CN103056731A

CN103056731A - 大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法

Info

Publication number: CN103056731A
Application number: CN2012105628450A
Authority: CN
Inventors: 张志宇; 郑立功
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-24

Abstract

大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，涉及空间光学系统的制造技术领域，解决现有将光学元件摆放在离轴位置进行加工时存在机床空走刀时间长，导致加工效率很低，并且此方法要求机床必须具有长行程和大直径的转台，从而导致机床造价昂贵的问题，建立离轴非球面反射镜的CAD模型并生成优化加工轨迹；生成五轴联动数控加工程序的后处理软件，并将被加工的离轴非球面反射镜放置在所述的机床转台上；调整被加工的离轴非球面反射镜并固定在机床转台上；采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式驱动机床，按照加工轨迹对被加工的离轴非球面反射镜进行加工；获得大口径离轴非球面反射镜。本发明方法加工效率高。

Description

大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法

技术领域

本发明涉及空间光学系统的制造技术领域，具体涉及空间光学系统中的大口径离轴非球面反射镜的精密铣磨加工方法。

背景技术

离轴非球面反射镜是空间光学系统不可或缺的核心光学元件。由三片离轴非球面反射镜构建的离轴三反消像散系统（TMA, Three-Mirror-Anastigmat），具有可消除像散、无中心遮拦、长焦距、大视场、宽波段、可有效抑制杂光、成像清晰等特点。因而，使用离轴三反系统已经成为当今空间光学系统的主流设计思想。为了保证可见光波段的成像质量，空间光学系统所需的离轴非球面元件不仅要求具有3 nm以下的表面粗糙度，更是对其形状精度提出了极高的要求，一般要保证在1/50λ RMS (λ=632.8 nm)以下。

离轴非球面是按照给定几何形状及尺寸从回转对称的非球面母镜上截取下的一部分。因此离轴非球面本身不再具有旋转对称特性，是一种典型的自由曲面光学元件。由于离轴非球面不仅形状复杂而且形状精度要求极高，因而加工异常困难。加工大口径的离轴非球面则更是一项长期任务。

现有加工离轴非球面反射镜要经历四个主要的工艺过程：毛坯制备、铣磨加工、精密研磨、精密抛光。在铣磨加工阶段，通常是首先计算出离轴非球面的最接近球面半径，然后按照最接近球面进行加工。铣磨完成后，需要依靠长期的精密研磨工艺不断修正最接近球面与理论离轴非球面的误差量。这种方法虽然可行，但当镜面的非球面度较大时，最接近球面与设计镜面的偏差量很大，一般在数百个微米、甚至到毫米量级。因此必须通过很长的研磨周期（几个月甚至半年）才能修正如此大的面形偏差量。本发明提出了不再沿用原有的按最接近球面进行铣磨成型的方法，而是按设计非球面直接铣磨成型，尽可能缩短后续精密研磨加工周期。

现有方法提出将光学元件摆放在离轴位置，使离轴非球面的加工变为轴对称的非球面加工问题，这种方法仅适用小离轴量、小口径光学元件的加工，对大离轴量(300 mm以上)及大口径（1米量级）的光学元件，如果再采用上述办法，不仅因为机床空走刀时间巨大导致加工效率很低，而且要求机床必须具有长行程和大直径转台，这样的机床造价昂贵，实际加工中很难实现。

发明内容

本发明为解决现有将光学元件摆放在离轴位置进行加工时存在机床空走刀时间长，导致加工效率很低，并且此方法要求机床必须具有长行程和大直径的转台，从而导致机床造价昂贵的问题，提供一种大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法。

大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立离轴非球面反射镜的CAD模型；

步骤二、对步骤一建立的CAD模型生成优化加工轨迹；

步骤三、生成五轴联动数控加工程序的后处理软件，并将被加工的离轴非球面反射镜放置在所述的机床转台上；

步骤四、调整步骤三所述的被加工的离轴非球面反射镜的几何中心与机床转台的回转中心重合，然后将被加工的离轴非球面反射镜固定在机床转台上；

步骤五、采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式驱动机床，按照步骤二所述的加工轨迹对被加工的离轴非球面反射镜进行加工；获得大口径离轴非球面反射镜。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的铣磨加工方法，将工件定位于转台中心，并按照设计的离轴非球面镜面形状直接铣磨成型。采用该方法可加工的最大工件尺寸，不再受工件离轴量大小的影响，可最大程度发挥机床的加工能力；同时由于不再具有空走刀时间，总的加工时间大幅度减小，可实现高效率加工。

二、本发明所述方法采用五轴联动斜轴定角度加工方式；加工过程中砂轮轴的倾斜角度随着被加工光学元件表面曲率变化而变化，这样可以使砂轮上的磨削点在加工过程中始终不变，省去了程序补偿刀具点变动的工作，有利于实现高精度加工。

三、本发明采用了螺旋中心在工件外的螺旋式加工路径，采用该路径加工的工件表面不存在螺旋中心，因而也就不存在传统方法加工时螺旋中心处残留的Λ字形凸台，或是V字形凹坑，加工表面质量一致性好。

四、本发明使用45度斜置摆头实现了三维斜角磨削方式，有别于传统方法使用垂直摆头产生的二维磨削方式。并且把超声振动辅助加工方法引入到五轴联动加工领域。

附图说明

图1为本发明所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法的流程图；

图2为本发明所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法中步骤一所述的建立的离轴非球面模型；

图3中(a)是传统的螺旋式加工路径，(b)为本发明所述的螺旋中心在被加工光学元件外的螺旋式加工路径。

图4为本发明所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法中被加工光学元件摆放在机床转台上示意图；

图5为本发明采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式示意图；

图6为本发明所述的是通过三坐标机测量的加工表面面形误差分布图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，该方法包括以下步骤：

a、精确建立离轴非球面的CAD模型；根据非球面方程、离轴非球面的几何量（包括离轴量、离轴角及镜体边缘轮廓）建立的理论模型，而不是按照其最接近球面建立的近似模型或是通过点云数据拟合而成的近似模型。

b、对步骤一建立的CAD模型进行优化，获得优化后的加工轨迹；所建立的加工轨迹为螺旋式加工路径，而且螺旋中心在被加工的离轴非球面反射镜外。使用该加工路径，在被加工的离轴非球面反射镜的表面中心处不会残留Λ字形凸台，或是V字形凹坑，可以获得均匀一致的加工表面。

c、制作后处理软件，生成五轴联动数控加工程序。并将所述的数控加工程序输入到机床的对应程序中；所述机床具有45度倾斜摆头的非正交机床。这样的好处在于加工中实现了三维斜角磨削方式，有别于传统的二维直角磨削方式。使用后处理软件ICAM-POST开发了该机床的后置处理程序，并基于该程序将刀轨文件转化为机床可以识别的高质量五轴加工程序。

d、将被加工的离轴非球面反射镜放置在机床的转台上，调整被加工的离轴非球面反射镜的几何中心与转台的回转中心重合，并固定。

e、采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式，按照设计好的加工轨迹进行加工，获得非球面反射镜。

本实施方式所述的加工方式可以确保加工过程中，工件表面磨削点处的法线与砂轮的轴线保持固定角度。这样可以带来两点好处：一是加工高陡度自由曲面时不容易产生刀具与工件的干涉；二是在加工过程中砂轮上的磨削点始终不变，不需要通过程序补偿刀具点变动量，同时使得砂轮磨损引起的工件形状误差容易通过补偿加工消除。

本实施方式还包括采用高精度三坐标机测量反射镜表面的面形误差。

具体实施方式二、结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法的实施例：本实施例的具体步骤为：

一、应用计算机辅助设计（CAD）软件建立三维解析模型；

对于旋转对称的非球面，设光轴为z轴（光轴方向），以非球面顶点为坐标原点，则非球面方程可表达为下式：

其中，r²=x²+y²，c为近轴曲率，c=1/R (R为顶点曲率半径）；k为二次曲面常数，k=‒e² ( e为二次曲面的偏心率)，A₂～A₈为非球面变形系数，也称为高次项系数。

根据上面的非球面方程及参数，使用计算机辅助设计软件（例如UGNX），首先建立出母镜的非球面模型，然后根据离轴非球面镜面的轮廓形状、离轴量和离轴角等几何参数，从非球面母镜中截取出离轴非球面的三维模型。该模型如图2所示。

二、利用计算机辅助加工（CAM）技术生成并优化加工路径；

采用螺旋式加工路径。传统上的螺旋式加工路径如图3(a)所示，所述的螺旋中心在被加工的离轴非球面反射镜的几何中心，采用这种路径进行加工时，被加工的离轴非球面反射镜跟随转台旋转，被加工的离轴非球面反射镜的几何中心处速度为零。由于存在砂轮对中心误差，螺旋中心处总是要残留出凹陷或者凸台。本实施方式采用了螺旋中心在被加工的离轴非球面反射镜外的螺旋式加工路径，如图3(b)所示，螺旋中心位于被加工的离轴非球面反射镜外就可以彻底消除螺旋中心处总是要残留出Λ字形凸台或是V字形凹坑问题。设定了这种加工路径后，再通过设定非加工参数，例如进刀、退刀等参数，最终生成刀轨文件。

三、制作后置处理文件，生成加工代码；本实施方式中使用德国德马吉（DMG）公司生产的五轴联动机床，该机床的45度倾斜摆头为非标配置。基于ICAM公司的ICAM-POST软件，开发了该机床的后置处理文件。使用该后置处理文件，可以快速将步骤二生成的刀轨文件转化为该机床可以正确执行的NC加工程序。

四、被加工的离轴非球面反射镜的定位与卡紧，结合图4，反射镜镜面的长宽为900 mm×660 mm，属于1 m量级离轴非球面反射镜。机床转台直径为1 m。通过调整将被加工的离轴非球面反射镜的几何中心与转台旋转中心重合，完成定位。反射镜的四个侧面通过机床上的定位板固定，并用AB胶将反射镜与转台固定。

五、加工；结合图5，采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式，按照步骤三生成的五轴加工代码进行加工。加工中被加工的离轴非球面反射镜表面磨削点处的法线与砂轮的轴线保持固定角度。这样可以带来两点好处：一是加工高陡度自由曲面时不容易产生刀具与被加工的离轴非球面反射镜的干涉；二是在加工过程中砂轮上的磨削点始终不变，不需要通过程序补偿刀具点变动量，同时使得砂轮磨损引起的被加工的离轴非球面反射镜形状误差容易通过补偿加工消除。

所述的被加工的离轴非球面反射镜的材料为反应烧结碳化硅(RB-SiC)，使用的砂轮是树脂基金刚石杯形砂轮，在加工中使用水基冷却液进行浇注式冷却。

六、对被加工的离轴非球面反射镜的表面形状误差的测量；加工完成后, 采用蔡司(Zeiss)公司生产的三坐标测量机测量离轴非球面面形，测量结果结合图6，加工后的面形精度PV值为18.8 µm, RMS值为3.5 µm。对于本实施方式所述的被加工的离轴非球面反射镜，若沿用传统工艺按照离轴非球面的最接近球面进行铣磨加工，获得的面形误差PV值将大于900 µm。这样大的误差量必须依靠后续精密研磨去除。按粗略估算，至少需要三个月时间的精密研磨才能达到本专利铣磨加工后的精度。因此，本实施方式所述的加工方法大幅度缩短SiC反射镜的研磨加工周期。

Claims

1.大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立离轴非球面反射镜的CAD模型；

步骤二、对步骤一建立的CAD模型生成优化加工轨迹；

2.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，其特征在于，步骤一所述的建立离轴非球面反射镜的CAD模型需要的参数具体包括，非球面反射镜的系数、反射镜的外轮廓尺寸以及离轴量和离轴角。

3.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，其特征在于，步骤五中对被加工的离轴非球面反射镜进行加工的过程中，被加工的离轴非球面反射镜表面磨削点处的法线与砂轮的轴线保持固定角度。

4.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，其特征在于，在步骤五之后，还包括采用高精度三坐标机测量被加工的离轴非球面反射镜表面的误差。