CN102490104A - 非球面反射镜自动加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非球面反射镜自动加工装置，该装置的磨头由连接盘和磨盘构成，磨盘粘接在连接盘的下端面，磨盘带有沟槽；计算机根据磨头在工件表面的驻留时间控制磨料泵起装置的开启；磨料泵起装置的进料口通过连接管连接到散粒磨料泥浆搅拌装置的磨料储存容器，磨料泵起装置的出料口通过连接管、连接盘上端面的水管接口、连接盘的连通孔与沟槽相通；连接盘上端面的球头连接装置与气缸的活塞杆连接。本发明在加工大口径非球面的过程中可以根据磨头工作需要，由计算机程序控制自动加料开关开启，为磨头提供充足的新鲜磨料，使磨头的工作函数更加稳定，从而使虚拟计算的加工结果更加接近实际加工结果，从而提高非球面反射镜加工的效率。

Description

非球面反射镜自动加工装置

技术领域

本发明涉及一种用于加工大口径非球面反射镜的装置。

背景技术

在光学系统中使用非球面元件，能矫正像差，改善像质，而且可以减小光学系统的尺寸和重量，因此非球面光学元件正越来越多的被用于各个领域。小磨头数控加工是现在广泛使用加工大口径非球面的方法。

小磨头加工非球面的原理是基于计算机控制光学表面成形技术(CCOS)，它是指根据定量的面形检测数据(轮廓测量或干涉测量)，在加工控制模型的基础上，用计算机控制一个小磨头(直径通常小于工件直径的1/4)对光学零件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及磨头与工件间相对压力来控制材料的去除量。

小磨头加工非球面磨盘的工作函数

根据preston假设，可以推导出在平转动下磨头的工作函数为：

$R\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}2\mathrm{eKPar}\cos \left(\frac{R^2+e^2-r^2}{2\mathrm{Re}}\right)& r-e<R\&le;r+e\\ 2\mathrm{\&pi;eKP}& 0\&le;R\&le;r-e\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据公式得到平转动方式下的磨头的工作函数二维三维图，它包括两个部分，中间的平顶凸台与两侧的下降部分。我们可以用几个参数来描述去除函数，包括去除函数的峰值去除率H_max、体积去除率∫∫R(x，y)dxdy以及环半峰全宽(CFWHM)。这几个指标共同来衡量去除函数形状和大小。环半峰全宽(CFWHM)曲线定义为去除函数在过其峰值点任意纵截面P(θ)内的截线与半峰横截面交点A、B间的距离与截面角度θ的关系曲线。CFWHM曲线能够综合评价去除函数的大小和对称性等特征，若去除函数回转对称，曲线退化为直线。

从原理以及工艺实现的角度分析，需要考察工艺工程中去除函数的如下性质：

1)去除函数在整个加工过程中三指标必须保持一致，亦即能够保持长时的稳定性；

2)材料去除量与时间成正比，且保持形状不变；

3)去除函数相对于工艺参数的小扰动要具有一定的鲁棒性；

4)能够根据工艺的要求，通过调节工艺参数，在大范围内改变去除函数的大小和去除率，以优化工艺过程。

在快速小磨头加工中，磨头转速达到300r/min，并且在驻留时间较长的情况下，散粒磨料可能被磨碎或在快速的磨头转动作用下远离工作区域，造成磨头工作函数不稳定；随着单个驻留点驻留时间的变长，工作函数会发生变化，造成加工过程中去除函数不稳定，从而影响虚拟加工的计算精度，影响小磨头的加工效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用在散粒磨料小磨头加工非球面反射镜的过程中，使磨头的工作函数稳定、去除效率提高的非球面反射镜自动加工装置。

为了解决上述技术问题，本发明的非球面反射镜自动加工装置包括计算机、散粒磨料泥浆搅拌装置、磨料泵起装置和磨头；所述磨头由连接盘和磨盘构成，磨盘粘接在连接盘的下端面，磨盘带有沟槽；计算机根据磨头在工件表面的驻留时间控制磨料泵起装置的开启；磨料泵起装置的进料口通过连接管连接到散粒磨料泥浆搅拌装置的磨料储存容器，磨料泵起装置的出料口通过连接管、连接盘上端面的水管接口、连接盘的连通孔与沟槽相通；连接盘上端面的球头连接装置与气缸的活塞杆连接。

所述连接盘内部加工有空腔，连接盘上加工多个连通孔，水管接口与空腔相通，空腔通过连通孔与沟槽相通。这样，空腔内可储存部分磨料泥浆，由多个连通孔同时均匀供给磨料。

所述沟槽呈网格形。

所述磨头的连接盘上加工有九个Φ4mm的连通孔，非球面反射镜材料为碳化硅，磨盘直径为Φ80mm，材料为RB-SiC；磨料中包含11％的金刚石微粉、2％的乳化剂，其余为水，金刚石微粉粒径为4～8μm；计算机控制磨头每分钟转200转，控制磨料泵起装置每分钟加一次磨料。

计算机根据大口径非球面反射镜检测结果的误差分布和我们设定的加工参数，进行求解计算得到非球面反射镜加工的驻留时间分布和卷积计算得到的虚拟加工结果。完成这些准备工作以后，开始对非球面反射镜进行加工。首先在磨料储存容器内按比例加入磨料、水和悬浮剂。开启搅拌电机十分钟左右。然后开启磨料泵起装置，降下磨头准备对大口径非球面反射镜进行加工。加工过程中，磨料泵起装置的自动加料开关受计算机程序控制，当单点驻留时间超过给定的阈值后，磨料泵起装置被开启，磨料储存容器内的新鲜磨料泥浆经磨料泵起装置、连接管、连接盘上端面的水管接口、连接盘内部的空腔、连通孔及网格形沟槽进入到碳化硅磨盘与工件之间的工作区域，保证磨头工作函数的相对稳定。

在使用散料磨料加工大口径非球面反射镜的过程中，为了获得与计算结果比较接近的加工结果，要求磨头的去除函数必须保持相对稳定，然而在实际的加工过程中，当磨头在某点的驻留时间超过一定限度，磨料有可能会磨碎、磨圆，对材料的加工去除能力与新鲜磨料相比会大大降低。这样要求在加工过程中，磨盘与工件之间必须保证新鲜的磨料供应，而传统手动加料的方法磨料不能及时补充到磨盘与工件之间，同时存在很大主观随即性的问题。本发明在加工大口径非球面的过程中可以根据磨头工作需要，当单点驻留时间超过给定的阈值后，由计算机程序控制自动加料开关开启，为磨头提供充足的新鲜磨料，使磨头的工作函数更加稳定，从而使虚拟计算的加工结果更加接近实际加工结果，可以提高每次加工的收敛效率，从而提高非球面反射镜加工的效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明非球面反射镜自动加工装置的结构示意图。

图2是磨头的放大图。

图3是磨头的剖视图。

图4是磨头的立体图。

图5是使用本发明自动加料装置加工大口径非球面反射镜的流程图。

图6是手动一次添加磨料和使用本发明每分钟加一次磨料时磨头转数与工作函数的峰值去除率H_max的关系曲线。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，计算机7、散粒磨料泥浆搅拌装置8、磨料泵起装置3和磨头4；所述磨头4由连接盘41和磨盘46构成；计算机7根据磨头4在工件表面的驻留时间控制磨料泵起装置3的开启；磨料泵起装置3的进料口通过连接管5连接到散粒磨料泥浆搅拌装置8的磨料储存容器1，磨料泵起装置3的出料口通过连接管6、连接盘41上端面的水管接口44与连接盘41内部的空腔42相通；连接盘41上端面的球头连接装置43与气缸活塞杆11连接；磨盘46粘接在连接盘41的下端面；磨盘46带有网格形沟槽47，网格形沟槽47通过连接盘41下部的多个连通孔45与空腔42相通。

所述磨盘46采用碳化硅材料。

加工大口径非球面的流程如图5所示，计算机7根据大口径非球面反射镜检测结果的误差分布和我们设定的加工参数，进行求解计算得到非球面反射镜加工的驻留时间分布和卷积计算的到的虚拟加工结果。完成这些准备工作以后，开始对非球面反射镜进行加工。首先在磨料储存容器1内按比例加入磨料、水和悬浮剂。开启搅拌电机2十分钟左右。然后开启磨料泵起装置3，降下磨头4准备对大口径非球面反射镜进行加工。加工过程中，磨料泵起装置3的自动加料开关会根据计算机的加工程序自动开启，将新鲜磨料注入到需要位置。

使用散粒磨料对光学元件进行研磨、抛光的物理过程比较复杂，这个过程的描述比较成功的数学模型是Preston假设；

ΔZ(x，y)＝kP(x，y)V(x，y)                            (1)

ΔZ(x，y)为磨头与工件接触区域中某点(x，y)单位时间的材料去除量；

P(x，y)为磨头与工件之间的相对压力；

V(x，y)为磨头与工件间的相对速度；

k为与加工过程有关的比例常数(温度、磨料浓度、磨头与工件的材料等)。

在这个假设的条件下，可以认为磨头与工件间的相互作用区域在确定加工的环境下，对工件材料的去除量与工作压力、相对速度的关系是线性关系。由此，可以推导出磨头的工作函数(去除函数)：

$R(x,y)=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{\&Delta;Z}(x,y)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{kP}(x,y)V(x,y)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中T为加工周期。设D(x，y)为加工参数的选取函数，R(x，y)为磨头工作函数，它可以通过理论计算获得，并通过工艺试验在加工过程中修正其非线性误差。可供选择的参数主要包括磨头的压力、转速、驻留时间等。在这些参数中，驻留时间的控制比较容易实现。这样根据D(x，y)取得参数，计算R(x，y)在工件表面的累加结果，可以得到整个光学表面的去除量分布函数F(x，y)：

$F(x,y)=\underset{\mathrm{path}}{\&Integral;\&Integral;}R(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;}).D(x-\mathrm{\&xi;})(y-\mathrm{\&eta;})\mathrm{d\&xi;d\&eta;}---\left(3\right)$

在实际加工中往往是已知误差分布函数E(x，y)，优化加工结果是F(x，y)＝-E(x，y)+c，其中c为常数。这样变为已知F(x，y)、R(x，y)和加工轨迹的情况下求解D(x，y)的过程。显然，D(x，y)的求解过程是一个反卷积的过程。

图3、4为磨头剖面视图与三维图，包括碳化硅磨盘46和铝连接盘41。其中碳化硅磨盘与铝连接盘使用环氧树脂胶粘接在一起，铝连接盘41上端面连接有水管接头44，下端面有九个Φ4mm的连通孔。空腔42能容纳部分磨料泥浆，在加工过程不断补充到磨盘与工件之间，使磨头对工件的去除函数相对稳定。

自动加料开关受加工程序控制，当单点驻留时间超过我们给定的阈值后，磨料泵起装置被开启一定时间，磨头空腔42内的新鲜磨料泥浆在压力作用下进入到磨头与工件之间，进入到工作区域保证磨头工作函数的相对稳定。

采用本发明加工试验件为一碳化硅平面反射镜，磨盘46材料为RB-SiC，直径Φ80mm，与磨头连接的气缸压力为0.3MPa。磨头采用平转动的工作方式，每分钟200转。磨料为11％的金刚石微粉、2％的乳化剂与水配成悬浮泥浆，金刚石微粉粒径为4～8μm，在选定的点驻留1～7分钟。磨料泵起装置每分钟加一次磨料。如图6所示，为手动一次添加磨料和自动每分钟加一次磨料的工作函数的峰值去除率H_max随转数变化关系。

从图6可以看出，手动添加磨料的实验中峰值去除率随着驻留时间增加而减小，这样会导致在加工过程中实际去除与理论计算不一致，从而影响加工效率；采用了本发明后，实验中峰值去除率保持相对稳定，加工过程实际去除与理论计算基本一致，有助于提高加工效率。

Claims (4)

1.一种非球面反射镜自动加工装置，包括计算机(7)、磨头(4)；其特征在于还包括散粒磨料泥浆搅拌装置(8)、磨料泵起装置(3)；所述磨头(4)由连接盘(41)和磨盘(46)构成，磨盘(46)粘接在连接盘(41)的下端面，磨盘(46)带有沟槽(47)；计算机(7)根据磨头(4)在工件表面的驻留时间控制磨料泵起装置(3)的开启；磨料泵起装置(3)的进料口通过连接管连接到散粒磨料泥浆搅拌装置(8)的磨料储存容器(1)，磨料泵起装置(3)的出料口通过连接管、连接盘(41)上端面的水管接口(44)、连接盘(41)的连通孔(45)与沟槽(47)相通；连接盘(41)上端面的球头连接装置(43)与气缸的活塞杆(11)连接。

2.根据权利要求1所述的非球面反射镜自动加工装置，其特征在于所述连接盘(41)内部加工有空腔(42)，连接盘(41)上加工多个连通孔(45)，水管接口(44)与空腔(42)相通，空腔(42)通过连通孔(45)与沟槽(47)相通。

3.根据权利要求2所述的非球面反射镜自动加工装置，其特征在于所述沟槽(47)呈网格形。

4.根据权利要求3所述的非球面反射镜自动加工装置，其特征在于所述连接盘(41)上加工九个Φ4mm的连通孔(45)，非球面反射镜材料为碳化硅，磨盘(46)直径为Φ80mm，材料为RB-SiC；磨料中包含11％的金刚石微粉、2％的乳化剂，其余为水，金刚石微粉粒径为4～8μm；计算机(7)控制磨头每分钟转200转，控制磨料泵起装置(3)每分钟加一次磨料。

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