CN106826402B - 一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法，该方法能够实现磁流变抛光轮(去除函数)与大口径非球面光学元件精确对准的定位方法。包括如下步骤：步骤a、去除函数原点标定，包括如下具体步骤：a1固定标准空心圆柱。a2将数控机床上的测头与所述标准空心圆柱对准。a3将抛光轮最低点位置与标准空心圆柱对准。步骤b非球面光学元件定位，包括如下具体步骤：b1将所述非球面光学元件设置于数控机床转台上并固定。b2当抛光轮以设定抛光间隙h对所述非球面光学元件进行加工时，若要对所述非球面光学元件上的设定点进行加工，计算抛光轮要移动的位置。

Description

一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法

技术领域

本发明属于光学元件加工技术领域，特别涉及到一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法。

背景技术

由于非球面能够矫正像差，增大视场，提升像质，减少系统光学元件数量，从而有效地减少重量，降低成本，因此非球面在现代天文观测和对地观测等光学系统中得到了广泛的应用。现代光学望远系统的口径越来越大，因此光学系统中的非球面口径也越来越大，目前国外已经能够加工口径8m的非球面，国内也在向2-4m口径逐渐发展。磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)技术作为近年来被广泛关注的一种光学加工方法，具有加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小、加工适用性广以及加工大径厚比的光学镜面不存在复印效应等诸多优点，在大口径非球面制造领域有着广泛的应用前景。

但是要实现大口径非球面的磁流变抛光过程，尤其是工程批量化加工过程，磁流变抛光轮与大口径非球面光学元件对准问题是其制约因素之一。首先，对于轮式磁流变抛光去除函数原定位置需要准确定位。对于小磨头等加工技术，去除函数一般是圆对称分布，和磨头中心对应的去除函数几何中心一般直接定义为原点，之后可以建立机床坐标系与磨头的相对关系。但是轮式磁流变抛光的去除函数是D字形非圆对称，原点位置无法直接根据去除函数几何位置确定，需要找出去除函数作用区域的某一位置和抛光轮特定点的对应关系。其次，对于米级或更大的非球面光学元件，放置在机床负载台上后，一般存倾斜与偏移等误差。采用小磨头等光学加工技术时，倾斜允许在度量级，偏移允许在毫米量级，因此不需要精确测量倾斜和偏移。采用磁流变抛光技术时，为了实现磨头与非球面元件的对准，要求精确测量出非球面元件的位置，倾斜一般优于分级而偏移优于0.1mm。因此，大口径非球面光学元件磁流变加工需要设计一种简单易行的对准方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法，该方法能够找到磁流变抛光去除函数作用区域特定点和抛光轮上相对应的特征点以确定去除函数原点位置，并且实现磁流变抛光轮(去除函数)与大口径非球面光学元件精确对准的定位方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法，包括如下步骤：

步骤a、去除函数原点标定，包括如下具体步骤：

a1将所述标准空心圆柱通过卡具固定在数控机床转台上，其中标准空心圆柱底面与转台表面接触，圆柱的母线与转台面垂直。

a2将数控机床上的测头与所述标准空心圆柱对准：利用所述测头测量标准空心圆柱中心线的位置在数控机床坐标系的x、y轴坐标(X_t,Y_t)，测量标准空心圆柱的上底面高度Z_t，由此得到测头与标准空心圆柱的相对坐标(X_t,Y_t,Z_t)。

a3令抛光轮的最低点和抛光轮球心的连线对准至空心圆柱的中心线，此时测得抛光轮在数控机床坐标系的x、y轴坐标为(X_m,Y_m)，将抛光轮最低点与圆柱上底面接触，测得此时抛光轮最低点的高度Z_m，由此得到抛光轮最低点与标准空心圆柱的相对坐标为(X_m,Y_m,Z_m)。

步骤b非球面光学元件定位，包括如下具体步骤：

b1将所述非球面光学元件设置于数控机床转台上并固定。

b2当抛光轮以设定抛光间隙h对所述非球面光学元件进行加工时，若要对所述非球面光学元件上的点A进行加工，则要将抛光轮移动到B处。

其中A在数控机床坐标系中的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)，则B的坐标(X_b,Y_b,Z_b)为：Δ是测量标定的点(X_a,Y_a,Z_a)的倾斜量。

进一步地，点(X_a,Y_a,Z_a)的倾斜量Δ的求解方法如下：

将所述b1中，利用数控机床测头测量所述非球面光学元件的几何中心位置在数控机床坐标系中的坐标(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)。

在非球面光学元件上选取点(X_a,Y_a,Z_a)的组合点(X_a’,Y_a’,Z_a’)，点(X_a,Y_a,Z_a)与点(X_a’,Y_a’,Z_a’)二者分别分布在非球面光学元件几何中心两侧、且二者连线中点与非球面光学元件的几何中心点在数控机床转台面上的投影重合。

根据非球面光学元件几何中心位置(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)，理论计算非球面光学元件上与(X_a,Y_a)对应的理论高度坐标Z_A，以及(X_a’,Y_a’)对应的理论高度坐标Z_A’；则Δ＝(Z_A-Z_a)-(Z_A’-Z_a’)。

有益效果：

本发明通过磁流变抛光轮最低点为桥梁，建立了磁流变抛光去除函数和被加工非球面元件的对准关系。首先通过步骤a，以标准圆柱和标准实验平面光学元件为基础，标定了抛光轮最低点对应的去除函数坐标原点位置；然后按照步骤b对工件进行定位，进而建立了去除函数与工件之间的对准关系。对于特定机床只需要进行一次步骤a的标定测量工作，当加工不同非球面光学元件时重复进行步骤b即可达到工件对准的目的。本发明物理概念明确，数据处理简单，工程操作简易可行，工件对准成本低，测试时间短。

附图说明

图1为本发明中的标准圆柱；

图2为本发明中典型的轮式磁流变抛光去除函数产生方式；

图3为本发明中步骤a的测量标定过程；

图4(a)为本发明中Zygo干涉仪检测的轮式磁流变抛光产生的典型去除函数；

图4(b)本发明中去除函数两个方向去除率分布；

图5为本发明实例中去除函数测量过程；

图6(a)为本发明实例中去除函数原点标定结果俯视图；

图6(b)为本发明实例中去函数函原点标定结果侧视图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法，采用磁流变抛光轮对标准空心圆柱进行抛光，包括如下步骤：

步骤a、去除函数原点标定，包括如下具体步骤：

a1固定标准空心圆柱；将所述标准空心圆柱通过卡具固定在数控机床转台上，其中圆柱下表面与转台表面接触，圆柱的母线与转台面垂直。

标准空心圆柱具有较高的内表面圆柱度及上下表面平面度和平行度，通过卡具固定在数控中心转台上，其中圆柱下表面与转台表面接触，圆柱的母线与转台面垂直，图1所示。

a2将数控机床上的测头与所述标准空心圆柱对准：利用所述测头测量标准空心圆柱中心线的位置坐标(X_t,Y_t)，测量圆柱的上底面高度Z_t，由此得到测头与标准空心圆柱的相对坐标(X_t,Y_t,Z_t)；图3中5是标准空心圆柱，6是卡具。

a3将抛光轮最低点位置与标准空心圆柱对准：将抛光轮的最低点和抛光轮球心的连线与空心圆柱的中心线对齐，此时数控机床的坐标为(X_m,Y_m)，测得将抛光轮最低点与圆柱上底面接触时的高度Z_m，由此得到抛光轮最低点与标准空心圆柱的相对坐标为(X_m,Y_m,Z_m)。

选择抛光轮最低点对应于去除函数原点，标定抛光轮最低点位置坐标。

图2中1是抛光轮，2是进入有效作用区域前的磁流变液，3是磁流变液与光学元件4的接触区域，也是有效作用区域，R_w是抛光轮半径，R₁是磁流变液未经过有效作用区域时在抛光轮上的分布半径，R₂是磁流变液经过有效区域后在抛光轮上的分布半径，w是转速，h是抛光间隙，图中虚线标出的接触区域产生去除函数。

未上磁流变液时，先粗略保证抛光轮的最低点和球心的连线与空心圆柱的中心线对齐。然后抛光轮不断降低的同时在水平方向上移动标准圆柱，直到抛光轮与空心的圆柱完全吻合，这种吻合方法可以使用塞规等工具测量。抛光轮和空心圆柱均吻合后，记录下机床坐标(X_m,Y_m)。另外测得将抛光轮最低点与圆柱上底面接触时的机床坐标Z_m。得到抛光轮最低点与标准圆柱对准时的机床坐标(X_m,Y_m,Z_m)。

为了验证该步骤标定的准确性，本实施例中进行了标准光学元件的对准：

根据前两步得到的坐标关系对标准光学元件进行对准，标准光学元件是一个圆柱形平面光学元件，其上下表面的平行度和圆柱度被严格要求，上表面平面面形精度高。将光学元件固定在机床转台上，用测头测试光学表面几何特征(随机选取的几何特征)位置(X_0t,Y_0t,Z_0t)。对应于抛光轮最低点的机床坐标为(X₀,Y₀,Z₀),坐标关系为：

同样，可以测出镜面上其他特征点位置及其对应于抛光轮最低点时的机床坐标关系。

根据上面得到的工件上多个特征点和抛光轮最低点相对应的机床坐标关系，让抛光轮最低点位于特征点上以一定的抛光间隙(抛光轮最低点与镜面之间的距离)进行去除函数测试。通过光学表面上的特征点位置和测试得到的去除函数作用区域进行对比，就可以得到抛光轮最低点和去除函数上某点的对应关系，此点就是MRF去除函数的原点。

磁流变去除函数D字形分布，去除函数原点位于o点；将去除函数按照直角坐标系处理，则去除函数x坐标原点位于去除率分布的对称轴上；y坐标原点位于去除率分布不对称方向的急剧减小处。

标定过程误差来源：(1)抛光轮最低点标定时，标准空心圆柱和抛光轮吻合度带来的误差ω₁；(2)测头对标准圆柱进行测量时误差取决于测头精度ω₂；(3)测试完去除函数，特征点可以选择圆形镜面的圆心，精度取决于测头精度和光学元件圆度误差ω₃，这一精度可以通过特殊制作标定用实验元件进一步提高；(4)机床定位精度ω₄。其他误差可以忽略，根据误差传递原理，传递系数均为1，总误差ω_t.各个误差均为随机误差，可以采取多次标定的方法进一步提高标定精度，降低ω_t.的值。

步骤b光学元件定位

b1将所述非球面光学元件设置于数控机床转台上并固定；

b2当抛光轮以抛光间隙h对所述非球面光学元件进行加工时，若要对所述非球面光学元件上的点(X_a,Y_a,Z_a)进行加工，则要将抛光轮移动到(X_b,Y_b,Z_b)处；

其中

点(X_a,Y_a,Z_a)的倾斜量Δ的求解方法如下：

将所述b1中，利用数控机床测头测量所述非球面几何中心位置(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)；

在非球面光学元件上选取(X_a,Y_a,Z_a)的组合点(X_a’,Y_a’,Z_a’)，(X_a,Y_a,Z_a)的组合点(X_a’,Y_a’,Z_a’)分布在非球面光学元件几何中心两侧的两个点、且二者连线中点与非球面光学元件的几何中心点在数控机床转台面上的投影重合；根据非球面光学元件几何中心位置(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)，理论计算非球面光学元件上与(X_a,Y_a)对应的理论高度坐标Z_A，以及(X_a’,Y_a’)对应的理论高度坐标Z_A’；则Δ＝(Z_A-Z_a)-(Z_A’-Z_a’)。

实施例：

一种本发明的磁流变抛光去除函数标定和非球面对准方法，本实施例的对象是研制的一个口径360mm的永磁型磁流变抛光系统(MRF360)，它被集成到具备2.5m大口径非球面加工能力的龙门式五轴联动数控中心上。

如图4(a)和图4(b)所示，轮式磁流变典型的去除函数以及在不同方向上去除率的分布。可以看出去除率在一个方向上呈轴对称分布，另一个方向分布完全不对称。

利用本发明步骤a对MRF360进行去除函数原点实际标定。将圆柱固定，抛光轮最低点位置与标准圆柱对准，抛光轮不断降低，同时在水平方向上移动标准圆柱或抛光轮位置，抛光轮和空心圆柱均吻合后，记录下机床坐标(X_m,Y_m)。另外测得抛光轮最低点与圆柱上底面接触时的机床坐标Z_m。得到抛光轮最低点与标准圆柱对准时的机床坐标(X_m,Y_m,Z_m)为(844.578,-200.324,193.440)。测头与标准圆柱对准得到机床测头与标准圆柱的相对坐标(X_t,Y_t,Z_t)为(305.740,318.196,239.554)。标准平面光学元件对准时，光学元件几何特征位置(X_0t,Y_0t,Z_0t)与抛光轮最低点的机床坐标(X₀,Y₀,Z₀)的坐标关系为：

如图5所示，在圆形标准实验平面元件特征点上的去除函数，本实施例值关注镜面圆心位置的去除函数。在MRF360产生镜面圆心位置的去除函数时，通过测头测量的圆心位置坐标(X_0t,Y_0t,Z_0t)为(603.203,0.324,256.106),因此得到抛光轮最低点作用于镜面圆心出的机床坐标为(1142.041,-518.196,209.992)，考虑抛光间隙2.0mm，机床按此坐标对标准圆实验平面进行抛光，得到去除函数。利用Zygo干涉仪检测标准实验平面全口径。按实际像素分辨率找出标准镜面圆心位置，此时对应的去除函数作用区域位置点就是去除函数原点

如图6(a)和(b)所示，去除函数原点位置如图所示，在去除函数对称方向上对称中心是x方向的原点，y方向的原点处在去除函数去除率急速下降处，距离去除率峰值位置0.980mm处。

去除函数原点标定过程误差：(1)抛光轮最低点标定时，标准空心圆柱和抛光轮吻合度带来的误差ω₁≤10μm；(2)测头对标准圆柱进行测量时误差取决于测头精度ω₂≤2μm；(3)测试完去除函数，特征点可以选择圆形镜面的圆心，精度取决于测头精度和圆度误差ω₃≤10μm，这一精度可以通过特殊制作标定用实验元件进一步提高；(4)机床定位精度ω₄≤10μm。其他误差可以忽略，根据误差传递原理，传递系数均为1，总误差ω_t≤0.017mm.各个误差均为随机误差，可以采取多次标定的方法进一步提高标定精度，降低ω_t.的值，这对于MRF360的去除函数约13mm×32mm大小而言原点标定精度满足工程要求。

利用步骤b进行光学元件定位。对一1500mm口径

测定的光学元件特征位置是(X_0t,Y_0t,Z_0t)为(-422.698,687.863,210.537)。机床测头测量非球面上多组点的坐标(X_m ⁱ,Y_m ⁱ,Z_m ⁱ),论计算非球面上与(X_m ⁱ,Y_m ⁱ)对应的高度坐标Z_M ⁱ。计算出各个点理论高度与实测高度的偏差：

Δⁱ＝Z_M ⁱ-Z_m ⁱ

每组两个点对应的偏差相减，可以得到相应的倾斜量：

Δ^i,i+1＝Δⁱ-Δⁱ⁺¹

1500mm离轴非球面反射镜x和y方向倾斜量

磁流变抛光轮最低点与非球面元件对准。对于非球面上工件坐标系每个点(X_a,Y_a,Z_a),磁流变抛光轮以抛光间隙h＝2.0mm进行加工，则其对应的机床坐标系坐标是(X_b,Y_b,Z_b)，Δ_a是非球面上点测量标定的倾斜量。

X_b＝X_a+538.838

Y_b＝Y_a-518.520

Z_b＝Z_a-46.114+2.0+Δ_a

通过考虑磁流变数控加工中心的各个联动轴，就可以得到磁流变抛光工件坐标系任意点时，机床各个轴需要运动的位置。

标定过程误差主要来自：(1)对每个点多次测量取平均，倾斜量误差ω₅≤10μm(2)非球面特征点测头测量误差ω₆≤2μm(3)步骤a的原点标定误差ω_t≤17μm。其他误差可以忽略，误差传递系数均为1，总误差为ω≤19.7μm，可以通过多次测量降低随机误差影响，提高对准精度。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种磁流变抛光轮对非球面光学元件进行对准加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a、去除函数原点标定，包括如下具体步骤：

a1将标准空心圆柱通过卡具固定在数控机床转台上，其中标准空心圆柱底面与转台表面接触，圆柱的母线与转台面垂直；

a2将数控机床上的测头与所述标准空心圆柱对准：利用所述测头测量标准空心圆柱中心线的位置在数控机床坐标系的x、y轴坐标(X_t,Y_t)，测量标准空心圆柱的上底面高度Z_t，由此得到测头与标准空心圆柱的相对坐标(X_t,Y_t,Z_t)；

a3令抛光轮的最低点和抛光轮球心的连线对准至空心圆柱的中心线，此时测得抛光轮在数控机床坐标系的x、y轴坐标为(X_m,Y_m)，将抛光轮最低点与圆柱上底面接触，测得此时抛光轮最低点的高度Z_m，由此得到抛光轮最低点与标准空心圆柱的相对坐标为(X_m,Y_m,Z_m)；

步骤b非球面光学元件定位，包括如下具体步骤：

b1将所述非球面光学元件设置于数控机床转台上并固定；

b2当抛光轮以设定抛光间隙h对所述非球面光学元件进行加工时，若要对所述非球面光学元件上的点A进行加工，则要将抛光轮移动到B处；

其中A在数控机床坐标系中的坐标表示为(X_a,Y_a,Z_a)，则B的坐标(X_b,Y_b,Z_b)为：Δ是测量标定的点(X_a,Y_a,Z_a)的倾斜量；

所述点(X_a,Y_a,Z_a)的倾斜量Δ的求解方法如下：

将所述b1中，利用数控机床测头测量所述非球面光学元件的几何中心位置在数控机床坐标系中的坐标(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)；

在非球面光学元件上选取点(X_a,Y_a,Z_a)的组合点(X_a’,Y_a’,Z_a’)，点(X_a,Y_a,Z_a)与点(X_a’,Y_a’,Z_a’)二者分别分布在非球面光学元件几何中心两侧、且二者连线中点与非球面光学元件的几何中心点在数控机床转台面上的投影重合；

根据非球面光学元件几何中心位置(X_0t’,Y_0t’,Z_0t’)，理论计算非球面光学元件上与(X_a,Y_a)对应的理论高度坐标Z_A，以及(X_a’,Y_a’)对应的理论高度坐标Z_A’；则Δ＝(Z_A-Z_a)-(Z_A’-Z_a’)。