全頻段高精度非球面光學元件的加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于非球面光學元件的數(shù)控加工領域，具體涉及一種非球面光學元件的全頻段誤差控制的方法。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代光學元件加工技術的發(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”為標志的現(xiàn)代先進制造技術一一計算機控制光學表面成形(CCOS)技術所取代。CCOS技術是一種利用計算機控制小工具實現(xiàn)確定區(qū)域的確定量加工的技術，其實現(xiàn)材料去除的理論基礎是Preston方程，它是一種依靠正壓力實現(xiàn)材料有效去除的加工方法。典型的小工具結構是在一個金屬底盤上覆蓋一層瀝青，由于整個小工具的剛度較大，所以通常被稱為剛性盤。在小工具拋光范圍內，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“高點優(yōu)點去除”原則，即當小工具在加工時，首先是與工件表面的高點區(qū)域發(fā)生接觸，然后瀝青材料會在正向壓力的作用下發(fā)生微觀形變，以適應工件表面微觀結構，因為高點區(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遠小于工件尺寸，因此在實現(xiàn)低頻面形誤差確定收斂的同時，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)控機床組合加工非球面的方法被提出。組合加工的思想是結合不同加工方式的優(yōu)點，分階段的將待加工元件分配給不同的加工方式，最終得到一個高精度的光學表面。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)控小工具對低頻面形精度達標的非球面表面進行平滑，然后利用磁流變拋光技術的柔性拋光原理，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，需要使用到三臺精密數(shù)控機床，加工成本極高。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種低成本、易實現(xiàn)且加工效率高的全頻段高精度非球面加工方法。
[0005]為實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明提出的技術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)控機床的加工參數(shù)；
[0008]步驟3)將待加工非球面元件放置在機床的加工平臺上，將加工參數(shù)輸入到機床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進行拋光工藝；
[0009]步驟4) 一個周期拋光結束后，對待加工非球面元件進行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標；
[0010]步驟5)對低頻面形精度達標的面形數(shù)據(jù)進行功率譜密度(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，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數(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，其可以通過機床提供的壓力，實現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實時吻合。
[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運動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，有效的平滑待加工面，提高表面質量。
[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CCOS數(shù)控小磨頭機床就實現(xiàn)了非球面光學元件的全頻段高精度加工。
[0014]與現(xiàn)有的加工技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明所使用的柔性拋光小工具能夠通過機床提供的正向壓力，而實現(xiàn)拋光小工具自適應非球面表面面形，在保證低頻面型的同時，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運動方式并勻速平滑待加工面，較行星運動方式，更能有效的抑制中高頻誤差，提高光學表面質量；本發(fā)明僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機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)明實施例中柔性拋光小工具的結構示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明實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
【具體實施方式】
[0020]下面結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]本實施例加工方法的加工對象為一塊200mm，頂點曲率半徑1700mm的凸非球面鏡。參閱圖1，本實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)控機床的加工參數(shù)，包括公自轉速度、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床的加工平臺上(待加工面朝上放置)，并將加工參數(shù)輸入到機床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進行拋光工藝。
[0025]步驟4) 一個周期拋光結束后，對加工元件進行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標。
[0026]步驟5)對低頻面形精度達標的面形數(shù)據(jù)進行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，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。
[0027]進一步的，參閱圖2，圖2為本實施例中所選用的柔性小工具的結構示意圖，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]進一步的，參閱圖3，圖3為本實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]進一步的，本實施例中光順工藝所使用的加工參數(shù)為:機床提供的正向壓力為150KPa，柔性小工具自轉速度為50RPM，小工具的平滑速度為500mm/min，小工具的自轉方向與加工路徑方向相反。經(jīng)過本實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，并且實現(xiàn)了僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機床便能加工出全頻段高精度的非球面表面。
【主權項】
1.一種全頻段高精度非球面光學元件的加工方法，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)控機床的加工參數(shù)； 步驟3)將待加工非球面元件放置在機床的加工平臺上，將加工參數(shù)輸入到機床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進行拋光工藝； 步驟4) 一個周期拋光結束后，對待加工非球面元件進行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標； 步驟5)對低頻面形精度達標的面形數(shù)據(jù)進行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，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。
2.根據(jù)權利要求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)，通過機床提供的壓力，實現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實時吻合。
3.根據(jù)權利要求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運動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，有效的平滑待加工面，提高表面質量。
【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，結合該小工具的去除函數(shù)，確定數(shù)控機床的加工參數(shù)。3)將待加工非球面元件放置在機床加工平臺上，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)一個周期拋光結束后，對非球面元件進行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標。5)對低頻面形精度達標的面形數(shù)據(jù)進行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，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。本發(fā)明實現(xiàn)了僅使用CCOS數(shù)控小磨頭機床便完成了非球面光學元件的全頻段高精度加工。
【IPC分類】B24B1-00
【公開號】CN104772661
【申請?zhí)枴緾N201510149320
【發(fā)明人】邵建達, 張逸中, 魏朝陽, 胡晨, 張海超
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月1日