第一Z轴105、第二Z轴106，均包括交流伺服电机、弹性联轴器、直线滚动导轨、滚珠丝杠、滑块、拖板及防护罩，交流伺服电机通过弹性联轴器直接驱动滚珠丝杠运动、滚珠丝杠带动套设在其上的滑块运动、滑块进一步带动固定在其上的拖板运动，从而实现了坐标轴的直线运动。Y轴104的两直线滚动导轨分别安装在竖直龙门102的横梁顶部与侧面，顶部导轨主要起承重与导向作用、侧面导轨主要起导向作用，这种布局有利于减小安装在其上的各零部件，如第一Z轴105、第二Z轴106、大柔性磨头2及小柔性磨头3的自重引起直线导轨的变形，能够显著提高Y轴104的直线度。竖直龙门102整体设计，且其横梁为矩形台阶中空结构，确保了装置具有良好的静动态刚度与精度稳定性。竖直龙门102与水平底座101的接合面均经过精密刮研，确保了接触面的接触刚度。X轴103、Y轴104、第一Z轴105与第二Z轴106均采用高精度滚动直线导轨作为运动导向系统，确保了装置具有良好的精度稳定性，各个导轨安装面均经过精密刮研，保证了各个直线轴之间的垂直度。
[0055] 图4为本发明中的大柔性磨头结构示意图。如图4所示，本发明中的大柔性磨头2包括双支座联接架201、大抛光轮组件202、大轮驱动组件203、第一电磁场组件204、第一喷嘴组件205、第一收集器组件206及测头组件207。安装在第一滑枕1051上的双支座联接架201采用整体铸件制作，可为安装在其上组件及结构提供一个高度集成的安装平台，具有装配方便、精度稳定性好以及模块化程度高等显著优点；大抛光轮组件202安装在双支座联接架201的轮支座2011下；大轮驱动组件203安装在双支座联接架201的轮支座2011的侧面，并与大抛光轮组件202相连；第一电磁场组件204安装在双支座联接架201的磁支座
2012下并置于大抛光轮组件202的大抛光轮2022内部；第一喷嘴组件205架设于双支座联接架201的轮支座2011和磁支座2012之间，并位于大抛光轮2022的上方；第一收集器组件206同样架设于双支座联接架201的轮支座2011和磁支座2012之间，并位于大抛光轮2022的上方；测头组件207安装在双支座联接架201的侧面。采用大柔性磨头2可获得去除效率高、去除形态大的抛光斑，可用于光学元件表面变质层材料的快速去除以及面形的中等精度抛光过程。
[0056] 图5为本发明中的大柔性磨头的大抛光轮组件结构示意图。如图5所示，本发明中安装在双支座联接架201的轮支座2011下的大抛光轮组件202，包括大轴承座2021、大抛光轮2022、角接触球轴承2023、前轴承端盖2024、后轴承端盖2025、内套筒2026、外套筒2027、锁紧螺母2028及带轮2029。大轴承座2021安装在双支座联接架201的轮支座2011下，大抛光轮2022通过两个角接触球轴承2023安装在大轴承座2021内，本实施例中，大抛光轮2022的外表面直径为φ250mm，外形为“ ”形，并采用非导磁不锈钢材料制造，两个角接触球轴承2023背对背地安装在大抛光轮2022的转轴上，内套筒2026和外套筒2027位于两个角接触球轴承2023之间，前轴承端盖
2024和后轴承端盖2025分别安装在两个角接触球轴承2023的外端并用螺钉紧固在大轴承座2021上，锁紧螺母2028和带轮2029依次装在大抛光轮2022的转轴末端。
[0057] 图6为本发明中的大柔性磨头的第一电磁场组件结构示意图。如图6所示，本发明中安装在双支座联接架201的磁支座2012下并置于大抛光轮2022内部的第一电磁场组件204，主要包括磁场支架2041、第一Π形磁轭2042、第一线圈2043、两个第一磁极2044、两个第一水电分离块2045、第一恒流源2046及第一温度传感器2047，磁场支架2041安装在联接架201的磁支座2012下面，采用非导磁不锈钢材料制作，设有X向及Z向滑槽，可保证第一电磁场组件204在大抛光轮2022内的精确定位，第一Π形磁轭2042将第一线圈2043感生出来的磁力线集中引向第一磁极2044、第一磁极2044将第一Π形磁轭2042聚集的磁力线尽可能多的引入抛光区并形成具有近高斯分布的强峰值磁场，空心铜管制作的第一线圈2043安装在第一Π形磁轭2042的顶部，其实心部分通电、空心部分通水，并通过安放在磁场支架2041侧面的第一水电分离块2045进行冷却水与直流电的聚合和分离，第一线圈2043采用第一恒流源2046激励，第一恒流源2046通过电缆与测控系统相连，调节第一恒流源2046的输出电流大小可实现抛光区的磁场强度调节，另外第一线圈2043外表面设有第一温度传感器2047，第一温度传感器2047同样通过电缆与测控系统相连，进而实现第一线圈2043温度的实时监测，整个第一电磁场组件204依靠气隙下方一定范围内的漏磁通进行工作，能够确保磁流变抛光液在大抛光轮2022的外表面形成一个具有一定硬度的、单一的、稳定的柔性缎带，完全满足了抛光工艺的要求。
[0058] 图7为本发明中的大柔性磨头的第一喷嘴组件结构示意图。如图7所示，本发明中的第一喷嘴组件205架设于双支座联接架201的轮支座2011和磁支座2012之间，并位于大抛光轮2022的上方；第一喷嘴组件205包括第一支撑杆2051、带V形槽的角位移台2052与带开口圆柱面的第一夹持块2053；第一支撑杆2051穿过第一夹持块2053的开口圆柱面，并通过螺钉紧固在双支座联接架201上，带V形槽的角位移台2052安装在第一夹持块2053上，带V形槽的角位移台2052的V形槽内夹持有喷嘴407；第一喷嘴组件205具有X、A两个自由度的调节功能，其中X自由度调节第一喷嘴组件205与第一磁场组件204的对中性、A自由度调节喷嘴407的倾角。
[0059] 图8为本发明中的大柔性磨头的第一收集器组件结构示意图。如图8所示，本发明中的第一收集器组件206同样架设于双支座联接架201的轮支座2011和磁支座2012之间，并位于大抛光轮2022的上方；第一收集器组件206包括第二支撑杆2061与带V形槽和开口圆柱面的第二夹持块2062；第二支撑杆2061穿过第二夹持块2062的开口圆柱面，并通过螺钉紧固在双支座联接架201上，第二夹持块2062的V形槽内夹持有收集器409；第一收集器组件206具有X向调节能力，用于调节第一收集器组件206与第一磁场组件204的对中性。
[0060] 图9为本发明中的大柔性磨头的测头组件结构示意图。如图9所示，本发明中安装在双支座联接架201靠近小柔性磨头3的侧面上的测头组件207，其主要作用是确定柔性缎带的厚度、工件端面的高度以及柔性缎带浸入到工件的深度；测头组件207包括第一气缸2071、测头支架2072、测头2073以及基座2074，第一气缸2071安装在基座2074上，测头支架2072连在第一气缸2071的滑块上，测头2073安装在测头支架2072的下端，基座2074固定在双支座联接架201靠近小柔性磨头3的侧面上。无轮是大柔性磨头2还是小柔性磨头3处于工作状态，测量时测头2073均先随第一气缸2071由“测量初始位”快速向下运动到设在大抛光轮组件202侧下方的“待测量位”，然后自“待测量位”随大柔性磨头2一起慢慢地向下运动到与工件8接触，记录该位置完成测量，测量完成后按相反的流程快速回退并复位。
[0061] 图10为本发明中的大流量循环系统及小流量循环系统结构正面侧视图，图11为本发明中的大流量循环系统及小流量循环系统结构背面侧视图，图12为本发明中的大流量循环系统冷却盘管与第三温度传感器安装示意图。如图10-图12所示，本发明中的大流量循环系统4包括小车401、第二气缸402、传送泵403、磁流阀404、电磁流量计405、在线水份仪406、喷嘴407、回收泵408、收集器409、抛光液存储罐410、补液罐411、微量泵412、第二温度传感器413、冷却盘管414、过程控制器415及恒温控制器416。抛光液存储罐410固定在小车401的上层。传送泵403为离心泵，安装在抛光液存储罐410上方，用管路与喷嘴407相连，通过第二气缸402实现升降。回收泵408为蠕动泵，位于抛光液存储罐410的正下方，固定在小车401下层，通过管路与收集器409相连。喷嘴407、收集器409分别安装在大柔性磨头2的第一喷嘴组件205和第一收集器组件206上。在线水份仪406安装在传送泵403与喷嘴407之间的管路上，与置于控制柜702内的过程控制器415、微量泵412、补液罐411共同组成粘度控制回路。固定在循环系统柜703的侧壁上的磁流阀404和电磁流量计405都串接在传送泵403与喷嘴407的管路中，与过程控制器415共同组成流量控制回路。第二温度传感器413、冷却盘管414装设于抛光液存储罐410里，并与恒温控制器416共同组成温度控制回路。过程控制器415放在控制柜702里，恒温控制器416放在循环系统柜703里。
[0062] 大流量循环系统4工作时，首先由传送泵403将存储罐410里的磁流变抛光液泵入传送管路里并经喷嘴407喷向大抛光轮2022；然后，磁流变抛光液受磁场作用形成柔性缎带并由旋转大抛光轮2022带入抛光区对工件8进行加工；最后，收集器409将离开抛光区的磁流变抛光液回收到管路中并由回收泵408泵入存储罐410里。在工作中，磁流变抛光液的水份含量主要通过粘度控制回路实现了闭环控制，即采用在线水份仪406测量抛光液中的水份含量，通过特定的算法计算补水量，并根据补水量实时控制微量泵412的补水频率来实现水份的在线补偿进而保持抛光液水份恒定；喷嘴407的流量大小通过流量控制回路实现了闭环控制，即固定传送离心泵403的转速，通过改变流经磁流阀404的抛光液粘度来改变传送离心泵403的出口压力，进而改变传送离心泵403的输出流量；抛光液的温度大小主要通过温度控制回路实现了开环控制。小流量循环系统5与大流量循环系统4的管路及结构完全相同，两者共用一个过程控制器415和一个恒温控制器416，其不同之处主要体现在相关元器件的工作参数以及磁流变抛光液的工作使用状态等方面。
[0063] 图13为本发明中的小柔性磨头结构示意图，图14为本发明中的小柔性磨头的第二电磁场组件结构示意图，图15为图13的局部放大图I。如图13所示，本发明中的小柔性磨头3包括联接架301、第二电磁场组件302、小抛光轮组件303、第二喷嘴组件304、第二收集器组件305及小轮驱动组件306，小柔性磨头3的联接架301安装在第二Z轴106的第二滑枕1061上。采用小柔性磨头3可获得去除形态小、去除单位小的抛光斑，可用于大口径位相类元件，例如CPP元件的小空间周期质量控制以及大口径平面类元件的面形高精度收敛与边缘质量控制等过程。
[0064] 如图13-图15所示，所述小柔性磨头3中的第二电磁场组件302包括非导磁不锈钢材料制作的固定板3021、第二Π形磁轭3022、第二线圈3023、第二磁极3024、第二水电分离块3025、第二恒流源3026及第三温度传感器3027，第二电磁场组件302通过固定板3021安装在联接架301上，小抛光轮组件303通过小轴承座3031固定在第二电磁场组件
302的第二磁极3024的一侧面上，本实施例中，设置有两个第二磁极，第二磁极3024是其中一个，小抛光轮3032穿过第二磁极3024并架设在两个第二磁极的气隙中间，第二喷嘴组件304、第二收集器组件305架设于电磁场组件302的两个第二磁极之间并位于小抛光轮组件303的上方，小轮驱动组件306与小抛光轮组件303同侧安装，并固定在第二电磁场组件
302的第二Π形磁轭3022的一侧臂上。小柔性磨头3的第二喷嘴组件304、第二收集器组件305、小轮驱动组件306分别与大柔性磨头2的第一喷嘴组件205、第一收集器组件206、大轮驱动组件203的结构相同；本实施例中，小抛光轮3032的直径为φ20mm、其外形为“”形。两个第二磁极从两侧伸入小抛光轮3032内，本实施例中设置有两个第二线圈，第二线圈3023是其中一个，设置有四个第二水电分离块，第二电分离块3025是其中一个，四个第二水电分离块分别固定在联接架301的两侧，两个第二线圈分别安装在第二Π形磁轭3022的两臂上，并通过四个第二水电分离块分别与第二恒流源3026和恒温控制器416相连；第三温度传感器3027紧贴在第二线圈3023的外表面，并通过电缆与测控系统相连，用来监测线圈的温度。
[0065] 图16为本发明中的清洗系统工作原理图。如图16所示，所述的清洗系统6包括单向阀601、净水装置602、四通阀I603、清洗水槽604、四通阀II605、复合铁粉分离装置606、清水管路607及污水管路608，主要用于循环系统的在位清洗、床身结构的及时擦洗以及元件表面的预清洗。净水装置602安装在清水管路607上，净水装置602入口通过单向阀601直接与外部的进水管道相连，出口通过四通阀I603分别与清洗水槽604的进水管路、大流量循环系统4的回收管路以及小流量循环系统5的回收管路相连，主要用于过滤自来水中的杂质以防止清洗后残留的自来水污染抛光液。复合铁粉分离装置606安装在污水管路608上，复合铁粉分离装置606入口通过四通阀II605分别与清洗水槽604的出水管路、大流量循环系统4的传送管路以及小流量循环系统5的传送管路相连，出口直接与外部的下水管道相连，主要用于过滤废水中混合的复合铁粉以防止其污染环境。
[0066] 大流量循环系统4的清洗流程为：回收存储罐410中的抛光液；拆掉喷嘴407、收集器409，单独清洗；将传送管路与污水管路608以及回收管路与清水管路607进行对接、打开清水管路607上的单向阀601、运转回收泵408将经过过滤的清水注入到存储罐410中、运转传送泵403将存储罐410中的污水排出直到干净；排出存储罐410、传送管路以及回收管路中残留的清水，至此实现对整个循环系统的在位清洗。
[0067] 实施例2
[0068] 本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，本实施例中的大抛光轮2022的外表面直径为φ300mm，小抛光轮3032的直径为φ50mm。
[0069] 实施例3
[0070] 本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，本实施例中的大抛光轮2022的外表面直径为φ400mm，小抛光轮3032的直径为φ80mm。
