用于非球面光学元件抛光的数控摆机构技术领域
本发明涉及光学加工，特别是一种用于非球面光学元件抛光的数控摆机构。
背景技术
在专利《一种大口径光学元件的数控抛光机械手》(专利公开号CN 101386146 B)
中，介绍了一种数控摆动式抛光机械。该机械X轴为摆动轴，Y轴为伸缩轴，均为伺服电机控
制，假设要使抛光头按设定的轨迹运行，则伺服电机很可能不做匀速圆周运动，而是做复杂
的变速运动，做复杂变速运动的电机不可能有高的转速，这意味着抛光头的移动速度受限，
同时由于使用了主动驱动的抛光头，这类抛光头由于质量较大，使移动速度进一步受限，那
么该机床抛光头转动，整体以较低的速度运动，据此，该发明与传统的数控抛光方式(CCOS)
无异，加工的工件容易存在刀纹，在一些场合不适用；若调整偏心轴在摆盘上的位置，减小
偏心距，使得X轴驱动电机可以整周匀速转动，虽然X轴移动速度可以得到一定提高，但仍受
质量较大的抛光头的限制，不能很高，另一方面，此时抛光轨迹单一，不能满足元件加工的
需要。
综上所述，该发明运动不够灵活，与传统数控抛光方式(CCOS)无异，不能取代传统
修带方式，且不能达到所述的积极效果。
使用小工具修带需要的力并不大，传统数控抛光方式(CCOS)，采用笨重的机床加
工，灵活性差，加工质量差，很多情况下依然需要手修，但手修非球面光学元件存在劳动强
度大、面形难以精确控制的缺点，所以非球面光学加工中迫切需要一种可以取代手修的抛
光设备。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题而提供一种用于旋转对称非球面光学元件抛光
的数控摆机构，该数控摆机构可以取代传统手修非球面的过程。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于非球面光学元件抛光的数控摆机构，其特点在于，包括机架、主轴电机、
电控曲柄、电控连杆、摇杆、摆臂、配重块、十字万向节、抛光盘、控制器和电滑环，所述的电
控曲柄包括曲柄架、曲柄电机、曲柄丝杆、曲柄导轨和曲柄滑台，所述的电控连杆包括连杆
架、连杆电机、连杆丝杆、连杆导轨和连杆滑台；
所述的电控曲柄的曲柄架、曲柄电机、曲柄丝杆、曲柄导轨和曲柄滑台组成直线导
轨滑台模块，所述的曲柄架上固设有竖直转轴，所述的曲柄滑台上固设有竖直转轴，所述的
曲柄架的竖直转轴通过轴承安装在所述的机架上，所述的曲柄滑台的移动方向垂直于所述
的曲柄架的竖直转轴方向，所述的主轴电机固定在所述的机架上，所述的主轴电机的轴线
方向为竖直方向，所述的主轴电机的转子输出端通过联轴器连接到所述的曲柄架的竖直转
轴上，所述的电控连杆的连杆架、连杆电机、连杆丝杆、连杆导轨和连杆滑台组成直线导轨
滑台模块，所述的连杆架的一端通过轴承安装在所述的曲柄滑台的竖直转轴上，所述的连
杆滑台上固设有竖直转轴，所述的连杆滑台的竖直转轴通过轴承连接在所述的摇杆的后
端，所述的摇杆的前端固设有竖直转轴，所述的摇杆的竖直转轴通过轴承连接在所述的机
架上，所述的摆臂的后端在垂直于摆臂长度方向设有水平转轴，所述的摆臂的水平转轴通
过轴承连接在所述的摇杆上，所述的摆臂向后设有延伸杆，所述的摆臂的延伸杆上固设有
所述的配重块，所述的十字万向节的一端的输出杆向上固设在所述的摆臂的前端，所述的
十字万向节的另一端下方固设有所述的抛光盘，所述的电滑环套在所述的曲柄架的竖直轴
上，所述的控制器的控制端通过导线连接到所述的主轴电机、所述的摇杆电机和所述的电
滑环的输入端上，所述的电滑环的输出端通过导线连接在所述的曲柄电机的输入端上。
所述的机架包括底座、调整架和拉杆组三部分，所述的底座上设有水平板，所述的
调整架上设有水平底板，所述的拉杆组包括4～8个拉杆，所述的4～8个拉杆的一端通过螺
栓固定所述的水平底板的前后两侧，所述的4～8个拉杆的另一端通过螺栓固定在所述的水
平底板的前后两侧。
所述的拉杆组的各个单元开有长条形通孔，长条方向为沿着拉杆的长度方向。
所述的机架包括底座和调整架两部分，所述的底座上设有竖直固定板，所述的调
整架上设有竖直安装板，所述的竖直安装板通过螺栓固定在所述的竖直固定板上。
所述的用于非球面光学元件抛光的数控摆机构，其特征是所述的主轴电机是交流
减速电机或直流减速电机。
所述的曲柄电机是步进电机或伺服电机。
所述的摇杆电机是步进电机或伺服电机。
所述的十字万向节的两根轴线相交，且交点与连接所述的抛光盘的位置的距离小
于2厘米。
所述的控制器包括可编程两轴运动控制器和交流电机调速控制器或直流电机调
速控制器。
本发明的工作原理描述为：
将所述的机架上的底座固定相对与抛光工件的正确位置上，松开所述的机架上固
定所述的拉杆的螺栓或松开固定所述的机架上的固定板和安装板的螺栓，调整所述的机架
的调整架相对于工件至合适的角度。所述的机架、电控曲柄、电控连杆和摇杆组成了曲柄和
连杆长度可调的曲柄摇杆机构，所述的电控曲柄在所述的主轴电机的驱动下转动，所述的
电控曲柄转动通过所述的电控连杆带动所述的摇杆摆动，所述的摇杆带动所述的抛光盘在
工件上摆动，所述的控制器通过控制所述的主轴电机控制所述的抛光盘的摆速，通过控制
所述的曲柄电机控制所述的抛光盘摆幅，通过控制所述的连杆电机控制所述的抛光盘的摆
动位置，从而完成非球面光学元件的研磨或抛光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
传统的手修旋转对称非球面光学元件的过程中，手只要在光学元件的半径方向上
运动就足够，运动控制参数主要包括摆速、摆幅和摆动位置，使抛光盘与工件良好接触主要
依靠手对抛光盘的控制，合理的控制应该使抛光头可以二维角度浮动。本发明中，所述的控
制器通过控制所述的主轴电机控制所述的抛光盘的摆速，通过控制所述的曲柄电机控制所
述的抛光盘摆幅，通过控制所述的连杆电机控制所述的抛光盘的摆动位置，通过所述的十
字万向节使所述的抛光盘可以二维浮动，所以本发明可以模拟手修的过程。
与手修非球面方式相比，该发明可以提高加工效率与加工精度。与其他机械抛光
方式相比，该发明具有抛光头驱动部分轻巧、移动速度快的优点，这些优点可以帮助减少工
件面形的中频误差。
附图说明
图1为本发明用于非球面光学元件抛光的数控摆的结构示意图；
图2为本发明中机架上一种连接底座和调整架的拉杆形状；
图3为本发明结构简图；
图4为一种非球面面形；
图5为本发明中抛光盘的一种运动轨迹；
图中，1-机架，2-主轴电机，3-电控曲柄，3-1-曲柄架，3-2-曲柄电机，3-3-曲柄丝
杆，3-4-曲柄导轨，3-5-曲柄滑台，4-电控连杆，4-1-连杆架，4-2-连杆电机，4-3-连杆丝杆，
4-4-连杆导轨，4-5-连杆滑台，5-摇杆，6-摆臂，7-配重块，8-十字万向节，9-抛光盘，10-控
制器，11-电滑环，12-工件。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步说明。
参看图1，图1为本发明用于非球面光学元件抛光的数控摆结构示意图，包括机架
1、主轴电机2、电控曲柄3、电控连杆4、摇杆5、摆臂6、配重块7、十字万向节8、抛光盘9、控制
器10和电滑环11，所述的电控曲柄3包括曲柄架3-1、曲柄电机3-2、曲柄丝杆3-3、曲柄导轨
3-4和曲柄滑台3-5，所述的电控连杆4包括连杆架4-1、连杆电机4-2、连杆丝杆4-3、连杆导
轨4-4和连杆滑台4-5；
所述的电控曲柄3的曲柄架3-1、曲柄电机3-2、曲柄丝杆3-3、曲柄导轨3-4和曲柄
滑台3-5组成直线导轨滑台模块，所述的曲柄架3-1上固设有竖直转轴，所述的曲柄滑台3-5
上固设有竖直转轴，所述的曲柄架3-1的竖直转轴通过轴承安装在所述的机架1上，所述的
曲柄滑台3-5的移动方向垂直于所述的曲柄架3-1的竖直转轴方向，所述的主轴电机2固定
在所述的机架1上，所述的主轴电机2的轴线方向为竖直方向，所述的主轴电机2的转子输出
端通过联轴器连接到所述的曲柄架3-1的竖直转轴上，所述的电控连杆4的连杆架4-1、连杆
电机4-2、连杆丝杆4-3、连杆导轨4-4和连杆滑台4-5组成直线导轨滑台模块，所述的连杆架
4-1的一端通过轴承安装在所述的曲柄滑台3-5的竖直转轴上，所述的连杆滑台4-5上固设
有竖直转轴，所述的连杆滑台4-5的竖直转轴通过轴承连接在所述的摇杆5的后端，所述的
摇杆5的前端固设有竖直转轴，所述的摇杆5的竖直转轴通过轴承连接在所述的机架1上，所
述的摆臂6的后端在垂直于摆臂长度方向设有水平转轴，所述的摆臂6的水平转轴通过轴承
连接在所述的摇杆5上，所述的摆臂6向后设有延伸杆，所述的摆臂6的延伸杆上固设有所述
的配重块7，所述的十字万向节8的一端的输出杆向上固设在所述的摆臂6的前端，所述的十
字万向节8的另一端下方固设有所述的抛光盘9，所述的电滑环11套在所述的曲柄架3-1的
竖直轴上，所述的控制器10的控制端通过导线连接到所述的主轴电机2、所述的摇杆电机4-
2和所述的电滑环11的输入端上，所述的电滑环11的输出端通过导线连接在所述的曲柄电
机3-2的输入端上。
所述的用于非球面光学元件抛光的数控摆机构，其特征是所述的机架1包括底座、
调整架和拉杆组三部分，所述的底座上设有水平板，所述的调整架上设有水平底板，所述的
拉杆组包括4～8个拉杆，所述的4～8个拉杆的一端通过螺栓固定所述的水平底板的前后两
侧，所述的4～8个拉杆的另一端通过螺栓固定在所述的水平底板的前后两侧；
所述的拉杆组的各个单元沿拉杆的长度方向开有长条形通孔，参看图2，图2为本
发明中机架上一种连接底座和调整架的拉杆形状；
所述的机架1包括底座和调整架两部分，所述的底座上设有竖直固定板，所述的调
整架上设有竖直安装板，所述的竖直安装板通过螺栓固定在所述的竖直固定板上；
所述的主轴电机2是交流减速电机或直流减速电机；
所述的曲柄电机3-2是步进电机或伺服电机；
所述的摇杆电机4-2是步进电机或伺服电机；
所述的十字万向节8的两根轴线相交，且交点与连接所述的抛光盘9的位置的距离
小于2厘米；
所述的控制器10包括可编程两轴运动控制器和交流电机调速控制器或直流电机
调速控制器。
现结合图3描述本发明的工作过程，图3是本发明的结构简图，曲柄3做整周转动，
从而带动摇杆5往复摆动，摇杆5通过摆臂6带动抛光盘9摆动作为抛光运动，根据简图可知，
曲柄3的转速可以控制抛光盘9的摆速，曲柄3的长度可以控制抛光盘9的摆幅，连杆4的长度
可以控制抛光盘9的摆动位置，设置合理的抛光盘9的摆速、摆幅和摆动位置便可以完成任
意旋转对称非球面的研磨或抛光。
举例说明一种实际加工情况。参见图4，图4为一种非球面面形，阴影部分为应从拟
合球面修去的部分，最大去除量在0.7带位置，中心和边缘去除量为零。参见图5，图5为本发
明中抛光盘的一种运动轨迹，用于加工图4所示类型的非球面，由图5可见，抛光盘在工件中
心和边缘停留时间很短，在0.7带停留时间最长，去除量和停留时间有关，以此将拟合球面
修成所需的非球面面形。