本发明主要涉及光学表面的光学抛光、精研或修琢，在球面或非 球面和具有异常形状的大尺寸镜子生产中是特别有用的。然而，这里 所公开的某些装置具有更广泛的应用，诸如机器人手臂相对于一般平 滑表面的精确运动。

由本发明提高的完美制定的工艺过程包括利用游离的磨料或在 软基体中的磨料颗粒来进行研磨、抛光和修琢。采用一垫衬或研磨盘 将磨料作用于工件。“修琢”是连续地抛光，局部作用于表面，使表 面高度产生极精细的变化。

该“工具”是机器的一部分。它装有垫衬，垫衬将磨料作用于工 件。该垫衬的直径通常被称作该工具的直径。该工艺过程通常是湿式 的。经过若干次抛光后，清理该工件，并进行光学检验。该光学检验 是鉴定该表面的虽经抛光但不正确地高于所希望的轮廓的部分。在该 高区择优进行进一步的抛光。这通常采用改变抛光垫的压力和速度的 方法来实现。可能需要无数次的努力来减小误差，因此该过程是反复 的。

本发明旨在提高该重复过程的速度和精度。本发明提供一种新式 的局部抛光的工具，使一种快速、自动，计算机控制的机器能适用于 宽广范围的具有光学品质表面的产品。

对于非球形(部分球形)表面，反复修琢是一个很长的过程。人 们一直在努力使从前的手工艺机械化，其中有些已经成功(见下面)， 但迄今没有提供一种使手工艺具有通用性的技术。大的和小的工具存 在不同的问题。

一方面，用大工具可获得最佳的品质。它们通常能符合所希望的 球形表面。然而，这些工具是为特定的工件制造和改造的，并且常常 以昂贵的研究与发展的角度来运用的，只有设计它们的工程师能使用 它们。

另一方面，小工具可更精确地模拟手工抛光，并具有通用性。不 幸的是，如果它们被自动操作，则它们往往会产生残留的缺陷，这些 缺陷难于用同样的工具来消除。例如，工具刃可产生许多比工具本身 窄的凸脊和凹槽。在光学检验中是可以看到它们的，然而，试图用相 同工具来消除它们则可能会产生一批新的类同的略微改变位置的缺 陷。更换工具会产生其它各种问题。利用在每转中逐渐减少加工， 即采用工具的缓慢退出(feathered-out)行程来消除由工具引发的 缺陷是很慢的。这些问题，虽然不使工艺过程失效，然而大大地延 长了一连串的反复，并增加了总的复杂性。本发明的有利方面，在连 续控制下，能提供一种渐缩减小动作，它不产生尖棱，并具有各种各 样的玻璃切削功能外形。

美国专利US4,128,968(1978)描述了一种自动抛光机，其 中，小工具刃的效应借助于工具的局部辅助运动来减小。当该小工具 在适当位置上高频脉动时，该接触面积的中心被连续地抛光，但该面 积的边缘抛光不足。该“切削外形”被规定为沿圆周是对称的。该工 具具有一种运动模式，沿整个表面它可以是螺旋形的。该工具本身沿 一辅助轴线可以旋转，该辅助轴线可以是工具的局部轴线。高频脉动 是整个工具操作的方法或模式，它试备消除在别的情况下出现的误 差。它在软件方面是过时的：能最恰当地计算该工具的运动模式以改 善各别工件，而不是产生一种任意的循环削切外形，这是不必要的。 同样，高频脉动效应不可避免地使局部抛光面积扩大，这又是不必要 的。

US5,157,878(1992)描述了一种由顶压工件的运转带组成的 抛光工具。

英国专利申请UK2259662(1993)描述了一种能复合非球面柔 性焦距透镜组的机器，它类似于一种多轴线研磨机，以不确定的抛光 头代替切割头。

亚利桑那大学和伦敦学院描述了一种具有直径大约为工件直径 一半或多于一半的复合工具的机器。该工具的整个工作区跟工件在任 一时刻基本上保持有效接触。该工具的倾角由它与工件的接触所限 定。D.D Walker等人的“采用快速修琢的高度非球面第二代镜子制 品”，电子设备供应局会议和专题研究集文集(ESO Conference and Worshop Proceedings)第42期；第215-218页，ESO Garching，1992 年4月27-30，公开了一个例子。

蔡司工厂描述了一种具有细长复合工具的机器，工具的长度约为 工件直径的一半。如上述大工具的情况那样，该工具的工作区跟工件 在任一时刻基本上保持有效接触。该工具的倾角由它与工件的接触所 限定。在他们的专利申请GB-A-2163076中，该复合工具基本上与 工件共同扩展。

本发明提供一种为抛光具有预定最大面积的工件表面而制造的 抛光装置，该装置包括：一个包括一柔性工作面的工具，该工作面的 面积显著小于所述预定的最大面积，该工具有一支持件，所述柔性工 作面固定于该支持件；使所述工具相对于所述工件表面移动从而在柔 性工作面与所述工件表面之间形成接触面积并使固定件与所述表面 隔开的驱动器装置，其特点为：包括控制装置，用以自动控制所述驱 动器装置来自动控制固定件与所述工作表面的分离，从而控制所述接 触面积的大小。

本发明还提供一种抛光工件表面的方法，包括：定位一个具有一 支持件的工具，在该支持件上固定一柔性工作面，该工作面显著小于 所述工件表面，该工具相对于所述工件表面是这样定位的，使得在所 述柔性工作面和所述工件表面之间具有接触面积，并使所述支持件与 所述工件表面间隔开，其特点为：自动控制所述固定件和所述工件表 面，以控制所述接触面积的大小。

本发明还提供一种用以局部光学抛光的工具，包括一个力、压力 或位置的主驱动器，它将工具所施压力的可控中央增强区作用于工具 有效区内的工件上，这样，在工具的整个区域内，工具和工件的接触 面积(一给定的有效抛光压力作用在该面积上)是可控的。

由工具施加于工件的总力可以控制。通过调整总的力和压力逐渐 减小率，该压力在处于工具面积内的可控名义边界上(包括一圆周) 可逐渐减小到零。该工具可被这样制成和操作，使其抛光压力的内部 分布具有单个峰值。在某些这样的实施例中，在有效直径外的工具刃 可被提升到避开工件。

本发明可被这样操作，使施加于工件的压力自工具的中心向边缘 逐渐减小到某一较低的压力值，而不必在工具范围内降到零。自工具 中心至边缘的压力逐渐减小率是可控的。在某些这样的实施例中，工 具边缘的抛光压力能减小到该工具区域内峰值压力的10％以下。其 总的压力分布可大致相当于高斯截短曲线分布。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，包括一个 力、压力或位置的主驱动器和一个或多个另外类似的驱动器，这样， 由该工具名义上施加于工件上的中心压力或由该工具名义上施加于 工件上的总力能不依赖于逐渐减小的压力作用而得到控制。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，在抛光面上 它的曲率半径是可控的。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，包括一个主 驱动器和三个另外的位置驱动器，这样，工具相对于工件的攻角是可 控的。

本发明也是一种如上所述用以局部光学抛光的工具，其中所有所 述的参数随着该工具的抛光均是动态可控的。

该工具的直径一般小于工件直径的25％。

由该工具施加的压力分布可以是轴向对称的。

该工具可安装在从动轴承上，该轴承能以各种可控速度以任何希 望的运动模式使工具掠过工件。

该工具能安装在一根辅助机动心轴上，该轴可以处在工具的一根 对称轴线上。该工具可作为心轴抛光云云的部件在其上可控旋转。

该工件可安装在连续转动的器转台上。

该工具被驱动能以某种方式移过一固定工件，这种方式如工件在 转动时赋以同样有效的工作。

为了更清楚理解本发明，现在参照附图仅作为例子叙述一些实施 例，其中：

图1A是通过体现本发明的精研工具的部分的简略轴向剖视面；

图1B是在各1A所示的工具内横向配置的弹簧的平面图；

图1C在图1A的工具内的一组圆形压力环的平面图；

图2是通过本发明另一实施例的精研工具的轴向剖视图；

图3是相应于图2实施例的图2视图的简略剖视图，更清晰地表 示工具头的支承装置；

图4是沿图3A-A线的简略剖视图；

图5是相应于图2的简略剖视图，表示工具的工作部呈不同的形 状；

图6表示图5工具柔性工作面在使用中显示作为自工具中心开始 的半径的函数的压力分布的曲线图；

在图1中图示了本发明的一个例子。由保持间隔的垫衬(7)产 生抛光动作。工件(未示)与间隔垫衬的下侧保持接触。

这些间距垫衬粘于一不锈钢膜片(6)上。

该薄膜粘于聚氯丁橡胶，橡胶或塑料或这些物质的泡沫材料的可 压缩层(5)上，并由其支承。在该可压缩层的上侧，粘有另一不锈 钢膜片(4)。由一组圆形压力环(8)对该上膜片施加压力。圆形压 力环(8)点焊于一个八臂扁平弹簧(9)上。

用轮廓(1)表示一主驱动器，在这里要详细加以叙述。它是一 种机动螺旋驱动器，取市场上可买到的步进马达的形式，具有一个中 空的制有螺纹的驱动垂直柱塞的转子。该柱塞本身跟连于该柱塞工作 端(下端)的压簧一起伸展。一种市场上可买到的标准负荷传感器安 装在压簧内。该主驱动器能使该工具的工作区中心内的压力随着该驱 动器垂直向下作业而增加。

刚性环(4)钎焊于八臂弹簧(9)的上侧。所示边缘驱动器(2) 是3个成角度间隔的边缘驱动器中的一个，这3个驱动器用按上面就 主驱动器(1)所述的类同方法制造。它们是沿圆周等间距的，并对 刚性环(3)进行推或拉。它们同样装有负荷传感器，并和主驱动器 (1)一起用于控制下间隔面的倾斜及总压力与形状。

该工具被包封在带入口盖(12)的铸铝壳体(10)内，该盖实际 上带有电气接插件和导线(未示)。该壳体(10)有一支承法兰或凸 耳(11)。

该步进马达借助于带功率放大器级的标准集成电路步进马达控 制器用计算机驱动。由负荷传感器指示的力值对借助于标准模-数转 换器的计算机是有用的。

该工具通过法兰或凸耳(11)安装在两个由步进马达和齿条与齿 杆机构驱动的相同十字滑块上。该驱动装置也可包括用以旋转工具的 装置，而如果这样的话，还包括对工具供电的滑环。该工具向下作用 在工件上的总力处在每平方厘米工作面积8至50克的范围内。

工具运动的有效控制器包括由工具施加在工件，例如镜子上的压 力分布控制器和工具相对于该镜子的运动(冲程，转动)速度分布控 制器。如在标题为“采用快速精研的高度非球面第二代镜子的制造” 的上述我们的论文中较充分公开那样，当该机器运转时该控制器采用 反馈工作。该机器遥测在该工具和镜子之外的压力分布，相对速度分 布及工具(精研)上的总侧向摩擦力(阻力)。通过标订，可以反馈 磨削率，并且在抛光期间对于镜子表面上的每一点都可以这样重复地 进行。将这些磨削率综合起来以估算镜子形状是如何逐渐演变的，这 被显示出来，并适当地改变负荷样式。在每一过程结束时，不仅将视 觉图像和所希望的图像比较，而且将预计的变化和观察到的变化比 较。然后相应调整决定磨削的规则系统，这样，该装置便记忆了。

现在参照图2-6叙述本发明的第二实施例。该工具(未示)连 于一柔性膜片1上，膜片固定在工具头2上。该工具头围绕空心轴4 在轴承3上旋转，并经金属波纹管柔性联接器被驱动，该波纹管能使 该工具受轴向负荷。空心轴内的腔道能使柔性膜片背面的空气压力得 以改变。

柔性联接器5用滚花螺帽6连于旋转滑轮7上，该螺帽允许不同 尺寸的工具杆相互互换。该滑轮安装于球轴承8上，由小滑轮10经 齿形皮带9驱动，小滑轮又由独立安装的电马达(未示)经柔性轴11 驱动。

该滑轮驱动件总成安装在板12上，后者又经两个各铰接于板13 一端和板12一端的连杆14连于一中间安装板13上。这些连杆限定 了板12的轴线，因而限定该工具围绕接近工具中心的实际回转点P 在附图平面内摆动。在图3中也表示了该机械连杆，只是大概的，并 不是按比例画的。在图4的垂直剖视图中表示的辅助连杆24是这样 配置的，使在该垂直平面内能有类似的运动，工具的相对运动被限制 为围绕实际回转点P的摆动运动。由两个联于位置传感器(未示)的 双作用液压油缸15(仅表示出一个)控制倾斜，使工具角度能利用 输到控制回路的位置信息反馈被精确调整。

固定的中空轴4连于被限于相对于刚性壳体25轴向运动的负荷 杆16上，壳体25经挠性支承件17连于板12。由负荷杆16加于轴4， 从而加于工具的轴向力由电磁线圈18经测量该力的负荷传感器19调 整。施加于工具的实际力会不同于所述轴向力，这是因为两者均沿轴 向作用的柔性支承17和波纹管联接器5的弹簧系数所致。位置传感 器20在该例中为线性可变差动变换器LVDT(liner variable differential transformer)，测量负荷杆的轴向运动并提供一个据 此能确定轴向弹簧力的信号，用以校正该负荷传感器读数。

通过跟工件的摩擦施加于工具上的侧向力由安装于负荷杆16上 的应变含仪21测得，负荷杆局部变细，因而按照该力而弯曲。

柔性管22连于负荷杆16中的中心腔道，并供以空气以压缩柔性 膜片1。如下面所述，该压力是受控的，而该压力空气由标准泵(未 示)供给。然而，应当理解可采用包括各种液体的其它流体。

在该第二实施例中，抛光接触面的改变是在计算机控制下面算得 的柔性工具压缩量来实现的。作为例子说明的该方法的一个效应是， 该抛光压力在接触区和总力的范围内被大致保持不变。

在图2中，该柔性工具被表示为一种由空气吹胀的橡胶膜片。其 直径为50毫米，厚2毫米，相应于直径为250毫米的工件，或较大 或较小，和工件尺寸成正比，或相应于抛光较大或较小的表面积。该 膜片用计算机控制的压力吹胀，或临时或永久地密封，以便使其鼓 胀。该空气压力相当接近于所要求的抛光压力。该工具在工作侧的鼓 胀处包以抛光材料，例如，该抛光材料可由织物，毡，聚氨酯泡沫材 料或镶嵌在织物上的间隔扇形体组成，并可胶接于该膜片上。该材料 能以普通方式外加精细磨料来抛光。该工具在计算机控制下由所述机 器移向工件，到自第一接触区延伸的各个位置，然后逐渐接近，这样， 该鼓胀处受压缩，使接触面积逐渐增加。在图5中，非常简略地表示 了这一结果。当上述情况出现时，鼓胀的空间受到压缩，但当其容积 减少10％以下时，其空气压力增加10％以下。因此，由空气压力确 定的抛光压力恒定在10％范围内。当以这种方式得到所要求的接触 面积时，该工具和工件以任何要求抛光的方法由计算机控制的马达转 动或移动。

可以不同的方式来应用该工具。在此情况下，该工具被加压或部 分抽空，从而使该膜片接近于工件平均曲率半径(凹或凸)。该空气 压力然后被稍微调整以产生由全部(或部分)与工件接触的工具表面 施加的压力分布。增加的空气压力会产生一种朝工具中心增加的压力 分布。其实际压力分布由空气压力和橡胶张力两者支配。选取橡胶厚 度沿径向适当地变化，可以获得一种在与工件接触面积边缘处逐渐减 小到零的压力分布。在图6中简略表示了这一情况，显示压力随半径 的分布。相反，减小空气压力，可获得一种类似于环形抛光的效果。

该机器在三个正交的机动滑道上装有该工具。它们按所述方法在 计算机控制下能相对于工件改变工具的位置。此外，借助于电磁线圈 驱动器18可达到位置和力的快速变化。通过采用柔性件17而不是工 具内的滑道，可减少由摩擦引起的误差。

对工件施加的总力(压力乘以面积)随接触面积的增加而增加。 该总力由负荷传感器编码。当用负荷传感器测量时，所施加的力可和 自该位置上预计的力比较，以便如上所说来确认该操作，其它的负荷 传感器，诸如应变仪21，将沿平行于工件表面方向的抛光力进行编 码。

在抛光期间，玻璃切削(磨削)率取决于若干因素，包括压力， 速度和工具的侧向阻力。从负荷传感器读数获得的力值对计算机是有 用的。工具的位置由上述三个正交的机动滑道和旋转支承该工件的位 置所决定，工件的旋转位置也被编码。旋转工具(若采用的话)的速 度根据马达电流或旋转编码器估算。因此，该计算机能以相对于工件 的各种已知速度驱动该工具。

实验的物理定则限于特定的工件。按照这些物理定则，磨削率正 比于压力，速度和抛光时间的乘积，即阻力，速度和时间的乘积。在 工作起始点上，该比例常数是估算的，为做到这点，在部分工件面积 上于工作周期前后采用通常的视觉测定来测量玻璃切削率。由于在现 时条件下确定物理定则，计算机便能用数字螺计瞬时磨削率，因此， 能估算工作时玻璃实际切削的轮廓图形。可利用估算的轮廓图形来满 意地接近所要求的结果。该比例常数在逐次的工作循环中能被重新决 定。

可增加通过高区的范围的时间来择优地磨削这些高区，这是转动 工具的熟知工艺方法。

利用本发明的优点，计算机驱动能把工具定位在工件的高点上， 并调整工具的接触面积，使与高点配合。这样，在无须同时减低周围 面积的情况下能通过抛光来降低高点。如果没有本发电，在靠近于高 点或高点周围的区内会进行错误的加工，而使这些区内的表面太低。 因为玻璃不能被增加，低区比原来的高点更难于切削，因此低区的存 在可能需要抛光所有其它的表面。

测量施加于工件上的力的另一方法是利用支承工件的(而不是工 具)的负荷传感器。工件通常处于普通的回转台上，并采用这样的结 构，使负荷传感器可处在回转台和工件之间。这些负荷传感器可随工 件一起转动，并借助于一些滑环经一根驱动工件的轴向管轴与工件保 持电连接和/或进行光导无场空间数据传输。

可为一台机器制造各种各样的工具，而工具的最大接触面积通常 小于特定抛光表面积的四分之一。还可以这样制造橡胶膜片，使其在 零压力下保持平面或曲面。为使施加的压力在隆起接触面积的边缘逐 渐减小，可采用厚度增加的橡胶膜片。同样，该橡胶可具有非均匀的 厚度。

可选择地包括一种用以使工具绕其轴线旋转的装置。当需要增加 抛光速度时它参加工作。

第二实施例还包括一种使工具以需要的攻角直接对准工件的方 法。能常，该攻角是这样设置的，使工具的轴线在中心接触点处和抛 光表面正交。然而，包括了非正交轴线的选择方案，在此情况下，靠 近或在工具边缘处发生抛光动作。该控制工具攻角的方法是作为实际 要点来描述的，如上相对于图2至4所说。它包括一些铰接的板或杆， 它们被配置的驱动来使工具总成的其余部分大致围绕工具接触区中 心摆动。该实际要点的优点在于无须使工具摆过工件，便能改变其攻 角，犹如该摆动中心和工具有间距时会出现的那样。此外，抛光工具 对改变攻角的驱动器的摩擦阻力的反作用很小或没有，从而使驱动器 所需的力减至最小。

虽然通过两台用以光学抛光的主机举例说明了本发明，然而也可 能有本发明的其它实施例。该实际要点的一些优点能适用于宽广的装 置范围，诸如机器人的腕关节。可采用许多改变抛光工具接触面积和 压力图形的其它方法，而不限于所给的液压、气动或弹簧机械的例 子。