一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备

摘要

一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备，属于光学精密机械技术领域，其抛光工艺是：根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，构成抛光加工过程的模型，在计算机的控制下，按实际加工元件的技术要求确定路径、速度和压力等参数，进行仿真加工，验证选择的工艺参数，当仿真结果与实际要求的抛光表面相一致时确定最终的工艺参数，然后生成NC程序，进行加工；有益效果是：相比同加工阶段的手工加工方法，加工过程减少了对人员经验的依赖，效率提高3倍以上，加工精度达到国际先进水平。

说明书

技术领域

本发明属于光学精密机械技术领域。

背景技术

1、国外研究的技术发展现状

随着计算机技术的迅猛发展，非球面加工工艺技术日趋完善，特别是中大口径非球面表面数控成形技术的发展，使非球面加工技术达到了可控加工的目的。

发达国家中大口径轴对称非球面光学元件采用铣磨加工、精密磨削、快速抛亮、精密抛光工艺，其最终面形加工精度达到λ/5、粗糙度1.5nm，加工效率高，但是在加工技术方面，发达国家对我国实行技术贸易壁垒，先进的设备和技术无法引入国内，使我国的光学加工工艺装备非常匮乏和落后。

2、国内研究的技术发展现状

国内的非球面加工还主要以传统的手工加工方式，依靠操作者的经验，效率普遍较低。加工一块中等精度的非球面透镜，其加工周期往往以数月，甚至以年为计，而且由于加工工艺自身的局限性加工精度无法达到现代光学系统应用的要求。

相对于国外种类繁多，性能优异的非球面加工及检测技术，我国在这两个领域的开发和应用显得非常薄弱。从整体上衡量，我国非球面加工技术仍处于起步阶段，加工成本高、效率低、质量差，难以满足高标准、批量化的要求。

发明内容

本发明的目的是：

提供一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备，该工艺及设备可将非球面光学元件进行高质量、高效率、批量化精密抛光。

本发明的技术方案是：

本发明的抛光工艺是：

根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，通过软件CCOS2进行分析，选择适合的抛光参数，构成抛光加工过程的模型，在计算机的控制下，按实际加工元件的技术要求确定路径、速度和压力等参数，进行仿真加工，验证选择的工艺参数，当仿真结果与实际要求的抛光表面相一致时确定最终的工艺参数，然后生成NC程序，进行加工。通过控制小抛光模在工件表面的驻留时间及压力，精确控制工件表面的去除量，获得理想的面形。

本发明的详细工艺是：

(1)由高精度光学面形测量仪器测量光学元件的面形误差，取得目前光学表面的面形数据；

(2)将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数；

(3)选择抛光参数，根据预期的材料去除量计算驻留时间函数和最优化的加工路径并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次进行计算机模拟；

(4)重复第(3)步，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成设备数控系统参数；

(5)设备数控系统读入并执行控制文件，驱动设备各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工；

(6)这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪器检测工件面形，为下一个加工周期提供面形数据；如此周而复始，反复迭代，直到得到符合要求的光学表面。

本发明的具体工艺参数设定：

采用五轴四联动数控抛光设备实现抛光加工，可根据工件的结构特点随意选用直角坐标或极坐标两种抛光路径，抛光加工中只需三轴数控联动，就可实现非球面光学元件的抛光加工。

1)速度的设定：加工时工具的行走速度通常设为20mm/min～100mm/min。在设定加工路径时，面型高的区域用较慢的加工；面型稍低的区域，用较快的速度加工；面型太低的则不加工；

2)当加工反射零件时，图像的红色代表高面型，是需要加工的部分；当加工透射零件时，图像的蓝色代表高面型，是需要加工的部分。相同的PV值，透射加工比反射加工的加工力度要稍大一些；

3)小磨头的选择：加工整个面，或零件的中间部分高带时选择φ50mm小磨头，加工的行间距设为10mm～20mm；加工边缘部分高带时选择φ35mm小磨头，加工时的偏心为小磨头直径为1/10；

4)加工时的压力：面型PV值在0.5λ以内时调节设备压力表小于1.0kgf/cm²；面型PV值在1λ以内时调节设备压力表小于1.5kgf/cm²；面型PV值在1.5λ以内时调节设备压力表小于2.0kgf/cm²。透射零件加工时使用的压力可以比反射的稍大；

5)抛光主轴速度的确定：0～150r/min；

6)零件装夹在设备上时，加工面为面对干涉仪的一面。零件在干涉仪上向上一条边在设备上向前；

7)辅料一律采用500目氧化铈；

8)生成的CNC文件控制时间一般最长不得超过2小时。

本发明工艺中抛光设备是：

该设备分为Z轴进给系统、Y轴进给系统、C轴进给系统、A轴进给系统、X轴进给系统、抛光头系统、床身七部分。

Z轴进给系统：Z轴固定在滑板体和压盖之间。交流伺服电机驱动抛光主轴旋转，滑板体底部固定有直线导轨的滑块及滚珠丝杠上的滚珠螺母，通过滚珠丝杠驱动滑板体(及其中的抛光主轴)，在Z轴轴向上作上下往复运动，另一交流伺服电机驱动抛光主轴绕Z轴作旋转运动。即一套伺服电机驱动抛光磨头绕自身轴线(Z轴)作旋转运动，同时另一套伺服电机使抛光磨头在Z轴轴向上作往复运动。

Y轴进给系统：Y轴系统固定在床身横梁上，滑板底部固定有直线导轨的滑块及滚珠丝杠上的滚珠螺母，Y轴伺服电机与滚珠丝杠相连，并驱动滚珠丝杠使滑板在Y轴轴向上作往复运动。即一套伺服电机驱动抛光磨头主轴在Y轴轴向上作往复运动。

C轴进给系统：伺服电机驱动U型蜗轮壳体内的一套弹簧消隙的蜗轮、蜗杆减速机构传递动力，使固定在其上的转盘及其上面固定的工件绕着Z轴作C轴无间隙360°旋转运动。

A轴进给系统：A轴为两个半轴，分别固定在左支座及右支座上，左支座内的伺服电机带动一套蜗轮、蜗杆减速器及齿轮减速器传递动力，使(C轴部件的)U型蜗轮壳体以及上面固定的工件绕着X轴作A轴的±90°翻转运动。

X轴进给系统：A轴部件的左、右支座底部固定有直线导轨的滑块及滚珠丝杠上的滚珠螺母。伺服电机驱动滚珠丝杠旋转带动左、右支座及其上面的A轴部件、C轴部件在X轴轴向上作往复运动。

抛光头系统：采用四连杆平衡定位机构，压缩空气由进气口输入，通过气管输送到抛光模主轴孔内，推动球头柱塞，对抛光模施加一定的压力，保证抛光模与工件表面之间一定压力的悬浮式接触。

床身：床身采用花岗岩材料，水平面内固定有X轴进给系统、A轴进给系统、C轴进给系统。床身竖直平面内固定有Y轴进给系统、Z轴进给系统及抛光头系统。

各部件间相互关系：该抛光头设备采用龙门式五轴数控抛光方式，抛光磨头主轴(Z轴)沿X轴、Y轴方向可往复运动，同时抛光磨头可沿Z轴轴向作往复运动，工件绕Z轴作C轴回转运动，绕着X轴作A轴翻转运动。

本发明的有益效果是：

在实际的加工实验中，以330mm×330mm×60mm的平面反射镜面(材料为K9玻璃)加工为例，初始反射波前误差大于3.5λ(PV值，λ＝0.6328μm)，经过仅30h的抛光，反射波前误差PV值已收敛至0.26λ，均方根值为0.035λ。抛光φ300mm的非球面镜，熟练操作经验工约7～8月。

相比同加工阶段的手工加工方法，加工过程减少了对人员经验的依赖，效率提高3倍以上，加工精度达到国际先进水平。

(1)基于稳定抛光去除函数的设计思想，自主开发了计算机控制光学表面抛光工艺软件(CCOS2)，该软件可将面形检测结果自动生成机床加工NC程序，实现了有选择、有针对性地去除面形超差部位的高效、可控加工。

(2)自主开发了五轴四联动中大口径非球面光学元件抛光机床。通过机床运动方式和抛光加工运动的优化组合设计，首次采用工件翻转方式，使抛光位置始终处于水平状态，保证去除函数的高确定性；该机床采用无间隙传动和高精度气动系统控制，保证了小工具抛光过程的运行稳定性，实现了中大尺寸光学元件的精确定量加工。

(3)首次建立了中大尺寸非球面抛光加工工艺数据库，提出了对抛光盘特性、抛光头运动参数、抛光运动轨迹、去除余量等关键工艺参数的综合优化和仿真方法，有效地抑制了“塌边”和“碎带”的产生，提高了加工收敛效率和最终加工精度。

附图说明

图1是本发明的工艺流程框图；

图2是本发明X——Y方式抛光路径图；

图3是本发明ρ——θ方式抛光路径图；

图4是本发明抛光设备主视结构图；

图5是本发明抛光设备侧视结构图；

图6是本发明抛光设备中传动系统图；

图7是本发明抛光设备中气动系统图；

图8是本发明抛光设备中四连杆平衡机构图；

图9是本发明抛光设备中精密气压装置图；

图10是本发明抛光设备中消除蜗轮与轴间隙结构图；

具体实施方式

实施例1：

如图4、5所示，其中：1是Y轴、2是Z轴、3是床身、4是X轴、5是抛光磨头、6是C轴、7是A轴；如图9所示，11是调节螺杆、12是活塞杆、13是缸体；如图10所示，21是轴、22是蜗轮、23是胀套。

在抛光工艺中，由于采用五轴四联动数控实现抛光加工，因此，可根据工件的结构特点随意选用直角坐标或极坐标两种抛光路径，如图2、3所示。抛光加工中只需三轴数控联动，就可实现非球面光学元件的抛光加工。

针对数控加工过程中遇到的困难，开发了新型数控优化工艺软件CCOS2，沿用基于数字波前检测的数控抛光工艺控制模型，结合高精度干涉检测手段，使用基于确定去除试验和面形预测技术。新型优化工艺软件根据加工元件的各种不同要求，进行确定去除试验，建立加工参数数据库，此数据库主要提供各种不同的工件在某种条件下加工最适用的参数和此时的去除函数。在加工中根据元件材料及表面质量要求从加工参数数据库中载入匹配的去除函数和加工参数，利用干涉仪检测数据进行模拟加工，生成数控加工程序和预期面形，当需要进一步程序加工时可使用预期面形再次模拟加工。数控加工程序全部完成后，使用加工参数数据库中的相关加工参数便可进行设备加工，加工结束后进行干涉仪检测得到加工结果，便可进行下一步的加工。

在抛光设备中，该光学抛光设备采用龙门式结构，五个数控轴，四轴联动。抛光头在平行四连杆结构控制下进行平转动运动，抛光主轴与抛光盘之间采用柔性关节连接；利用蜗轮弹簧消隙结构使工件无间隙转动；精密柱塞结构可使气压精度达到0.01bar。各个方向上的运动速度和位移由西门子840D数控系统及611D驱动系统控制，可按直角坐标系或极坐标系方式运动，实现可控精密抛光加工。

床身采用黑色花岗岩材料，消除设备的应力变形，减少设备的热变形，而且能提高设备的抗振性能。整体防护，保证加工空间的洁净。

加工过程中，由计算机控制机床的各向运动(如X、Y向导轨的运动、平面的自转和倾斜以及主轴的纵向进给)，抛光主轴(Z轴)可沿X、Y轴方向移动，抛光模可沿Z轴移动，C轴绕Z轴作回转运动，A轴绕X轴作翻转运动，并通过运动位移编码器反馈系统实现准确定位，因此，小抛光模可按复杂的加工路径运动，而且只在指定加工区域进行抛光操作，单次加工时间大大缩短。

磨头在绕Z轴作圆环摆动(公转)的同时，在摩擦力的作用下自转。由于磨头以双旋转方式运动，其抛光特性函数与理想的特性曲线十分接近。这种运动方式有利于控制抛光过程的收敛效率和碎带控制，保证了面形的快速收敛。

1、设备主要技术参数

X轴行程(Journey of X shaft)    0～650mm

Y轴行程(Journey of Y shaft)    0～650mm

Z轴行程(Journey of Z shaft)    0～650mm

A轴行程(Circumgrate Journey of A shaft)0～±90°

C轴行程(Circumgrate Journey of C shaft)0～360°

设备长×宽×高(Length×Width×Height)2700×2500×2420

设备总重(Gross Weight)         6.5T

光学数控抛光设备传动系统，采用精密滚珠丝杠、双侧线性滚动导轨及蜗轮蜗杆传动机构。精密滚珠丝杠采用预紧结构，配对角接触球轴承采用“背对背”配置形式，对丝杠实现预拉伸。

X轴进给系统

X轴进给系统由交流伺服电机(1FK7060-5AF)作为动力，带动丝杠旋转。C轴及A轴部件装在半轴支座上，由丝杠带动在双侧线性滚动导轨副上作直线往复运动。为了减小摩擦、消除间隙、提高传动刚度，采用双螺母机构对丝杠施加预紧力，使丝杠始终处于预拉伸状态，提高了丝杠的刚度和传动精度。

Y轴进给系统

Y轴进给系统由交流伺服电机(1FK7060-5AF)带动丝杠旋转，其结构与X轴大致相同。Z轴及抛光头系统安装在Y轴的滑台上，在Y轴轴向上作往复进给运动。

Z轴进给系统

Z轴进给系统由交流伺服电机(1FK7063-5AF)带动丝杠旋转。Z轴及其抛光头系统作轴向往复进给运动。由于Z轴与水平面垂直，滚珠丝杠又不具有自锁功能。因此，Z轴伺服电机应选用具有自锁功能的电机。

A轴翻转进给系统

A轴翻转进给系统由交流伺服电机(1FK7063-5AF)作为动力，通过蜗轮、蜗杆减速器(I＝54)及齿轮减速器(I＝3)，带动工件绕A轴作(0°～±90°)翻转运动。由于翻转机构的中心距离翻转轴较远，需要的翻转扭矩很大，因此，在电机与蜗杆之间增加一对减速齿轮，减小电机的负载。蜗轮、蜗杆减速器采用蜗杆分两段、轴向碟簧调整法消除间隙并增强刚性。

C轴翻转进给系统

C轴回转进给系统由回转伺服电机(1FK7060-5AF)作为动力，通过蜗轮、蜗杆减速器(I＝54)，最后带动转盘使工件绕C轴作回转运动。由于采用蜗轮、蜗杆结构，齿侧间隙会造成开环或半闭环伺服进给系统的死区误差，影响定位精度，所以蜗轮、蜗杆减速器要采用消除间隙机构，提高设备的进给精度和刚性。

3、抛光头装置

抛光盘与抛光磨头之间必须是柔性的，便于压缩空气通过导气管输送到抛光头，由进气口进入抛光头内的柱塞进气腔，柱塞推动球头顶杆将抛光盘压向工件的抛光表面。这样才能够保证抛光模与工件表面良好的贴合，保证抛光压力均衡和不变，保证抛光压力不受抛光条件的影响，同时又避免了抛光头对光学玻璃元件的冲击造成光学元件的损坏；采用四连杆平衡定位机构，实现抛光盘平动；通过调整调节螺杆，能够使抛光盘获得不同公转半径，以适应不同工件的抛光要求。

4、床身部件

床身的底座、立柱和横梁采用黑色的花岗岩材料。花岗岩床身不仅能消除设备的应力变形，减少设备的热变形，而且能提高设备的抗振性能。

5、气动系统

采用德国FESTO气动元件，由三联件、精密减压阀，二位三通电磁阀，单向节流阀、精密压力表等器件组成。如图所示：

气源通过三联件过滤。第一次减压，经过两位三通阀至精密减压阀。精密减压阀两个出气口分别接精密压力表(YB150-0.2级)和抛光头进气缸。抛光头是单作用气缸，所以采用进气节流的单向节流阀控制气体流动，保证气源工作平稳，对精密压力表无冲击，防止损坏。

6、电气系统

该设备控制系统采用西门子840D数控系统及611D驱动系统。840D数控系统的核心部件是NC和PLC系统。

NC(Numerical Control)是数字控制既数控。它是根据NC程序通过一定的算法对刀具运动轨迹进行控制。

 PLC(Programmable Logic Controller)是可编程的逻辑控制器。它是根据输入信号依据已编程的控制逻辑去控制执行部件。

NC是在PLC的监控下进行工作，PLC不但要监控NC，还要监控外部执行部件。本设备要求NC可控制六个轴(三个进给轴X、Y、Z，二个旋转轴A、C，一个主轴SP)

针对光学元件加工中易出现的“碎带”、“塌边”等缺陷的难题，进行了以下结构的设计：

(1)采用四连杆平衡机构实现抛光头平动；采用关节连接机构，实现与工件良好贴合。

(2)采用精密灵活气动加压装置和安全保护装置，实现平稳加压和避免损伤工件。

(3)采用弹性胀紧套结构，消除蜗轮与轴间隙结构。

通过以上高精度、高可靠性的结构设计，避免了抛光时工件的“蠕动”，达到抑制表面“碎带”、“塌边”的生成。

优化结构特点

优化了中大口径非球面光学元件数控抛光加工的工艺参数。

(1).抛光盘特性研究

确定抛光盘的尺寸和硬度，适当增大磨头的尺寸能有效地减小中高频误差，但会增大低频误差，破坏面形收敛效率。因此，有必要在抛光效率和控制中高频误差两者之间进行折中，选择最优的磨头参数，对于抛光盘的硬度选择也存在着同样的问题。

(2).抛光头运动参数确定

主轴的转速、抛光头的工作压力和进给速度等参数，对中高频段误差的收敛影响很大。减小主轴转速、减小压力、缩短磨头的驻留时间，有利于抑制“碎带”的出现。

(3).控制抛光运动轨迹

在对光学元件中心部位进行抛光时，可通过改变抛光盘尺寸来减轻抛光轨迹对产生“碎带”的影响。对于加工的光学元件边缘部分，由于磨头去除特性的异常变化，抛光轨迹选择不当极易形成严重的中高频误差，以及很难消除的边缘效应。

(4).去除余量控制

利用光学干涉法检验玻璃光学元件的面形轮廓，检验数据存储于计算机，由数据分析、处理软件进行面形轮廓数据处理，根据数据处理结果，自动生成数控机床加工程序，自动选择抛光压力、速度、驻留时间，通过抛光程序的模拟运行，自动修改和完善抛光参数和数控加工程序，由数控加工程序控制抛光头对光学元件不同位置进行材料可控去除，每次加工不能追求过高的去除量，尤其是在最后的抛光阶段，否则将会在元件表面留下过深的痕迹，给后续加工造成困难。

加工完毕后进入下一加工循环。通过几次的加工达到面形快速收敛的目的。

抛光工艺的精加工阶段是一个有着多种因素决定的复杂过程，小工具数控抛光的表面去除量并不易量化，而使用确定的去除试验可将抛光过程中的诸多不定因素固化，得到确定的抛光去除函数模型，使用此定量的去除函数可实现确定的抛光加工。

在编程和实际加工中，使用的加工参数是已经固化的参数，在设备加工时也无需更改，所以做到了真正不依靠加工者的经验。

大口径非球面光学元件的技术指标

加工范围

材料：K9、BK7、石英、微晶玻璃、SiC等光学玻璃材料。

面形：平面、球面、非球面。

形状：Φ650mm以内的非球面、球面、平面光学元件。

光学样件的技术指标

非球面面型精度PV≤1/5λ；非球面表面粗糙度Rq≤1.2nm。