CN102019572B - 采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用特殊加工路径的计算机控制抛光工艺，具体公开了一种采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺，包括以下步骤：先确定去除函数，然后以待加工光学镜面的中心作为极坐标原点，靠近原点的中心区域和外围的其他区域分别规划为等面积增长螺旋线形和阿基米德螺旋线形的组合式抛光路径；再根据组合式抛光路径建立组合螺旋线方程；然后获取镜面的面形误差分布数据；根据去除函数和面形误差分布数据得到驻留时间密度分布矩阵T₁；再根据T₁确定抛光路径上各点的驻留时间t_i，根据各点驻留时间t_i沿组合式抛光路径对镜面进行抛光即可。本发明的工艺可有效降低待抛光工件中心加工转速和外缘加工转速要求，且能有效提高加工精度和加工效率。

Description

采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺

技术领域

本发明属于光学加工领域，尤其涉及一种采用特殊加工路径的计算机控制抛光工艺。 

背景技术

现代光学加工技术的一个突破性进展，是计算机控制抛光工艺的应用。近来发展的磁流变抛光、液体射流抛光、气囊进动抛光、大气等离子体抛光和离子束抛光等技术，都属于计算机控制抛光工艺。抛光路径对于计算机控制抛光工艺具有重要意义。抛光路径合理，可以缩短运动行程，减少加工时间，降低动态要求，提高加工可控性及加工精度。 

目前的计算机控制抛光工艺中，有两种基本的加工路径：光栅路径和螺旋线路径。光栅路径由于光学元件不做回转运动，仅做x轴和y轴方向的运动，工艺控制简单，被广泛采用，但是光栅路径对x轴和y轴的运动距离要求大，而且光栅路径中机床要反复换向，运动不平稳，还增加了加工时间。螺旋线路径由于工件做回转运动，其大大降低了对x轴和y轴的行程要求，并且加工中机床运动不需要换向，运动平稳，也能缩短加工时间，适于加工回转对称型光学元件。因此，螺旋线路径越来越多地被关注和应用。但是，阿基米德螺旋线路径在中心区域对转速要求过高。在实际加工中，需要对过高的转速做截断处理，因此会导致工件中心区域过加工，降低了加工精度。 

为了克服阿基米德螺旋线路径的这一缺点，CN200810030958.X号中国专利提出了一种新的螺旋线路径——等面积增长螺旋线路径，该加工路径在加工镜面外缘和镜面中心时工件转速趋于恒定。然而，等面积增长螺旋线在加工大镜时，加工边缘的转速较阿基米德螺旋线路径大，转速过高，可控性减低。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可有效降低待抛光工件中心加工转速和外缘加工转速要求、且能有效提高加工精度、加工效率和加工适用范围的采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺。 

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺，包括以下步骤： 

(1)确定去除函数：应用抛光工艺过程进行去除函数试验获取去除函数(如果预先已经完成去除函数实验，也可直接使用已经获取并保留下来的去除函数)； 

(2)抛光路径规划：以待加工光学镜面的中心作为极坐标原点进行抛光路径规划，其中靠近极坐标原点的中心区域规划为等面积增长螺旋线形的抛光路径，中心区域以外至待加工 光学镜面边缘的区域规划为阿基米德螺旋线形的抛光路径；两种抛光路径衔接后形成组合螺旋式抛光路径； 

(3)建立抛光路径方程：根据步骤(2)中规划的组合螺旋式抛光路径建立以下组合螺旋线方程 

$r=\left\{\begin{array}{cc}b{\mathrm{\θ}}^{1/2},& \mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_1\\ a(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2),& \mathrm{\θ}>{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，r表示极轴长度，θ为旋转角度，b为等面积增长螺旋线参数，α为阿基米德螺旋线参数，θ₁＝[b/(2α)]²，θ₂＝b²/(2α²)；式(1)中引入参数θ₁和θ₂是为了使阿基米德螺旋线的起点和等面积增长螺旋线的终点正好接上； 

设抛光路径上第i点P_i的坐标表示为(θ_i，r_i)，其中θ_i＝iφ，φ为抛光路径上抛光点的角度增量，1≤i≤n，n为满足加工面积需要的加工点总数，则组合螺旋线方程的离散形式为： 

$r_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{b\θ}}_i^{1/2},& {\mathrm{\θ}}_i\≤{\mathrm{\θ}}_1\\ a({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)& {\mathrm{\θ}}_i>{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

(4)检测面形误差分布：利用面形检测装置对待加工光学镜面进行误差检测，获取待加工光学镜面的面形误差分布数据； 

(5)确定驻留时间密度分布：根据获取的去除函数和待加工光学镜面的面形误差分布数据，计算抛光过程中的驻留时间密度分布(可以采用现有如直线式光栅路径规划方法中的计算方法)，得到驻留时间密度分布矩阵T₁，驻留时间密度的单位为min/mm²； 

(6)确定抛光路径上各点的驻留时间：抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i的计算公式为t_i＝C_iτ_i，其中，τ_i为抛光路径上点P_i处的驻留时间密度分布值，由驻留时间密度分布矩阵T₁确定(τ_i的数值可根据点P_i的直角坐标在驻留时间密度分布矩阵T₁中插值得到)；C_i为抛光路径上点P_i所覆盖的面积，C_i的计算公式为 

$C_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2i-1}{4}{b}^2\mathrm{\&phi;},& {\mathrm{\&theta;}}_i\&le;2\mathrm{\&pi;}\\ \mathrm{\&pi;}{b}^2\mathrm{\&phi;},& 2\mathrm{\&pi;}<{\mathrm{\&theta;}}_i\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1\\ 2\mathrm{\&pi;}{a}^2\mathrm{\&phi;}({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2-\mathrm{\&pi;}),& {\mathrm{\&theta;}}_i>{\mathrm{\&theta;}}_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，θ_i为抛光路径上点P_i处的旋转角度； 

(7)抛光加工：根据步骤(6)确定的抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i沿所述的组合螺 旋式抛光路径对待抛光光学镜面进行抛光，完成抛光加工过程。 

上述技术方案中应用了一种全新的组合螺旋式抛光路径，其能够克服阿基米德螺旋线路径和等面积增长螺旋线路径的各自缺陷，在靠近镜面中心的中心区域是等面积增长螺旋线形的抛光路径，中心区域以外至待加工光学镜面边缘的区域则为阿基米德螺旋线形的抛光路径，这种组合式路径结合了两种螺旋线形的优势，大大提高了光学镜面抛光加工的精度和加工效率。 

作为对上述技术方案的进一步改进，上述的采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺中，根据抛光路径上各点Pi的坐标和计算所得的各点驻留时间t_i的数值生成数控代码，再以数控方式依该抛光路径完成步骤(7)所述的抛光加工。 

为了使上述抛光路径中的进给步距比较合理，我们可根据所述去除函数斑点的大小和待加工工件的口径大小选取合理的阿基米德螺旋线参数α、等面积增长螺旋线参数b和角度增量φ，阿基米德螺旋线参数α建议满足 

等面积增长螺旋线参数b的取值建议满足 

其中d为去除函数的斑点的直径(单位：mm)；角度增量φ的取值建议满足 其中R为待加工光学镜面光学口径。 

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用本发明的技术方案抛光待加工工件的中心部分时，采用的路径是等面积增长螺旋线路径，这使得工件转速趋于恒定，并弱化了抛光加工中对最大转速的要求，同时降低了对机床动态性能的要求；抛光工件外缘时，采用的路径是阿基米德螺旋线路径，这样便可降低工件边缘处加工时的转速，提高加工的可控性。由于本发明提供了一种光学镜面抛光工艺中有别于传统工艺的组合螺旋式抛光路径，这对高精度、大口径的光学镜面抛光具有重要的应用价值。 

附图说明

图1为本发明实施例中抛光工艺过程的去除函数分布图。 

图2为本发明实施例中各加工点组成的抛光路径图。 

图3为本发明实施例中测得的待抛光光学镜面的面形误差分布图。 

图4为本发明实施例中计算得到的驻留时间密度分布图。 

图5为本发明实施例中确定的抛光路径上各加工点的驻留时间分布图。 

图6为本发明实施例中的光学镜面经过实际抛光后测得的面形误差分布图。 

具体实施方式

实施例 

本实施例的计算机控制抛光工艺在一台离子束抛光设备(型号KDIFS-500)上进行，工艺参数设置为：工作气体为氩气，工作真空0.8×10^-2Pa，离子能量900eV，束电流30mA。待抛光的试验工件为口径100mm的普通微晶玻璃。 

通过下述方法步骤对上述的普通微晶玻璃进行计算机控制的离子束抛光： 

1、确定去除函数：应用上述抛光工艺过程进行去除函数试验，获取的去除函数如图1所示，该去除函数的直径d＝37mm，体积去除速率v＝52μm·mm²·min^-1； 

2、抛光路径规划：以上述待加工光学镜面的中心作为极坐标原点进行抛光路径规划，其中靠近极坐标原点的中心区域规划为等面积增长螺旋线形的抛光路径，中心区域以外至待加工光学镜面边缘的区域规划为阿基米德螺旋线形的抛光路径；两种抛光路径衔接后形成组合螺旋式抛光路径； 

3、建立抛光路径方程：根据步骤(2)中规划的组合螺旋式抛光路径建立如式(1)所示的组合螺旋线方程；由于本实施例工艺的去除函数直径d＝37mm，微晶玻璃的镜面边缘口径R＝100mm，我们选取阿基米德螺旋线参数 

抛光路径上各点的角度增量 则组合螺旋线方程可以确定为 

$r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{5}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\mathrm{\&theta;}}^{1/2},& \mathrm{\&theta;}\&le;\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\\ \frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}(\mathrm{\&theta;}+\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}),& \mathrm{\&theta;}>\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

设抛光路径上第i点P_i的坐标表示为(θ_i，r_i)，其中θ_i为抛光路径上点P_i处的旋转角度，θ_i＝iφ，1≤i≤n，n＝3712(n为满足加工面积需要的加工点总数)，则组合螺旋线方程的离散形式可以表示为： 

$r_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{5}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\mathrm{\&theta;}}_i^{1/2},& {\mathrm{\&theta;}}_i\&le;\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\\ \frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}({\mathrm{\&theta;}}_i+\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}),& {\mathrm{\&theta;}}_i>\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(5\right)$

本实施例抛光路径上各点P_i(θ_i，r_i)依次组成的抛光路径图如图2所示； 

4、检测面形误差分布：利用激光干涉仪对待加工光学镜面进行误差检测，其面形误差分布数据如图3所示，面形误差的PV值是142nm，RMS值是22.6nm； 

5、确定驻留时间密度分布：根据获取的去除函数(如图1)和待加工光学镜面的面形误差分布数据(如图3)，计算抛光过程中的驻留时间密度分布(采用现有直线式光栅路径规划 方法中的计算方法)，得到如图4所示的驻留时间密度分布矩阵T₁，驻留时间密度的单位为min/mm²； 

6、确定抛光路径上各点的驻留时间：抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i的计算公式为t_i＝C_iτ_i，其中，τ_i为抛光路径上点P_i处的驻留时间密度分布值，由驻留时间密度分布矩阵T₁确定(τ_i的数值根据点P_i的直角坐标在驻留时间密度分布矩阵T₁中插值得到)；C_i为抛光路径上点P_i所覆盖的面积，C_i的计算公式为 

$C_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{5}{72}(2i-1),& {\mathrm{\&theta;}}_i\&le;2\mathrm{\&pi;}\\ \frac{5}{18}\mathrm{\&pi;},& 2\mathrm{\&pi;}<{\mathrm{\&theta;}}_i\&le;\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\\ \frac{1}{90}({\mathrm{\&theta;}}_i+\frac{23}{2}\mathrm{\&pi;}),& {\mathrm{\&theta;}}_i>\frac{25}{2}\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.---\left(6\right)$

本步骤确定的抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i计算结果如图5所示； 

7、抛光加工：根据步骤(6)确定的抛光路径上各点P_i的坐标(如图2)及各点对应的驻留时间t_i的数值(如图5)，采用现有的技术方法生成数控代码，再以数控方式沿上述的组合螺旋式抛光路径对待抛光光学镜面进行抛光，完成抛光加工过程。 

实际抛光之后的光学镜面面形误差经激光干涉仪检测的结果如图6所示，由图6可以看出，实际加工的精度很高。加工后面形误差的PV值下降到57nm，RMS下降到4.5nm。这表明本发明的抛光工艺具有很好的技术效果。 

Claims (2)

1.一种采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺，包括以下步骤：

(1)确定去除函数：应用抛光工艺过程进行去除函数试验获取去除函数；

(2)抛光路径规划：以待加工光学镜面的中心作为极坐标原点进行抛光路径规划，其中靠近极坐标原点的中心区域规划为等面积增长螺旋线形的抛光路径，中心区域以外至待加工光学镜面边缘的区域规划为阿基米德螺旋线形的抛光路径；两种抛光路径衔接后形成组合螺旋式抛光路径；

(3)建立抛光路径方程：根据步骤(2)中规划的组合螺旋式抛光路径建立以下组合螺旋线方程

式(1)中，r表示极轴长度，θ为旋转角度，b为等面积增长螺旋线参数，α为阿基米德螺旋线参数，θ₁＝[b/(2α)]²，θ₂＝b²/(2α²)；所述阿基米德螺旋线参数α的取值满足 

所述等面积增长螺旋线参数b的取值满足 

其中d为所述去除函数的斑点的直径；

设抛光路径上第i点P_i的坐标表示为(θ_i，r_i)，其中θ_i＝iφ，φ为抛光路径上抛光点的角度增量，所述角度增量φ的取值满足 

其中R为待加工光学镜面光学口径，1≤i≤n，n为满足加工面积需要的加工点总数，则组合螺旋线方程的离散形式为：

(4)检测面形误差分布：利用面形检测装置对待加工光学镜面进行误差检测，获取待加工光学镜面的面形误差分布数据；

(5)确定驻留时间密度分布：根据获取的去除函数和待加工光学镜面的面形误差分布数据，计算抛光过程中的驻留时间密度分布，得到驻留时间密度分布矩阵T₁；

(6)确定抛光路径上各点的驻留时间：抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i的计算公式为t_i＝C_iτ_i，其中，τ_i为抛光路径上点P_i处的驻留时间密度分布值，由驻留时间密度分布矩阵T₁确定；C_i为抛光路径上点P_i所覆盖的面积，C_i的计算公式为 

式(3)中，θ_i为抛光路径上点P_i处的旋转角度；

(7)抛光加工：根据步骤(6)确定的抛光路径上各点P_i的驻留时间t_i沿所述的组合螺旋式抛光路径对待抛光光学镜面进行抛光，完成抛光加工过程。

2.根据权利要求1所述的采用组合螺旋式抛光路径的抛光工艺，其特征在于：根据抛光路径上各点P_i的坐标和计算所得的各点驻留时间t_i的数值生成数控代码，再以数控方式依该抛光路径完成步骤(7)所述的抛光加工。 

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