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制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密机械

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是本专利技术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。本专利技术的详细工艺是(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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺，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，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，获得要求的面形。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：聂凤明，许乔，崔文波，吴庆堂，王健，王大森，闫晓丽，张广平，胡宝共，李焕东，郭波，张维杰，修冬，田晓欢，刘劲松，
申请(专利权)人：长春设备工艺研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]