光学元件的控时磨削加工方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及光学元件加工领域，尤其涉及一种光学元件的控时磨削加工方法、系统及介质。

背景技术

航空航天、天文探测、军事、能源、医疗等领域的发展对大口径光学元件的需求提出了更高要求。根据瑞利判据，当波长不变时，更大的镜片直径可以有效提升光学系统的分辨率，同时更大的口径可以实现更大的进光量，利于高画质的成像。1990年升空的哈勃空间望远镜主镜口径达2.4米；美国的“锁眼-12”侦察卫星的主镜口径达到3米，对地分辨率可达0.1米；而正在建设的巨型麦哲伦望远镜(GMT)，其单镜口径达到了8.4米。除了直径不断变大以外，大口径光学元件的需求量也越来越大。例如美国的国家点火装置(NIF)，其中共需要7440件大口径精密光学元件；欧洲极大望远镜(EELT)中使用798块口径1.4m的反射镜，等等。因此上述领域的发展对大口径光学元件加工设备提出了高精度和高效率的制造要求。

目前材质以熔石英、碳化硅、单晶硅等硬脆材料为代表的大口径光学元件，加工流程一般包括磨削、修形抛光、镀膜等工艺。磨削工艺利用磨床对镜片进行磨削加工，由于磨床遵循传统机械加工“母性原则”的制约，磨床成形精度受到机床自身运动精度的影响，导致在大口径镜片的面形精度在5μm PV附近。在磨削之后的修抛工艺主要以基于计算机控制光学成形技术(CCOS)为主，包括磁流变抛光、双转子小磨头抛光、气囊抛光等，可以达到λ/20PV(λ＝632.8nm)的面形精度，以及优于Ra 1nm的表面粗糙度。但是上述的抛光工艺普遍体现出加工效率低的问题。以磁流变抛光为例，其材料去除效率约为1.25×10

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种光学元件的控时磨削加工方法、系统及介质，实现高效率、高面形精度、低表面粗糙度的光学元件加工。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种光学元件的控时磨削加工方法，包括以下步骤：

1)测量得到工件的初始面形误差数据；

2)根据初始面形误差数据的误差幅频分析结果配置控时磨削加工装置中的控时磨削加工头；

3)根据工件的精度要求选择合适的控时磨削加工参数；

4)在样件上使用所述控时磨削加工参数加工，将所述控时磨削加工头正交接触于样件的表面，并保持控时磨削加工装置的涂覆磨料带恒速更新，得到控时磨削去除函数；

5)提取控时磨削去除函数数据进行仿真加工，如果仿真加工达不到精度要求则返回步骤3)，如果仿真加工精度达到要求则进入步骤6)；

6)使用控时磨削加工参数和仿真加工软件生成的数控代码，控制控时磨削加工装置对工件进行确定性修形抛光。

进一步的，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)若使用接触式测量方法，则测量得到面形数据作为初始面形误差数据后直接进入步骤2)；若使用干涉测量方法，若工件表面粗糙度满足干涉测量要求，则测量得到面形数据作为初始面形误差数据后直接进入步骤2)；若工件表面粗糙度不满足干涉测量要求则进入步骤1.2)；

1.2)对工件表面进行快速抛亮，使得工件表面粗糙度满足干涉测量要求，将测量得到面形数据作为初始面形误差数据。

进一步的，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对初始面形误差数据进行傅里叶变换，得到面形误差频率与幅值之间的归一幅值谱；

2.2)若归一化幅值谱上低频率误差的幅值最大，则在控时磨削装置的控时磨削加工头上安装大尺寸接触轮，若归一化幅值谱上大幅值误差分量主要集中在中高频率段，则在控时磨削装置的控时磨削加工头上安装尺寸较小的接触轮。

进一步的，步骤3)具体包括以下步骤：

根据加工要求先确定控时磨削加工参数中的磨料粒度和接触压力，在这两个参数的基础上适应性调整控时磨削加工参数中的振动频率和涂覆磨料带更新速度。

进一步的，步骤4)具体包括以下步骤：

分别控制控时磨削加工装置相对于样件保持位置不动，且控时磨削加工头正交接触于样件的表面指定位置，根据所述接触压力控制控时磨削加工头以恒定压强压在样件表面，根据所述振动频率保持控时磨削加工头振动，根据所述涂覆磨料带更新速度控制涂覆磨料带恒速更新，到达预设的停留时间后控制控时磨削加工头离开当前位置，检测样件上的材料去除斑点，获取去除函数分布矩阵。

本发明还提出一种光学元件的控时磨削加工系统，包括安装于数控机床上的控时磨削加工装置，所述控时磨削加工装置包括设置于滑动箱体中的卷带模块、测速模块、控时磨削加工头、放带模块、涂覆磨料带，所述涂覆磨料带的一端缠绕于卷带模块上，且所述涂覆磨料带相对于卷带模块的另一端依次经过测速模块、控时磨削加工头后，和放带模块连接，使得所述测速模块反馈涂覆磨料带的更新速度后，所述卷带模块、放带模块分别受控改变卷带和放带速度。

进一步的，所述控时磨削加工装置还包括固定底座和气缸，所述固定底座固定设置于数控机床上，所述滑动箱体通过气缸和数控机床连接。

进一步的，所述控时磨削加工头滑动布置于滑动箱体中，所述控时磨削加工头端部设有可拆卸的接触轮，所述接触轮通过涂覆磨料带和外部的样件或工件接触。

进一步的，所述数控机床包括三个分别对应X、Y、Z轴的直线运动单元和三个分别对应A、B、C方向的回转运动单元，C方向对应的回转运动单元上安装有待加工的工件或样件，且C方向对应的回转运动单元安装于X轴对应的直线运动单元，所述控时磨削加工装置安装于B方向对应的回转运动单元上，且B方向对应的回转运动单元安装于A方向对应的回转运动单元上；A方向对应的回转运动单元安装于对应的直线运动单元上；Z轴对应的直线运动单元安装于Y轴对应的直线运动单元上；Y轴对应的直线运动单元滑动设置于置于数控机床上。本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行上述的光学元件的控时磨削加工方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

传统的磨床磨削精度依赖机床自身零部件的运动精度，最终工件成形的精度由砂轮相对工件的运动轨迹保证，受到各个部件运动精度的共同影响，如导轨的直线度、导轨之间的垂直度，砂轮轴的回转精度等等，而且随着机床加工尺寸的增大，其运动精度更难保证，造成面形精度停留在5μm PV水平。而现有的确定性修形抛光工艺普遍效率偏低，因此前道工序面形精度差会造成修形抛光工艺耗费大量人力、时间和材料成本，不利于大口径光学元件高精度、高效率的加工。

本发明中的控时磨削加工方法与设备基于计算机控制光学表面成形技术(CCOS)，通过自研的控时磨削加工装置在加工过程中控时磨削加工头始终正交接触于样件的表面，并保持控时磨削加工装置的涂覆磨料带恒速更新，实现了材料去除率的时间线性性和长时稳定性，并且实现了去除函数尺寸的稳定控制，因此可以通过计算机精确控制在工件表面不同位置停留特定时间来控制工件上每一处位置特定、准确的磨削去除量，误差低点停留时间短，磨削去除量少；误差高点停留时间长，磨削去除量大，进而达到优于1μm PV的面形精度。相比于传统的磨床磨削，本发明不再高度依赖机床自身的运动精度，通过控制工件表面每一处位置的磨削时间实现不同体积的材料去除，实现优于传统精密磨床的加工精度。相比于现有的确定性修形抛光工艺，控时磨削的材料去除效率高，可超过磁流变确定性抛光的10倍，且加工效率可控。此外，涂覆磨料抛光带的系列广泛、易于获得，适用于多种材料和工况，是一种兼具高效率、高精度和高适应性的加工工具，具有材料去除率较高、加工后工件表面质量较好等优点，搭配以控时磨削加工方法可以大幅缩减高精度光学元件的制造周期，尤其是在大口径光学元件的加工效率上优势明显。

附图说明

图1为本发明实施例一的基本流程示意图。

图2为本发明实施例一的其中一种去除函数的三维和二维形貌。

图3为本发明实施例二的控时磨削加工系统结构示意图。

图4为本发明实施例二中控时磨削加工系统运动轴不同联动方式下的进给路径示意图。

图5为本发明实施例二中控时磨削加工装置与工件接触姿态调整的示意图。

图6为本发明实施例二中控时磨削加工装置的结构示意图。

图7为本发明实施例二中控时磨削加工头实际运动轨迹示意图。

图例说明：1-数控机床、2-控时磨削加工装置、3-工件、12-X轴溜板、13-Y轴溜板、14-Z轴溜板、15-A轴转台、16-B轴转台、17-C轴转台、21-固定底座、22-滑动箱体、23、卷带模块、24-测速模块、25-控时磨削加工头、26-气缸、27-放带模块、28-涂覆磨料带。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提出一种光学元件的控时磨削加工方法，包括以下步骤：

1)测量得到待加工的光学元件(后文统一称为工件)的初始面形误差数据；

2)根据初始面形误差数据的误差幅频分析结果配置控时磨削加工装置中的控时磨削加工头；

3)根据工件的精度要求选择合适的控时磨削加工参数；

4)在样件上使用所述控时磨削加工参数加工，将所述控时磨削加工头正交接触于样件的表面，并保持控时磨削加工装置的涂覆磨料带恒速更新，得到控时磨削去除函数；

5)提取控时磨削得到去除函数数据进行仿真加工，如果仿真加工达不到精度要求则返回步骤3)，如果仿真加工精度达到要求则进入步骤7)；

6)使用控时磨削加工参数和仿真加工软件生成的数控代码，控制控时磨削加工装置对工件进行确定性修形抛光。

通过在加工过程中控时磨削加工头始终正交接触于样件的表面，并保持控时磨削加工装置的涂覆磨料带恒速更新，实现了材料去除率的时间线性性和长时稳定性，并且实现了去除函数尺寸的稳定控制，因此可以通过计算机精确控制在工件表面不同位置停留特定时间来控制工件上每一处位置特定、准确的磨削去除量，误差低点停留时间短，磨削去除量少；误差高点停留时间长，磨削去除量大，进而达到优于1μm PV的面形精度。

本实施例中，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)若使用接触式测量方法，如使用三坐标仪，则将通过测量得到的面形数据作为初始面形误差数据后直接进入步骤2)；若使用干涉测量方法，若工件表面粗糙度满足干涉测量要求，则直接将测量得到的面形数据作为初始面形误差数据后直接进入步骤2)；若工件表面粗糙度不满足干涉测量要求，则进入步骤1.2)；

1.2)对工件表面进行快速抛亮，使得工件表面粗糙度满足干涉测量的要求，将测量得到的面形数据作为初始面形误差数据。

本实施例中，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对初始面形误差数据进行傅里叶变换，得到面形误差频率与幅值之间的归一幅值谱；

2.2)根据步骤2.1)，若归一化幅值谱上低频率误差的幅值最大，则在控时磨削装置上安装大尺寸接触轮，若归一化幅值谱上大幅值误差分量主要集中在中高频率段，则在控时磨削装置上安装尺寸较小的接触轮。

本实施例中，控时磨削加工方法属于一种CCOS确定性加工方法，具备不同幅频特性的去除函数具有不同的误差修正效率和能力，适用于具有不同面形误差特征的工件。大尺寸接触轮生成的去除函数适用于修正空间波长较长的低频误差分量，随着接触轮尺寸变小，其对应的去除函数逐渐具备更强的高频误差修形能力，适用于空间波长较小的误差修正。

本实施例中，步骤3)具体包括以下步骤：

控时磨削加工方法中的工艺参数主要包括接触压力、磨粒粒度、振动频率、涂覆磨料带更新速度等。在步骤2.2)确定了接触轮的尺寸之后，根据加工要求先确定磨料粒度和接触压力，其余的加工参数在这两个参数的基础上做适应性调整以满足预期的材料去除。在单次加工过程中，所有加工参数需要保持不变来保证稳定的去除函数，从而确保可将其用于确定性修形抛光。其中一组加工参数生成的去除函数的三维和二维形貌如图2所示。

本实施例中，接触压力可在一定范围内调整，会影响材料去除效率和表面粗糙度，接触压力在任何单次加工过程中必须保持恒定；涂覆磨料带的粒度是材料去除效率的主导因素，大粒度的涂覆磨料带去除效率更高，小粒度的涂覆磨料带反之；在本发明的控时磨削方法中，往复振动是磨削去除材料的主运动，振动频率主要影响材料去除效率和表面粗糙度，振动频率越高材料去除效率越高，同时表面粗糙度越低，反之材料去除效率越低，同时表面粗糙度更优。涂覆磨料带的更新速度主要影响去除函数的形状，也会影响材料去除效率。上述的加工工艺参数实际上有相互耦合作用，不同的控时磨削加工参数组合都会生成不同的去除函数，适用于不同的加工要求。

本实施例的步骤4)具体包括以下步骤：选用一块材料和曲率半径与实际工件相同，但是总体尺寸只是实际工件的一部分的样件，分别控制控时磨削加工装置相对于样件保持位置不动，且控时磨削加工头正交接触于样件的表面指定位置，根据所述接触压力控制控时磨削加工头以恒定压强压在样件表面，根据所述振动频率保持控时磨削加工头振动，根据所述涂覆磨料带更新速度控制涂覆磨料带恒速更新，到达预设的停留时间后控制控时磨削加工头离开当前位置，检测样件上的材料去除斑点，获取去除函数分布矩阵。

本实施例中，样件的表面指定位置可以为一处或者少数几处位置(多处位置定点加工可以减少偶然情况的出现，保证去除函数的准确性)。

本实施例的步骤5)中提取控时磨削去除函数数据进行仿真加工具体包括：

根据步骤4)获得的去除函数，以及步骤1)中获得的初始面形误差数据，将这两个数据输入控时磨削加工工艺软件中，工艺软件会解算控时磨削加工头在工件表面每一处位置的停留时间，并计算出仿真加工后工件表面的残余面形误差数据。根据初始面形误差数据，可以得到工件每一处位置的面形情况，通过样件加工的去除函数，可以得到预设时间内的去除量，根据去除量和时间的线性关系，就可以通过工件每一处位置的去除量计算出在该位置的停留时间。

本实施例的步骤6)基于CCOS原理进行，具体步骤包括：控制控时磨削加工头正交接触于工件表面的待加工位置，根据所述接触压力控制控时磨削加工头以恒定压强压在工件表面，根据所述振动频率保持控时磨削加工头振动，根据所述涂覆磨料带更新速度控制涂覆磨料带恒速更新，到达预设的停留时间后控制控时磨削加工头离开当前位置并前往下一个位置，直到所有待加工位置加工完毕，当加工轨迹途径工件表面误差高点时，控制控时磨削加工装置在该处停留较长时间，以在该处去除更多材料，反之，当加工轨迹途径工件表面误差低点时，控制控时磨削加工装置在该处停留较短时间，以去除较少量的材料。

实施例二

本实施例根据实施例一中的方法提出一种光学元件的控时磨削加工系统，如图3所示，由数控机床1、控时磨削加工装置2以及控制模块构成，控制模块可以是计算机或者已经编写好程序的可编程芯片，数控机床1、控时磨削加工装置2的控制端分别和控制模块连接，数控机床1包括三个分别对应X、Y、Z轴的直线运动轴和三个分别对应A、B、C方向的回转运动轴，直线运动轴包括X轴溜板12、Y轴溜板13、Z轴溜板14，回转轴包括A轴转台15、B轴转台16和C轴转台17。工件3安装于C轴转台17、C轴转台17安装于X轴溜板12，可以实现X轴方向的进给和C方向的伺服转动。控时磨削加工装置2安装于B轴转台16，可沿B轴伺服转动；B轴转台16安装于A轴转台15，可沿A轴伺服转动；A轴转台15安装于Z轴溜板14，可沿Z轴方向伺服进给；Z轴溜板14安装于Y轴溜板13、可沿Y轴方向伺服进给；Y轴溜板13滑动地置于数控机床1的床身上，在数控机床1的床身的行程范围内伺服进给。

本实施例中，控时磨削加工系统在X轴溜板12、Y轴溜板13和C轴转台17的联动控制下，可以实现控时磨削加工装置2在工件3表面每一处位置的材料去除。当X轴溜板12和Y轴溜板13联动进给时，可以实现如图4所示的光栅进给轨迹；当X轴溜板12或Y轴溜板13与C轴转台17联动控制时，可以实现图5所示的螺旋进给轨迹。

本实施例中，Z轴溜板14、A轴转台15和B轴转台16共同带动控时磨削加工装置2进行如图6所示的姿态调整，以保证控时磨削加工装置2始终以正交方式接触于工件3的表面，保证控时磨削去除函数的稳定性。

在本实施例中，如图5所示，控时磨削加工装置2主要由固定底座21、滑动箱体22、卷带模块23、测速模块24、控时磨削加工头25、气缸26、放带模块27、涂覆磨料带28构成。其中，固定底座21固接于B轴转台16上，滑动箱体22滑动地设于固定底座21上，气缸26两端分别连接固定底座21和滑动箱体22。在气缸26的作用下，滑动箱体22在固定底座21上可沿气缸26伸缩方向弹出和收回。卷带模块23、测速模块24和放带模块27均安装于滑动箱体22内，用于带动涂覆磨料带28不断更新。放带模块27由恒力矩装置驱动，保证加工过程中涂覆磨料带的张紧力恒定。涂覆磨料带28为开式，一端安装于放带模块27的卷盘上，经过控时磨削加工头25、测速模块24，另一端缠绕在卷带模块23的卷盘上。加工头25滑动地设于滑动箱体22上，可沿一维方向做振动运动，振动频率和振动幅值均可调。控时磨削加工头25上安装有可更换的柔性接触轮，表面覆盖有涂覆磨料带28，接触轮即通过涂覆磨料带28和外部的工件3或者样件接触。

本实施例中，测速模块24可以为速度传感器或者位移传感器，测速模块24的采集端和涂覆磨料带28的内侧接触，从而可以实时采集涂覆磨料带28的更新速度，并将更新速度反馈给控制模块，控制模块再控制卷带模块23、放带模块27改变对应卷盘的角速度，以保持涂覆磨料带28的更新速度不变，在实际使用中，随着使用时间的变化，卷带模块23的卷盘随收回的涂覆磨料带28变得越来越大，放带模块27的卷盘随放出的涂覆磨料带28变得越来越小，因此卷带模块23的卷盘角速度逐渐减小，且放带模块27的卷盘角速度逐渐增大。

在本实施例中，光学元件的控时磨削加工系统实现实施例一的步骤4)的具体过程如下：

在获取去除函数时，将材料和曲率半径与工件3相同的一块样件装夹于C轴转台17上，控制模块控制控时磨削加工装置2相对于样件保持位置不动，且控时磨削加工头25正交接触于样件的表面指定位置，根据控时磨削加工参数中的接触压力控制气缸26通入恒定压强的压缩空气，推动滑动箱体22弹出，滑动箱体22末端的控时磨削加工头25以恒定压力压在样件表面，根据控时磨削加工参数中的振动频率保持控时磨削加工头25振动，根据控时磨削加工参数中的涂覆磨料带更新速度控制卷带模块23、放带模块27的卷盘角速度，并根据测速模块24实时反馈的速度信息调整卷带模块23、放带模块27的卷盘角速度，以确保涂覆磨料带28的恒速更新。持续特定时间后，控制控时磨削加工头25离开样件，通过检测设备检测样件上的材料去除斑点，获取去除函数分布矩阵。步骤3.1)中的控时磨削加工参数均会影响最终去除函数矩阵的分布特征。

在本实施例中，光学元件的控时磨削加工系统实现实现实施例一的步骤5)具体包括以下内容：

根据步骤4)获得的去除函数，以及步骤1)中获得的初始面形误差数据，将这两个数据输入控时磨削加工工艺软件中，工艺软件会解算控时磨削加工头25在工件表面每一处位置的驻留时间，并计算出仿真加工后工件表面的残余面形误差。如果残余面形误差的幅值在预期要求之内，则可以在工艺软件内将上述解算出的驻留时间转化为机床数控代码，导入机床进行实际加工。如果不满足加工要求，则返回步骤3)开始调整加工参数。

本实施例中，光学元件的控时磨削加工系统实现实现实施例一的步骤6)具体包括以下内容：

控时磨削加工基于CCOS原理进行，当开始加工时，根据控时磨削加工参数中的接触压力控制气缸26通入恒定压强的压缩空气，推动滑动箱体22弹出，滑动箱体22末端的控时磨削加工头25以恒定压力压在工件3表面，通过A轴转台15和B轴转台16的联动，保证气缸26的作用线与工件3和接触轮相切处的法线重合。放带模块27具备恒定的张紧力矩，卷带模块23的卷盘被电机驱动进行伺服旋转，带动涂覆磨料带28不断更新。测速模块24和涂覆磨料带28接触，控制模块通过测速模块24检测涂覆磨料带28的实际线速度对卷带模块23的电机进行反馈调节，使涂覆磨料带28的线速度保持恒定，以保证控时磨削加工头25和工件3接触的磨削区域内去除函数形状稳定性。同时控时磨削加工头25以一定频率和幅值做振动运动，通过涂覆磨料带28上的磨粒与工件3之间的相对磨削，产生预期的材料去除。在加工过程中，当加工轨迹途径工件3表面误差高点时，控时磨削加工装置2会在该处停留较长时间，让控时磨削加工头25在该处去除更多材料，反之，当加工轨迹途径工件3表面误差低点时，控制模块将控制数控机床1上相应的运动轴提高运动速度，带动控时磨削加工装置2快速通过工件3上的误差低点位置，以去除较少量的材料。在此加工过程中，负责按照加工轨迹运动的相应运动轴做变速运动，并在机床数控系统的控制下保持准确的联动状态。当控时磨削加工装置2相对于工件3进行进给运动和振动运动时，工件上实际的合成轨迹如图7所示，两种运动合成的使得实际加工轨迹变得交叉杂乱，有利于良好表面粗糙度的生成。

实施例三

本实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以实施例一的光学元件的控时磨削加工方法的计算机程序。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。本实施例中，控时磨削加工装置2安装于如图3所示的数控机床1床身上，此机床仅作为说明该实施例而用，本发明并非限定控时磨削加工装置2只能置于此类数控机床1床身上。任何具备相应伺服直线运动轴和伺服旋转运动轴的数控机床床身均可搭载控时磨削加工装置2，从而进行不同口径光学元件的控时磨削加工，数控机床床身的运动行程决定了加工工件的最大尺寸。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。