全頻段高精度非球面光學(xué)元件的加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非球面光學(xué)元件的數(shù)控加工領(lǐng)域，具體涉及一種非球面光學(xué)元件的全頻段誤差控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代光學(xué)元件加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工加工非球面的方法已經(jīng)逐步被有著以“確定性加工”為標(biāo)志的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)一一計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(CCOS)技術(shù)所取代。CCOS技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)控制小工具實(shí)現(xiàn)確定區(qū)域的確定量加工的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)材料去除的理論基礎(chǔ)是Preston方程，它是一種依靠正壓力實(shí)現(xiàn)材料有效去除的加工方法。典型的小工具結(jié)構(gòu)是在一個(gè)金屬底盤上覆蓋一層瀝青，由于整個(gè)小工具的剛度較大，所以通常被稱為剛性盤。在小工具拋光范圍內(nèi)，材料的去除可以宏觀的表現(xiàn)為去除函數(shù)，通常形狀為類高斯型。另外小工具在拋光的過程中，材料的去除遵循“高點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)去除”原則，即當(dāng)小工具在加工時(shí)，首先是與工件表面的高點(diǎn)區(qū)域發(fā)生接觸，然后瀝青材料會(huì)在正向壓力的作用下發(fā)生微觀形變，以適應(yīng)工件表面微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦唿c(diǎn)區(qū)域所受的壓力比其他區(qū)域大，所以造成的材料去除量也大，這和Preston方程也是相吻合的。由于使用的小工具尺寸一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件尺寸，因此在實(shí)現(xiàn)低頻面形誤差確定收斂的同時(shí)，越來越多的小尺度誤差也在隨之產(chǎn)生。另外，由于傳統(tǒng)小工具是剛性拋光盤，它無法滿足非球面表面各處的曲率變化，因此，給非球面制造帶來了許多困難，尤其是非球面表面的中高頻誤差控制。
[0003]為了有效抑制這些中高頻誤差，越來越多的數(shù)控機(jī)床組合加工非球面的方法被提出。組合加工的思想是結(jié)合不同加工方式的優(yōu)點(diǎn)，分階段的將待加工元件分配給不同的加工方式，最終得到一個(gè)高精度的光學(xué)表面。例如，國防科大提出了一種采用數(shù)控小工具、磁流變加工和離子束加工相結(jié)合的方法來控制中高頻誤差。這種加工方式先使用數(shù)控小工具對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的非球面表面進(jìn)行平滑，然后利用磁流變拋光技術(shù)的柔性拋光原理，來抑制數(shù)控小工具拋光所產(chǎn)生的周期性環(huán)帶誤差，之后又再次使用數(shù)控小工具快速平滑磁流變加工所產(chǎn)生的小尺度誤差，最后使用離子束拋光技術(shù)來提高最終的面形精度。該方法雖然有效的抑制了加工過程中所產(chǎn)生的中高頻誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度的非球面元件的加工，但是，該方法的加工過程過于繁瑣，需要使用到三臺(tái)精密數(shù)控機(jī)床，加工成本極高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且加工效率高的全頻段高精度非球面加工方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種全頻段高精度非球面加工的方法，其包括以下步驟:
[0006]步驟I)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量非球面面形誤差；
[0007]步驟2)根據(jù)測得的面形誤差，選擇口徑大小不大于該非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇類高斯型去除函數(shù)，確定數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)；
[0008]步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺(tái)上，將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝；
[0009]步驟4) 一個(gè)周期拋光結(jié)束后，對(duì)待加工非球面元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)；
[0010]步驟5)對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度(Power SpectralDensity, PSD)分析，根據(jù)PSD曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對(duì)非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。
[0011]上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的柔性拋光小工具包括金屬底盤、發(fā)泡硅膠板和瀝青拋光層，其可以通過機(jī)床提供的壓力，實(shí)現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實(shí)時(shí)吻合。
[0012]上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的光順工藝是小工具采用單自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式并勻速平滑待加工面的工藝，能在保證低頻面形的同時(shí)，有效的平滑待加工面，提高表面質(zhì)量。
[0013]上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的加工方法僅使用一臺(tái)CCOS數(shù)控小磨頭機(jī)床就實(shí)現(xiàn)了非球面光學(xué)元件的全頻段高精度加工。
[0014]與現(xiàn)有的加工技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明所使用的柔性拋光小工具能夠通過機(jī)床提供的正向壓力，而實(shí)現(xiàn)拋光小工具自適應(yīng)非球面表面面形，在保證低頻面型的同時(shí)，能夠有效的抑制由于拋光盤無法與非球面表面吻合所產(chǎn)生的中高頻誤差；本發(fā)明所述的光順工藝采用小工具單自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式并勻速平滑待加工面，較行星運(yùn)動(dòng)方式，更能有效的抑制中高頻誤差，提高光學(xué)表面質(zhì)量；本發(fā)明僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機(jī)床就加工出了全頻段高精度非球面表面，找到了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且高效的加工方法。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明全頻段高精度非球面加工方法的流程圖。
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中柔性拋光小工具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑示意圖。
[0018]圖例說明:
[0019]1、金屬底盤；2、彈性材料層；3拋光膠
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021]本實(shí)施例加工方法的加工對(duì)象為一塊200mm，頂點(diǎn)曲率半徑1700mm的凸非球面鏡。參閱圖1，本實(shí)施例全頻段高精度非球面加工方法的操作步驟如下:
[0022]步驟I)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量此時(shí)非球面面形誤差。
[0023]步驟2)根據(jù)測得的面形誤差數(shù)據(jù)，選擇口徑大小不大于非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇最優(yōu)的類高斯型去除函數(shù)，并由此確定出數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)，包括公自轉(zhuǎn)速度、偏心距、正向壓力等。
[0024]步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺(tái)上(待加工面朝上放置)，并將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝。
[0025]步驟4) 一個(gè)周期拋光結(jié)束后，對(duì)加工元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)。
[0026]步驟5)對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD分析，根據(jù)PSD曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對(duì)非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。
[0027]進(jìn)一步的，參閱圖2，圖2為本實(shí)施例中所選用的柔性小工具的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要包括金屬底盤1、發(fā)泡硅膠板2和瀝青拋光層3。在拋光階段所選用的柔性拋光小工具尺寸大小為30_，發(fā)泡娃膠層厚為7_，瀝青拋光層厚為3_ ;在光順階段所選用的小工具尺寸大小為80mm，發(fā)泡娃膠層厚為10mm，瀝青拋光層厚為3mm。
[0028]進(jìn)一步的，參閱圖3，圖3為本實(shí)施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑不意圖。
[0029]進(jìn)一步的，本實(shí)施例中光順工藝所使用的加工參數(shù)為:機(jī)床提供的正向壓力為150KPa，柔性小工具自轉(zhuǎn)速度為50RPM，小工具的平滑速度為500mm/min，小工具的自轉(zhuǎn)方向與加工路徑方向相反。經(jīng)過本實(shí)施例加工方法加工后的非球面表面最終面形，面形誤差PV = 0.18 λ，中高頻波段的 RMS = 1.5nm。
[0030]本發(fā)明一種全頻段高精度非球面加工方法簡單又高效，并且實(shí)現(xiàn)了僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機(jī)床便能加工出全頻段高精度的非球面表面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全頻段高精度非球面光學(xué)元件的加工方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟I)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量非球面面形誤差； 步驟2)根據(jù)測得的面形誤差，選擇口徑大小不大于該非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇類高斯型去除函數(shù)，確定數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)； 步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺(tái)上，將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝； 步驟4) 一個(gè)周期拋光結(jié)束后，對(duì)待加工非球面元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)； 步驟5)對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD分析，根據(jù)PSD曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對(duì)非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全頻段高精度非球面加工方法，其特征在于:所述的柔性拋光小工具包括金屬底盤(I)、發(fā)泡硅膠板(2)和瀝青拋光層(3)，通過機(jī)床提供的壓力，實(shí)現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實(shí)時(shí)吻合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全頻段高精度非球面加工方法，其特征在于:所述的光順工藝是小工具采用單自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式并勻速平滑待加工面的工藝，能在保證低頻面形的同時(shí)，有效的平滑待加工面，提高表面質(zhì)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全頻段高精度非球面加工方法，該方法主要包括以下步驟：1)用干涉儀檢測銑磨成形后的待加工非球面面形；2)根據(jù)待加工面形誤差數(shù)據(jù)，選擇合適的柔性拋光小工具，結(jié)合該小工具的去除函數(shù)，確定數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)。3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床加工平臺(tái)上，輸入加工參數(shù)，并采用變步距螺旋加工路徑執(zhí)行拋光工藝。4)一個(gè)周期拋光結(jié)束后，對(duì)非球面元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)。5)對(duì)低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD分析，根據(jù)PSD曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇較大口徑的柔性拋光小工具，再對(duì)非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機(jī)床便完成了非球面光學(xué)元件的全頻段高精度加工。
【IPC分類】B24B1-00
【公開號(hào)】CN104772661
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510149320
【發(fā)明人】邵建達(dá), 張逸中, 魏朝陽, 胡晨, 張海超
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月1日