CN102303224B - 一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法，属于光学零件加工领域，本发明为解决现有光学零件加工大多采用离线测量方式，加工效率低；现有的光学零件加工设备无法满足在线测量的要求的问题。本发明的工件主轴、刀具主轴和剪切干涉仪安装在加工机床的工作台面上，工件主轴上安装工件，刀具主轴通过摆臂及刀架安装刀具，数控系统驱动刀具主轴旋转，带动刀具对工件进行加工，剪切干涉仪发出的检测光束的光轴与工件主轴的中心线在同一直线上，剪切干涉仪发出检测光束至工件，剪切干涉仪采集检测光束返回的图像信息发送给测量信息处理系统，测量信息处理系统根据获取工件表面的面形误差信息，并发送给数控系统，数控系统对工件进行补偿加工。

Description

一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法，属于光学零件加工领域。

背景技术

各类球面、非球面光学零件是照相机、CCD、医疗仪器、测量仪器、空间探测器、天文望远镜等光学系统的常用零件，有着大量及广泛的应用需求，目前不但要求制造精度高，其需求量也非常巨大，因此要求高效率地加工制造。

随着现代光学加工技术的发展，国际上采用多种加工工艺都可以加工出高品质的光学镜零件。利用单点金刚石车削、数控研磨、计算机控制小磨头研抛、能动盘技术、聚束能流技术等，均可以加工十几mm到几百mm口径的光学零件。

德国Zeiss公司为了加工光刻机非球曲面投影镜头，早期曾利用传统的铣磨方法加工，但加工效率低，工期不确定因素很多，完工期限不易保证，常导致很高的加工费用。所以，Zeiss从上世纪90年代开始，采用了传统光学加工与超精密数控机床加工相结合的方法。目前Zeiss公司所生产的光刻机投影镜头的特点是口径大，非球度大，精度要求极高，生产数量较大，可以在短周期内确保按计划供货。加工过程中全部采用数控设备。毛坯通过普通精度专用数控磨床直接磨出非球面的大致形状，然后通过超精密数控非球面磨床精磨，以获得可以直接抛光的非球面面形，再进行抛光机械小磨头数控抛光、磁流变抛光和离子束抛光。但无论数控研磨和抛光加工，每一加工阶段均需要进行离线检测。

美国的Moore、英国的Taylor Hobson、荷兰的Philips、英国的Granfield等公司或大学均为高精度光学零件的生产研制了专用光学零件制造装备。1998年Moore公司研制的Nanotech 500FG五轴自由曲面铣、磨机床，最大加工直径为500mm，表面粗糙度最高能达到Ra0.005μm。英国Granfield大学精密工程研究所研制的OAGM2500六轴数控超精密磨床，可用于光学零件超精密车削、磨削，其加工面形精度可达2.5μm。日本东芝机械、丰田工机、不二越、Fanuc、Nagasei公司等生产了多品种商品化的超精密磨削加工机床，可用于各种尺寸平面、球面、非球面光学零件的超精密镜面加工。

国际光学零件制造的主要工艺环节之一是高精度测量技术。目前，对各类口径非球面的高精度检测有多种理论与方法研究，主要方法包括：扫描(坐标)测量方法、零补偿镜方法、光学与计算全息法、子孔径拼接方法、无像差点检验法、剪切干涉测量方法等。并且依据原理不同研制开发出了多类型的测量仪器，如美国ZYGO公司数字波面干涉仪、美国QED公司SSI自动拼接干涉仪、英国Taylor Hobson公司PGI测量仪器、德国LOH公司测量仪器等。

对光学零件表面进行坐标测量的方法是离线的扫描(坐标)测量方法，有些超精密机床带有独立计量框架上的测量系统，也可以进行坐标在位测量。主要问题是面型的测量精度低，其中运动精度和测量头精度决定其综合测量精度大于1～2μm。对光学零件表面直接有效的方法是干涉测量法，干涉测量的灵敏度高，加之附以补偿器、计算全息、移相、锁相、外差、条纹扫描等先进技术，是检测非球面的主要途径。其中最主要的高精度测量方法是零位补偿法，是利用零位补偿镜将非球面的波前转换成球面波，再与已知参考波前进行干涉。目前国外也已经有商用仪器如ZYGO公司等产品，面形精度达λ/20或更高(P-V值)；可以测量球面、非球面透镜的面形及平面光学元件的平行度等参数。零位补偿法的不足之一是需要设计和装配复杂的补偿镜，不仅制作精度要求很高，在装调过程中相对位置也要求非常精确，稍有偏差，就会对检测结果造成很大影响。特别是不能单独测量补偿器的补偿效果，这对提高非球面光学零件的加工精度和高效率制造存在较大技术障碍。计算全息法检测仍然属于干涉测量法，基本原理是将计算全息图(CGH)作为零位补偿器，用来检测非球面。它的优点是所用的球面辅助镜只需检测球心即可，缺点是仍然需要制作CGH。子口径拼接法是利用小口径干涉仪每次检测大口径光学元件的一部分区域，在完成全孔径测量后，使用适当的拼接算法重构出全孔径面形信息。一般的研究表明，子孔径拼接法技术得到的最终表面粗糙度指标精度差别不大，而面形精度在拼接后很难保证。剪切干涉技术随着数学方法研究的深入逐步被利用起来，剪切干涉技术不需要标准参考波面，且灵敏度可调，因此特别有利于测量与球面相差较大的非球面。剪切干涉测量技术实际是一种典型的相位恢复技术，主要原理是利用剪切元件或剪切位移使光束产生差值进行干涉测量，但剪切干涉图体现的不是被测波面的形状，而是波面形状差分，因此在判读和分析剪切干涉图时不如其他干涉法那样简单直观，需要复杂的数学处理。其不足是在重构算法和信息完整性方面还有缺陷，优点是可以设计成共光路的径向剪切干涉测量系统，使其具有防震动、抗干扰，适合在线测量等特点。这一方法的移相方式容易实现，可有效地克服干涉测量过程中振动和气流扰动的影响，实现光学零件的高精度干涉测量。

针对最近几年大量大口径光学非球面元件的制造问题，长春光机所曾于1991年开始研制集铣磨成形、精细磨、抛光及在线检测于一体的四轴联动非球面加工机床FSGJ-1，口径可达800mm，抛光精度为面形误差小于λ/20rms，检测仪器是一台自行研制的径向数字剪切干涉仪，专门用于精磨、粗抛阶段的定量在线检测，该测试设备未与加工设备进行数字化连接集成。2004年成都光电所在进行非球面细磨加工阶段，曾利用了带接触式测头的三坐标测量方法进行在线测量。原理是利用三坐标数控细磨加工机床具有的空间三维定位能力，在机床磨头座滑板上固定一个精密Heidenhain测长仪，构成三坐标测量装置，进行空间位置测量。测量精度与机床运动精度有关，测量系统误差小于5μm。这一方法虽然不必移动被测工件，但并未实现真正的反馈加工。

综上，目前光学零件超精密加工和检测技术存在的问题及一般解决方案：

光学零件特别是大型光学零件即要求很高的加工制造精度，其需求量又很大，需要高效批量生产，要实现大批量高精度非球面光学元件工业化生产必须解决两个问题：要有与工件口径相适应的高精度的加工和检测设备；必须提高加工效率，降低成本，即高效生产。高精度的加工和检测技术已经发展成熟，并且国际国内已经有较多成熟的加工设备及检测仪器，但一般加工设备上没有在线或在位的测量仪器，大多为离线测量，对高精度光学零件需反复装卸离线检测，这样将大大降低加工效率。虽然国际国内已经生产制造了大量的加工设备和检测仪器，但将检测仪器与加工设备集成起来、形成加工检测一体化系统还存在许多问题。

目前一般加工设备无论车削、磨削、抛光设备，由于整体结构关系，以及加工头相对被加工件的布局等问题，不会为在位检测系统留有测量空间，而光学干涉测量仪器必须放置在所加工的光学零件对称轴线位置上，并且具有抗干扰、抗振动等功能，因此需要改进加工设备的结构，且需要选择适合的测量方法。常用的离线检测方法如零位补偿法需要设计和装配复杂的补偿镜，子孔径拼接方法在拼接后影响面形精度，常用的在线在位检测方法如坐标测量方法精度较低。

发明内容

本发明目的是为了解决现有光学零件加工大多采用离线测量方式，加工效率低；现有的光学零件加工设备无法满足在线测量的要求的问题，提供了一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造方法。

本发明所述一种光学零件加工与检测一体化制造装置及制造装置，它包括工件主轴、刀具主轴、刀具、剪切干涉仪、测量信息处理系统和数控系统，其中工件主轴、刀具主轴和剪切干涉仪安装在加工机床的工作台面上，工件主轴上安装工件，刀具主轴通过摆臂及刀架安装刀具，数控系统驱动刀具主轴旋转，同时驱动刀具主轴摆动并带动刀具对工件进行加工，

剪切干涉仪发出的检测光束的光轴与工件主轴的中心线在同一直线上，剪切干涉仪发出检测光束至工件，剪切干涉仪采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统，测量信息处理系统根据所述图像信息获取工件表面的面形误差信息，并将所述面形误差信息发送给数控系统，数控系统根据所述面形误差信息对工件进行补偿加工。

上述一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、进行预加工；然后，刀具主轴带动摆臂及刀具旋转90°，让出检测光路；

步骤二、剪切干涉仪发出检测光束至工件，剪切干涉仪采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统，测量信息处理系统根据所述图像信息获取工件表面的面形误差信息；

步骤三、判断所述面形误差信息是否满足程序设定的精度要求，

判断结果为否，执行步骤四；判断结果为是，退出程序，完成工件的加工；

步骤四、测量信息处理系统将所述面形误差信息发送给数控系统，数控系统根据所述面形误差信息对工件进行补偿加工；然后返回执行步骤二。

本发明的优点：本发明采用球面与非球面加工轨迹生成及控制技术方案、结合在位干涉测量装置，高精度直接加工成型，并在加工过程中进行在位检测的方法，将加工误差分时传输给加工系统，减少了零件离线检测拆卸工件的中间环节。

本发明采用双主轴结构，一个主轴为高速运动的工件轴，一个主轴为低速摆动运动的刀具轴，通过测量仪器与加工机床的接口电缆将测量系统与加工设备连接，组成了光学零件加工与检测一体化的结构。

当将被加工件加工到一定面形后，低速摆动轴系转动90°，以便让出光路，剪切干涉仪工作，并对测得的面形误差信息进行信息处理和分析，通过接口将面形误差信息反馈给加工机床数控系统，加工机床数控编制补偿加工软件，并按误差分布进行再次加工，实现反馈补偿加工。

高精度加工补偿与在位测量，零件的加工精度高：在测量时被测件和干涉仪均不动，只是双主轴机床的气浮摆轴摆转出干涉测量光路，测量后气浮摆轴再进行补偿加工，由于气浮摆轴的回转精度达到0.05微米，基本不会影响加工补偿效果。剪切干涉测量系统的平台与加工机床的平台为同一操作平台，抗干扰能力强。

加工生产成本低：本发明采用球面与非球面加工轨迹生成及控制技术方案、结合在位干涉测量装置，高精度直接加工成型方法，减少了中间检测环节。

加工效率高：由于不必拆卸零件进行离线测量，节约光学零件特别是大型光学零件的拆卸、安装调整时间，增加了生产效率。

附图说明

图1为实施方式一所述一种光学零件加工与检测一体化制造装置的结构示意图；

图2是在位剪切干涉测量与加工反馈补偿系统原理图；

图3为实施方式三所述一种光学零件加工与检测一体化制造方法的工作简易流程图；

图4是实施方式三所述一种光学零件加工与检测一体化制造方法的详细流程图；

图5是实施方式四所述预加工过程的流程图；

图6是具体的工艺流程；

图7是凸球面面形误差曲线示意图；

图8是预加工非球曲面面形误差曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种光学零件加工与检测一体化制造装置，它包括工件主轴1、刀具主轴2、刀具3、剪切干涉仪4、测量信息处理系统5和数控系统6，其中工件主轴1、刀具主轴2和剪切干涉仪4安装在加工机床7的工作台面上，工件主轴1上安装工件8，刀具主轴2通过摆臂及刀架安装刀具3，数控系统6驱动刀具主轴2旋转，同时驱动刀具主轴2摆动并带动刀具3对工件8进行加工，

剪切干涉仪4的中心线与工件主轴1的中心线在同一直线上，剪切干涉仪4发出检测光束至工件8，剪切干涉仪4采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统5，测量信息处理系统5根据所述图像信息获取工件8表面的面形误差信息，并将所述面形误差信息发送给数控系统6，数控系统6根据所述面形误差信息对工件8进行补偿加工。

刀具3选用圆弧刃金刚石刀具，刀具3的刀尖圆弧半径为3mm～7mm，刀具刃口锋利度小于0.1μm。

本实施方式的技术要点分为三部分：

1、加工检测一体化：光学零件的主要加工方法为刀具轨迹加工及控制技术，加工机床7的结构采用双主轴结构，一个主轴为高速运动的工件主轴1，一个主轴为低速摆动运动的刀具主轴2，通过测量仪器(剪切干涉仪4和测量信息处理系统5)与加工机床7的接口电缆将测量系统与加工设备连接，组成了光学零件加工与检测一体化的结构。

2、反馈补偿：当将被加工的工件8加工到一定面形后，低速摆动轴系转动90°，以便让出光路，剪切干涉干涉仪4工作，并对测得的面形误差信息进行信息处理和分析，通过接口将面形误差信息反馈给加工机床7的数控系统6，数控系统6编制补偿加工软件，并按误差分布进行再次加工，实现反馈补偿加工。

3、机械结构组成：在加工机床7基座上安装干涉系统，剪切干涉仪4的平台与加工机床7的平台为同一操作平台，适应测量系统的抗干扰功能。并且通过调整部件进行测量系统光路中心线的调整，使测量系统的剪切干涉仪4的测量中心线与工件主轴1的中心线的一致，在同一直线上。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，刀具3的刀尖圆弧半径为5mm，其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图2、图3、图4和图6说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式一所述一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、进行预加工；然后，刀具主轴2带动摆臂及刀具3旋转90°，让出检测光路；

步骤二、剪切干涉仪4发出检测光束至工件8，剪切干涉仪4采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统5，测量信息处理系统5根据所述图像信息获取工件8表面的面形误差信息；

步骤三、判断所述面形误差信息是否满足程序设定的精度要求，

判断结果为否，执行步骤四；判断结果为是，退出程序，完成工件8的加工；

步骤四、测量信息处理系统5将所述面形误差信息发送给数控系统6，数控系统6根据所述面形误差信息对工件8进行补偿加工；然后返回执行步骤二。

在位剪切干涉测量与加工反馈补偿系统原理如图2所示。

实施方式所述制造方法涉及的补偿为工件残余面形误差的直接补偿，通过检测所加工工件的残余面形误差，分析工件表面不同位置的径向误差值，并在相应位置上补偿刀具的径向进给量，从而可以对工件残余面形误差进行直接的误差补偿。该方法直接针对工件检测结果进行补偿，不需要分析和检测机床误差，从而避免了上述方法中未知误差无法补偿的缺点。具体的工艺流程请参见图6所示。

具体实施方式四：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤一的预加工过程为：

步骤11、将工件8安装在工件主轴1上，并根据工件8的待加工形状制定加工程序给数控系统6；

步骤12、根据工件8的曲率半径计算刀具3摆轴水平摆角，对加工机床7进行加工前的预调整；

步骤13、粗加工，刀具3选用普通材质刀具进行粗加工；

步骤14、精加工，在工件8被加工出非球曲面的最接近比较球面之后，将刀具3改成圆弧刃金刚石刀具，并进行精确对刀；再对工件8进行精加工，完成对工件8的预加工。

步骤14中所述的精确对刀采用试切法进行，具体过程为：在一个口径5mm的圆台面上进行反复的加工实验，并在每次加工后检测工件中心残留材料的形状和尺寸，根据结果对加工机床7进行调整，直至满足对刀误差为小于0.02mm的精度要求。

具体实施方式五：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤三所述的程序设定的精度要求为：工件的Z向对刀误差小于0.1mm，两轴俯仰角度误差小于10″，摆轴中心摆动中心Z向定位误差小于0.02mm。

对于工件8的加工，如果要求加工面形精度PV值小于λ(λ根据实际要求设定)，根据误差模型，可分别计算出三个误差因素所允许的最大误差量为Z向对刀误差0.082mm，两轴俯仰角度误差4.84″，摆轴中心摆动中心Z向定位误差0.014mm，满足上述程序设定的精度要求。

Claims (4)

1.一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，该方法涉及的制造装置包括工件主轴（1）、刀具主轴（2）、刀具（3）、剪切干涉仪（4）、测量信息处理系统（5）和数控系统（6），其中工件主轴（1）、刀具主轴（2）和剪切干涉仪（4）安装在加工机床（7）的工作台面上，工件主轴（1）上安装工件（8），刀具主轴（2）通过摆臂及刀架安装刀具（3），数控系统（6）驱动刀具主轴（2）旋转，同时驱动刀具主轴（2）摆动并带动刀具（3）对工件（8）进行加工，

剪切干涉仪（4）发出的检测光束的光轴与工件主轴（1）的中心线在同一直线上，剪切干涉仪（4）发出检测光束至工件（8），剪切干涉仪（4）采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统（5），测量信息处理系统（5）根据所述图像信息获取工件（8）表面的面形误差信息，并将所述面形误差信息发送给数控系统（6），数控系统（6）根据所述面形误差信息对工件（8）进行补偿加工；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、进行预加工；然后，刀具主轴（2）带动摆臂及刀具（3）旋转90°，让出检测光路；

步骤二、剪切干涉仪（4）发出检测光束至工件（8），剪切干涉仪（4）采集检测光束返回的图像信息，并发送给测量信息处理系统（5），测量信息处理系统（5）根据所述图像信息获取工件（8）表面的面形误差信息；

步骤三、判断所述面形误差信息是否满足程序设定的精度要求，

判断结果为否，执行步骤四；判断结果为是，退出程序，完成工件（8）的加工；

步骤四、测量信息处理系统（5）将所述面形误差信息发送给数控系统（6），数控系统（6）根据所述面形误差信息对工件（8）进行补偿加工；然后返回执行步骤二。

2.根据权利要求1所述的一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，其特征在于，步骤一的预加工过程为：

步骤1、将工件（8）安装在工件主轴（1）上，并根据工件（8）的待加工形状制定加工程序给数控系统（6）；

步骤2、根据工件（8）的曲率半径计算刀具（3）摆轴水平摆角，对加工机床（7）进行加工前的预调整；

步骤3、粗加工，刀具（3）选用普通材质刀具进行粗加工；

步骤4、精加工，在工件（8）被加工出非球曲面的最接近比较球面之后，将刀具（3）改成圆弧刃金刚石刀具，并进行精确对刀；再对工件（8）进行精加工，完成对工件（8）的预加工。

3.根据权利要求2所述的一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，其特征在于，步骤4中所述的精确对刀采用试切法进行，具体过程为：在一个口径5mm的圆台面上进行反复的加工实验，并在每次加工后检测工件中心残留材料的形状和尺寸，根据结果对加工机床（7）进行调整，直至满足对刀误差为小于0.02mm的精度要求。

4.根据权利要求1所述的一种光学零件加工与检测一体化制造装置的制造方法，其特征在于，步骤三所述的程序设定的精度要求为：当要求加工面形精度PV值小于λ时，工件的Z向对刀误差小于0.082mm，两轴俯仰角度误差小于4.84″，摆轴中心摆动中心Z向定位误差小于0.014mm。

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