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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。
2.2 主轴系统设计
抛光液是抛光机工作中不可缺少的加工介质，具有一定的碱性和腐蚀性，因此主轴 系 统零部件材料选择时均需考虑防腐性。由于不锈钢成本高， 且不易装配， 新设备开发中主轴摆架选择铸铝材质， 主轴选择 2Cr13， 主轴电机选择满足加工需要的轻质量主轴电机 YSJ6312， 连接板、带轮选为铝质并适当“掏空”， 大大减轻了主轴系统的重量和运动惯性 ， 使主轴在转动和摆动时惯性小、 平衡好， 保证了良好的加工稳定性。 同时， 选用高精度的滚动轴承， 也使得主轴的运动精度高、 噪音低。
防止抛光液渗入主轴系统内部是保障设备正常、 高效工作的关键环节， 因此新设备研发中通过以下几方面减少渗入可能： ①优化防水罩的形状和尺寸， 使抛光液在旋转离心力的作用下抛射到水箱中， 尽量减少抛光液与主轴系统接触; ②将有可能接触到抛光液的相对静止零部件间均安装橡胶密封垫; ③在相对运动零部件间安装旋转轴唇形密封圈， 达到高速旋转下的密封要求。
2.3 摆幅控制系统设计
在满足产品功能要求的前提下， 产品结构的简化无疑会提高产品的装配性能。 传统光学加工设备中， 零部件数量过多， 装配复杂， 各局部装配误差的叠加大大影响了运动精度。 新设备摆幅控制系统设计中在充分考虑各零部件功能的基础上简化结构， 将丝杆轴承座与减速器底座一体化， 将减速器与摆轴电机座一体化， 不仅减少了装配误差提高了运动精度， 而且加快了装配进度， 使样机内部更简洁。 新设备摆幅控制系统装配图如图 5 所示。
2.4 压力轴架设计
压力轴轴线与主轴系统摆动轴线在同一个平面中是保证光学透镜加工精度的关键因素， 如图 1 所示。 传统加工设备主要通过装配完毕后的加工测试来检验两根轴线是否在同一个平面中， 然后通过前后微移主轴系统来调整两轴线到同一平面中， 人为因素大大制约了抛光机的加工精度。 新设备设计中通过在压力轴架与轴承座之间增加一个定位面和一个定位销的方式来确保两轴线在同一平面中。 只要保证零部件加工时的相对位置精度，就必然能达到抛光机的性能设计要求。
2.5 零部件对称化设计
新设备为左右对称分布， 两个主轴摆架与摆幅调整部件的连接一个在摆架左边， 一个在摆架右边， 涡轮蜗杆减速器的输出轴也是一左一右， 如图 3 所示。 而主轴摆架为铸体， 与摆幅调整部件的连接部分为圆柱体， 需加一个工艺凸台。 主轴摆架及减速器的对称化设计方案可有效的减少因结构不同而产生的重复铸模成本问题，安装时只需调换位置即可。
3 空间设计
新设备设计中， 在对称化设计、 简化结构紧凑空间的同时， 将电控箱设置于机床的后下部， 将整套供液系统放置在机床前下部， 使整机结构紧凑合理， 占用空间小。 可以将数台设备并排排列而不妨碍维修调整， 节省了使用场地和空间。
4 电控系统及供液系统设计
新设备设有两个加工单元， 每个加工单元都有一套独立的操作控制系统。 主轴的运转和摆动、 压力头的升降和调压等都可单独调整控制， 并通过特定设置使两个加工单元可共用一套气动系统而互不干涉。
主轴从摆动状态停止时， 一般情况下其停止位置将是随机的， 将会影响工件的表面质量， 为此， 新设备特别设置了一套控制程序， 使主轴摆动的停止位置是唯一的， 都停于其起始位置上。
新设备的供液系统采用一套水箱两路分支的结构，每路分支配给一个工作单元并可自动控制; 当主轴启动时，供液分支开始供液，当主轴停止时，供液分支自动切断供液，这样就使操作者在拾取和安放工件时不必受加工液的喷溅，还节省了通常需频繁进行水路开关的操作时间。
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