專利名稱：光學零件中高頻誤差的組合式加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光學零件的加工方法，尤其涉及ー種光學零件中高頻誤差的控制エ藝方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學加工手段中，加工工具同光學元件之間存在大面積的空間幾何接觸形態(tài)，有利于面形誤差連續(xù)性的生成，誤差表現(xiàn)為宏觀尺度，即低頻形狀誤差；而微納米量級研拋磨料同光學元件材料間的機械化學綜合作用，主要體現(xiàn)為微觀尺度的誤差演變，即高頻粗糙度誤差。因此，傳統(tǒng)加工手段(如古典拋光、環(huán)拋等)所得到的エ件表面誤差中基本不包含嚴重的中高頻誤差形態(tài)，能夠保證光學元件的良好光學性能。現(xiàn)代先進光學制造方法的發(fā)展，趨向于采用計算機控制小工具對光學表面進行確定性可控材料去除，屬于計算機控制子口徑拋光技術(shù)的范疇。由于采用的小工具尺寸一般都遠遠小于エ件尺寸，因此在實現(xiàn)低頻面形誤差確定收斂的過程中，越來越傾向于在中高頻段形成周期性的小尺度制造誤差特征。人們通俗的把這類小尺度制造誤差特征歸為中高頻誤差，中高頻誤差已經(jīng)成為計算機控制子口徑類加工方法的顯著特征。磁流變拋光(MRF)的材料去除，主要由高強度梯度磁場下磁流變液的剪切作用實現(xiàn)。磁流變液在高強度磁場的作用下，雖然具有一定的硬度，但其仍然屬于柔體的范疇，即磁流變拋光屬于ー種柔性拋光方式。這種柔性去除方式，決定了其在對光學表面誤差進行加工吋，磁流變液能夠同光學表面保持良好的接觸狀態(tài)。當高強度梯度磁場下的磁流變液對エ件表面進行材料去除時,磁流變液形成的柔性拋光模同加工區(qū)域發(fā)生全面接觸,磁流變液的拋光磨料同エ件表面誤差均發(fā)生作用。由于對材料去除起主導作用的剪切力基本不受面形誤差微觀分布的影響，因此不論是光學元件表面的凸峰還是凹槽，柔性拋光模對其的去除效率基本一致。換句話說，如果利用磁流變拋光對光學元件表面實行材料均勻去除，那么光學表面的中高頻誤差特征基本保持不變。然而，磁流變拋光的去除函數(shù)特征和面形誤差的頻域分布決定了其對中高頻誤差具有一定的修正能力，即通過分配駐留時間可以實現(xiàn)一定中高頻誤差修正，從而為中高頻誤差控制提供手段。計算機控制光學表面成形(CCOS)實現(xiàn)材料去除的理論基礎是Preston方程,它是ー種依靠正壓カ實現(xiàn)材料有效去除的加工方法。典型的CCOS結(jié)構(gòu)是在薄金屬板上覆蓋浙青，該結(jié)構(gòu)通常也被稱為“剛性工具”。浙青盤對エ件表面的材料去除可以從兩個方面理解在拋光盤尺寸范圍內(nèi)，去除量宏觀表現(xiàn)為去除函數(shù)，通常形狀為類高斯型。而對于波長小于拋光盤尺寸大小的中高頻誤差，材料去除遵循“高點優(yōu)先去除原則”。即當浙青盤加工エ件時，浙青盤首先同エ件表面高點區(qū)域發(fā)生接觸，然后浙青盤發(fā)生一定變形以適應エ件表面微觀形狀變化。由于在エ件表面的高點區(qū)域，浙青盤將會產(chǎn)生更大的壓力，因此會導致更大的材料去除量，這和Preston方程是吻合的。CCOS的去除機制決定了其對誤差頻段高于拋光盤尺寸的誤差具有一定光順作用。顯然，浙青盤剛性越大，對中高頻誤差的光順能力越強；而柔性越大，對中高頻的光順能力越弱。
然而，現(xiàn)有技術(shù)中一般都采用單一的去除機制對光學零件的中高頻誤差進行控制，而單ー的去除機制難以實現(xiàn)中高頻誤差的有效控制，并且常常殘留同去除機制直接相關(guān)的加工特征，単一去除機制對光學零件中高頻誤差的加工效果也有待提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠充分結(jié)合MRF和CCOS各自的技術(shù)優(yōu)勢、且實現(xiàn)光學零件全頻段誤差的高效一致收斂、有效提升光學零件性能的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為ー種光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，所述組合式加工方法是先對待加工光學零件進行中高頻誤差可加工性評估，然后根據(jù)評估結(jié)果選擇性進行下述操作(a)或操作(b)，其中所述中高頻誤差可加工性評估包括以下步驟首先利用干涉儀測量待加工光學零件的面形誤差，然后對得到的面形誤差進行PSD(波前功率譜密度)分析，得到面形誤差的 PSD曲線，獲得PSD曲線的目的就是為了觀察面形誤差在頻率域的分布特性，根據(jù)它的分布特性就可以對中高頻誤差進行適當?shù)呐袛?，并確定中高頻誤差頻率分布特征；根據(jù)預先確定的加工時間和加工精度(根據(jù)不同的待加工光學零件，經(jīng)綜合考慮后預先擬定加工時間和加工精度)對磁流變拋光工具的去除函數(shù)進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的去除函數(shù)模型(去除函數(shù)優(yōu)化主要反映在優(yōu)化去除函數(shù)的形狀和效率上，通過改變?nèi)コ瘮?shù)的特征可以改變加エ時間和加工精度，因而根據(jù)加工時間和加工精度可以實現(xiàn)去除函數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化)；對優(yōu)化后的去除函數(shù)模型進行頻譜分析，得到去除函數(shù)的幅值譜線；再根據(jù)該幅值譜線獲得去除函數(shù)的截止頻率，并將該截止頻率同需要控制的前述中高頻誤差頻率分布進行比較；如果中高頻誤差頻率分布中存在低于截止頻率的可修正中高頻誤差，則轉(zhuǎn)到下述的步驟(2)對該可修正中高頻誤差進行加工；如果中高頻誤差頻率分布中存在高于截止頻率的不可修正中高頻誤差，則轉(zhuǎn)到下述的步驟(3)對該不可修正中高頻誤差進行加工；所述操作(a)是指采用磁流變拋光エ藝加工所述可修正中高頻誤差，直至滿足面形精度要求，停止加工；所述操作(b)是指采用計算機控制光學表面成形エ藝加工所述不可修正中高頻誤差，直至滿足面形精度要求，停止加工。上述技術(shù)方案中，所述中高頻誤差可加工性評估主要是基于以下原理磁流變拋光的加工過程本質(zhì)上是去除函數(shù)在エ件表面同駐留時間的ニ維卷積過程，而通過計算機實現(xiàn)確定性材料去除控制則是上述過程的逆過程，加工前輸入面形誤差和去除函數(shù)，利用數(shù)學模型輸出駐留時間，并通過加工路徑上速度的不斷變化實現(xiàn)材料去除；將反映加工過程的ニ維卷積模型在頻域展開，可以得到下式D (wx, wy) = R(wx, wy) T(wx, wy)+E(wx, wy)(I)式⑴中，D(wx,wy)、R(wx, wy)、T(wx, wy)和 E(wx, wy)分別表示面形誤差 d(x, y)、去除函數(shù)r(x, y)、駐留時間t(x, y)和殘留誤差e(x,y)的ニ維Fourier變換形式；出于簡化，我們用D、R、T和E分別代表D (wx, wy)、R (wx，wy)、T (wx, wy)和E (wx, wy)，對式⑴進行變換后可得到下式(2):
從信號的角度來看，去除函數(shù)在加工過程中充當濾波器的作用，如圖I所示。信號T通過系統(tǒng)R濾波得到“純凈”信號D'，信號D'被E污染得到真實信號D，H表示逆濾波系統(tǒng)(駐留時間的求解是對信號進行逆濾波的過程，具體是將光學零件面形誤差和去除函數(shù)作為輸入，得到駐留時間輸出，通過機床對駐留時間輸出進行實現(xiàn)，從而實現(xiàn)光學零件面形誤差的有效收斂)；去除函數(shù)的特性決定了其對中高頻信號具有截斷作用，即其是典型的低通濾波器；去除函數(shù)截斷中高頻信號的特性反映為去除函數(shù)的截止頻率。要評估光學零件面形誤差的中高頻誤差的可加工性，需要先對磁流變拋光去除函數(shù)的修形能力(即去除函數(shù)修正光學表面誤差的能力)進行定義；評價去除函數(shù)的修形能力，一般從去除函數(shù)的·頻譜入手，由于去除函數(shù)在頻域上呈現(xiàn)一定的帶寬特性，該特性決定著去除函數(shù)的修形能力；考慮到去除函數(shù)具有低通濾波器特性，去除函數(shù)的截止頻率大小實質(zhì)上決定了去除函數(shù)的修形能力；當誤差頻率大于截止頻率時，去除函數(shù)對其進行信號截斷，即去除函數(shù)對高于截止頻率的誤差喪失修形能力。上述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，所述中高頻誤差可加工性評估過程中，所述截止頻率優(yōu)選為去除函數(shù)的幅值譜線下降到峰值5%處的頻率。上述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，所述操作(a)中，磁流變拋光エ藝加工所述可修正中高頻誤差的具體步驟優(yōu)選包括先對中高頻誤差可加工性評估過程中測量所得的面形誤差進行離散處理，然后對所述優(yōu)化后的去除函數(shù)模型進行離散處理；求解磁流變拋光エ藝所需的駐留時間分布；基于所述的待加工光學零件的形狀生成磁流變拋光エ藝的加工路徑；最后根據(jù)加工路徑將所得的駐留時間分布轉(zhuǎn)換為沿加工路徑方向的駐留速度分布，并依據(jù)駐留速度分布對所述的待加工光學零件進行中高頻誤差的修正。上述組合式加工方法的操作(a)中，磁流變拋光的去除函數(shù)能夠修正一定頻率分布的中高頻誤差，但是計算機控制加工過程的離散實現(xiàn)會引入卷積效應，從而引入特定頻率的小尺度中高頻誤差特征。卷積效應引入的特定中高頻誤差直接同加工路徑的規(guī)劃形式直接相關(guān)。比如光柵加工路徑會在垂直于離散進給方向上引入同進給步距對應頻率的中高頻誤差特征，而同心圓加工路徑會在圓形光學零件母線方向引入同進給螺距對應頻率的中高頻誤差特征，它們在PSD曲線上統(tǒng)一表現(xiàn)為在特定頻率處的尖峰狀頻帶誤差。因此，在利用磁流變拋光對部分中高頻誤差進行修正的過程中，還需要抑制這種卷積效應引入的特定中高頻誤差成分。要抑制這類特定的中高頻誤差成分，需要降低加工路徑的強規(guī)律性和規(guī)則性，使得誤差修正路徑呈現(xiàn)出“雜亂無序”的特征態(tài)。因此，本發(fā)明中所述磁流變拋光エ藝的加工路徑優(yōu)選采用“亂線加工路徑”，所述亂線加工路徑是指加工路徑呈現(xiàn)無規(guī)律、無規(guī)則的雜亂無序性特征分布。作為更優(yōu)選的，分析常用的亂線加工路徑的典型特征，一般包括以下幾點(I)路徑遍歷預定義的所有離散駐留點；(2)路徑經(jīng)歷所有離散駐留點有且僅有一次；(3)路徑應當是自回避的(或稱非自交的)；(4)路徑應當是ー筆畫的，中間沒有間斷，即具有空間連續(xù)性。據(jù)此分析，亂線加工路徑的規(guī)劃過程本質(zhì)上是捜索一條遍歷所有離散駐留點的路徑曲線。典型離散駐留點的網(wǎng)格為均勻正交結(jié)構(gòu)，其任意離散駐留點鄰域內(nèi)存在8個點，假設路徑上一點為Pi+當前點為Pi,下一點為pi+1，則路徑下一點存在7個理論位置,如圖2所示?？紤]機床運動性能和路徑的平穩(wěn)實現(xiàn)，將圖2中所示的7個pi+1離散駐留點構(gòu)成的路徑分成三類穩(wěn)定路徑、過渡路徑和不穩(wěn)定路徑。圖2中的點劃線路徑行進方向同路徑當前方向成銳角，此時要求機床ー軸快速反向而另ー軸快速啟動，這容易弓I起機床震顫，為不穩(wěn)定路徑；虛線路徑行進方向同路徑當前方向成直角，要求機床ー軸快速停止而另ー軸快速啟動，其對機床動態(tài)特性要求低于不穩(wěn)定路徑，為過渡路徑；實線路徑行進方向同路徑當前方向成鈍角，只需機床ー軸正常加減速而另ー軸啟動，對機床動態(tài)特性要求最低，為穩(wěn)定路徑。由此可見，所述亂線加工路徑中相鄰的三個離散駐留點定義連續(xù)的兩條加工單元路徑；所述穩(wěn)定路徑是指兩條加工單元路徑的夾角大于90°時的加工路徑；所述過渡路徑是指兩條加工單元路徑的夾角等于90°時的加工路徑；所述不穩(wěn)定路徑是指兩條加工単元路徑的夾角小于90°時的加工路徑。作為更優(yōu)選的方案，所述亂線加工路徑是以穩(wěn)定路徑為主，以過渡路徑和不穩(wěn)定路徑為輔。上述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，所述操作(b)中，所述計算機控 制光學表面成形エ藝加工所述不可修正中高頻誤差的具體步驟優(yōu)選包括先根據(jù)所述中高頻誤差可加工性評估過程中確定的中高頻誤差頻率分布特征對計算機控制光學表面成形エ藝用的浙青盤進行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容包括確定底面支撐盤的材料、浙青盤的直徑和厚度；根據(jù)預先設定的光順時間和中高頻誤差幅值特性(該特性主要是指前述PSD曲線上中高頻段部分的幅值大小)對加工エ藝參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程均本領(lǐng)域的屬常規(guī)技術(shù)手段，主要表現(xiàn)為通過設定浙青盤的公自轉(zhuǎn)速度、拋光壓カ等參數(shù)來改變浙青盤對光學零件表面材料的去除效率，從而使得在加工者預先設定的光順時間內(nèi)盡量達到所追求的光順效果；最后利用優(yōu)化后的浙青盤井根據(jù)優(yōu)化后的エ藝參數(shù)對所述的待加工光學零件進行中高頻誤差的光順。CCOS加工過程中浙青盤對中高頻誤差的作用過程滿足“橋接模型”，即光學表面誤差是高低連續(xù)相接的，當浙青盤在預定壓力下同光學表面發(fā)生接觸時，其最先接觸的區(qū)域為誤差分布的山脊，這時浙青盤就如同在誤差高點之間建立了一座橋梁，因此稱該模型為“橋接模型”。由于浙青盤一般較薄，屬于力學中的薄平板，因此采用Kirchoff薄板理論對其進行受力分析，并引入抗剪剛度，可以建立浙青盤形變的數(shù)學模型如下V2 中=--=(3)(V2-^2)W = O P1
D(I-V)式(3)中，Di. ~丨，表示浙青盤的抗剪剛度，D = ~;，表示浙青盤的抗彎
2(1+ V)12(1-V )
剛度；其中，E為浙青盤的楊氏彈性模量，h為浙青盤的厚度，V為泊松比，q為作用于浙青盤上的實際壓力，為拉普拉斯算子，# = Vf = l + f沒==。加工過程中，拋光盤(即浙青盤)同光學表面的接觸狀態(tài)存在兩種情況拋光盤發(fā)生低階彎曲變形以適應表面變化；浙青被壓縮以填滿拋光盤同光學零件表面間的間隙。實際上，拋光盤發(fā)生一定低階形變，但不足以適應表面誤差變化，此時拋光盤同光學表面之間的間隙被浙青填滿。浙青在外加壓カ的作用下發(fā)生擠壓變形，如果表面誤差較小，那么認為變形后拋光盤能夠同光學表面吻合，則浙青擠壓變形W。同拋光壓カP成正比關(guān)系，即
權(quán)利要求
1.一種光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，所述組合式加工方法是先對待加工光學零件進行中高頻誤差可加工性評估，然后根據(jù)評估結(jié)果選擇性進行下述操作(a)或操作(b)，其中 所述中高頻誤差可加工性評估包括以下步驟首先利用干涉儀測量待加工光學零件的面形誤差，然后對得到的面形誤差進行PSD分析，得到面形誤差的PSD曲線，基于PSD曲線確定中高頻誤差頻率分布特征；根據(jù)預先確定的加工時間和加工精度對磁流變拋光工具的去除函數(shù)進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的去除函數(shù)模型；對去除函數(shù)模型進行頻譜分析，得到去除函數(shù)的幅值譜線；再根據(jù)該幅值譜線獲得去除函數(shù)的截止頻率，并將該截止頻率同需要控制的前述中高頻誤差頻率分布進行比較；如果中高頻誤差頻率分布中存在低于截止頻率的可修正中高頻誤差，則轉(zhuǎn)到下述的操作(a)對該可修正中高頻誤差進行加工；如果中高頻誤差頻率分布中存在高于截止頻率的不可修正中高頻誤差，則轉(zhuǎn)到下述的操作(b)對該不可修正中高頻誤差進行加工； 所述操作(a)是指采用磁流變拋光工藝加工所述可修正中高頻誤差，直至滿足面形精度要求，停止加工； 所述操作(b)是指采用計算機控制光學表面成形工藝加工所述不可修正中高頻誤差，直至滿足面形精度要求，停止加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述中高頻誤差可加工性評估過程中，所述截止頻率為去除函數(shù)的幅值譜線下降到峰值5%處的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述操作(a)中，磁流變拋光工藝加工所述可修正中高頻誤差的具體步驟包括先對中高頻誤差可加工性評估過程中測量所得的面形誤差進行離散處理，并對所述優(yōu)化后的去除函數(shù)模型進行離散處理；求解磁流變拋光工藝所需的駐留時間分布；基于所述的待加工光學零件的形狀生成磁流變拋光工藝的加工路徑；最后根據(jù)加工路徑將所得的駐留時間分布轉(zhuǎn)換為沿加工路徑方向的駐留速度分布，并依據(jù)駐留速度分布對所述的待加工光學零件進行中高頻誤差的修正。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述磁流變拋光工藝的加工路徑采用“亂線加工路徑”，所述亂線加工路徑是指加工路徑呈現(xiàn)無規(guī)律、無規(guī)則的雜亂無序性特征分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述亂線加工路徑是以穩(wěn)定路徑為主，以過渡路徑和不穩(wěn)定路徑為輔；所述亂線加工路徑中相鄰的三個離散駐留點定義連續(xù)的兩條加工單元路徑；所述穩(wěn)定路徑是指兩條加工單元路徑的夾角大于90°時的加工路徑；所述過渡路徑是指兩條加工單元路徑的夾角等于90°時的加工路徑；所述不穩(wěn)定路徑是指兩條加工單元路徑的夾角小于90°時的加工路徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5中任一項所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述操作(b)中，所述計算機控制光學表面成形工藝加工所述不可修正中高頻誤差的具體步驟包括先根據(jù)所述中高頻誤差可加工性評估過程中確定的中高頻誤差頻率分布特征對計算機控制光學表面成形工藝用的浙青盤進行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容包括確定底面支撐盤的材料、浙青盤的直徑和厚度；根據(jù)預先設定的光順時間和中高頻誤差幅值特性對加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化；最后利用優(yōu)化后的浙青盤并根據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)對所述的待加工光學零件進行中高頻誤差的光順。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，所述操作(b)中，所述浙青盤的直徑d和厚度h滿足以下約束性條件
8.根據(jù)權(quán)利要求I 5中任一項所述的光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，其特征在于，完成所述操作(a)后，如果還存在不可修正中高頻誤差，則繼續(xù)進行所述的操作(b)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學零件中高頻誤差的組合式加工方法，該方法是先利用干涉儀測量待加工光學零件的面形誤差，然后進行PSD分析，基于PSD曲線確定中高頻誤差頻率分布特征；再根據(jù)預先確定的加工時間和加工精度得到優(yōu)化后的去除函數(shù)模型，并獲得去除函數(shù)的幅值譜線；根據(jù)該幅值譜線獲得去除函數(shù)的截止頻率；如果中高頻誤差頻率分布中存在低于截止頻率的可修正中高頻誤差，則采用磁流變拋光工藝加工；如果中高頻誤差頻率分布中存在高于截止頻率的不可修正中高頻誤差，則采用計算機控制光學表面成形工藝加工。本發(fā)明能夠充分結(jié)合MRF和CCOS各自的技術(shù)優(yōu)勢、且實現(xiàn)光學零件全頻段誤差的高效一致收斂、有效提升光學零件性能。
文檔編號B24B13/00GK102848287SQ20121034167
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者石峰, 胡皓, 宋辭, 彭小強, 戴一帆, 王貴林 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學