CN108161645B - 一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法，所述的装置包括变形量测量装置和超精密磨床，变形量测量装置包括真空泵、多孔陶瓷真空吸盘和轮廓仪。所述的方法包括以下步骤：变形量测量；砂轮主轴倾角大小反求和磨削。由于本发明直接测量低刚度平面镜在真空吸附时产生的变形量，夹持过程简单，无需设计专用夹具，不受工件初始面形差异的影响，通用性好，降低了传统低刚度平面镜加工过程中对夹持方法和专用夹具的设计要求。由于本发明结合基于工件旋转法的磨床主轴相对工件的倾角可调和这种加工原理的优势，进行变形量的抵消，不仅能够实现高精度面形的低刚度平面镜加工，也能够实现对低刚度平面镜加工后面形的预测和控制。

Description

一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法

技术领域

本发明涉及平面镜的磨削加工技术领域，特别涉及一种低刚度平面镜超精密磨削过程中工件变形补偿的高精度高效磨削加工方法。

背景技术

平面镜是诸多光学系统中重要的元件，例如：在空间遥感系统、精密测量系统等光学系统中，平面镜是不可缺少的组件之一。随着这类光学系统的轻量化和小型化，在保证平面镜使用性能的前提下，平面镜厚度方向上的尺寸也随之减小，使得平面镜的刚度变低，这对平面镜的高精度加工带来困难。通常获得超光滑和超平坦的平面镜表面的加工方法是先研磨，再抛光，最后修形。研磨加工能够为后续的抛光过程提供一定的面形精度和表面质量，减少后续抛光和修形过程所耗费的时间。因此，研磨加工的效率和精度直接影响整个平面镜的加工效率和成本。而研磨加工属于非确定性加工方法，并且对于低刚度易变形的平面镜零件，研磨压力和配重容易导致低刚度平面镜产生变形，无法高效地获得高精度平面。

磨削方法具有高效、高精度的优点，被广泛地应用于平面零件的加工。随着磨削技术的不断发展，加工精度不断提高，目前能够一定程度的替代研磨加工，甚至是粗抛加工。针对刚度高、夹持过程中不易产生变形的平面零件，传统的磨削方法(例如平面磨削的方法)能够实现其高精度、高表面质量的高效加工。然而，针对低刚度的平面镜，由于夹持过程中受力变形，磨削后夹持力释放导致工件的面形精度发生变化，不易获得高精度面形，并且受制于传统平面磨削的加工原理，也不易获得好的平行度。

在低刚度平面镜的传统平面磨削加工中，一些研究人员在采用了误差补偿的方法对低刚度平面镜夹持变形进行补偿和控制，例如中国专利CN201610903213.4公开了“光学元件磨削加工面形误差和平行度误差的控制方法及其装置，该装置利用平面磨削方法，先逐点扫描测量低刚度元件的夹持变形，然后通过逐点补偿的磨削方法进行了面形误差和平行度误差的稳定控制，虽然获得了面形精度高和平行度好的工件，但容易产生中频误差，对后续抛光和修形加工带来困难；并且，传统的平面磨削方法砂轮宽度有限，磨削过程中需要进行横向进给，加上逐点扫描和逐点误差补偿的加工方式，都会显著影响磨削精度和磨削效率。

而工件旋转法磨削，采用立式磨削的方法通过杯形砂轮的端面进行磨削，使得砂轮直径不受限制；同时工件转台中心与杯形金刚石砂轮的工作面重合，磨削时工件和砂轮各自绕轴线回转，只有砂轮主轴进行轴向进给，磨削效率高，容易获得厚度均一性高的工件；另外，由于杯形砂轮与工件之间通过砂轮主轴倾角(即砂轮主轴相对于工件的倾角)调整可以获得不同的接触面积，因此能够实现工件面形的控制。但工件旋转法磨削多用于集成电路制造过程中的大尺寸硅片平坦化和减薄加工，少有用于平面镜的加工，虽然在PingLi等发表的《Experimental Investigation of Precision Grinding Oriented toAchieve High Process Efficiency for Large and Middle-Scale Optic》(《AdvancedOptical Manufacturing Technologies》杂志的2016年第9683卷，第968328-1—938628-8页)，采用工件旋转法磨削了直径300mm厚度40mm的光学平面镜，也未涉及工件变形补偿和面形控制的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种高精度、高效、低成本的低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置及方法，利用工件旋转法磨削低刚度平面镜，实现低刚度平面镜夹持变形的补偿和面形控制，解决传统磨削方法存在的加工时低刚度平面镜变形不易控制、加工效率低和成本高的缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置，包括变形量测量装置和超精密磨床，所述的变形量测量装置包括真空泵、气路控制阀、支架、多孔陶瓷真空吸盘、轮廓仪和计算机；所述的多孔陶瓷真空吸盘位于支架上，多孔陶瓷真空吸盘通过气路控制阀与真空泵连接；多孔陶瓷真空吸盘上面放置低刚度平面镜；所述的轮廓仪与计算机连接，轮廓仪的测头与低刚度平面镜的上表面接触；

所述的真空泵提供低刚度平面镜的真空吸附力；气路控制阀控制真空吸附力的有和无；轮廓仪用于对低刚度平面镜的表面轮廓进行测量；计算机用于读取轮廓仪的测量数据。

进一步地，所述的超精密磨床是砂轮主轴倾角可调的商用超精密磨床。

一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削方法，包括以下步骤：

A、变形量测量

利用多孔陶瓷真空吸盘、真空泵、气路控制阀和轮廓仪以及计算机来测量低刚度平面镜真空吸附前、后的轮廓，根据该轮廓获得低刚度平面镜真空吸附产生的变形量；其中，定义真空吸附前的低刚度平面镜表面的轮廓形状为f₁(r)；真空吸附后的低刚度平面镜发生变形，其变形后的轮廓形状变为f₂(r)，则，变形量表示为：

f(r)＝f₁(r)-f₂(r)

为了抵消该变形量，确定需要加工的面形轮廓形状为：

h(r)＝-f(r)；

B、砂轮主轴倾角大小反求

依据步骤A所述的轮廓形状h(r)反求计算获得基于工件旋转法的超精密磨床的砂轮主轴相对工件的两个倾角α和β值；

C、磨削

将磨床砂轮主轴相对工件的两个倾角调至α和β，对低刚度平面镜进行超精密磨削。

进一步地，步骤A所述的变形量测量步骤如下：

将低刚度平面镜置于多孔陶瓷真空吸盘上，先关闭真空泵的气路控制阀，利用轮廓仪对无真空吸附状态下的低刚度平面镜进行面形轮廓测量，通过计算机获取测量轮廓的数据，得到真空吸附前低刚度平面镜的表面轮廓f₁(r)；然后将控制阀打开，此时，低刚度平面镜被吸附在多孔陶瓷真空吸盘上；接着使用轮廓仪对真空吸附下的低刚度平面镜进行面形轮廓测量，得到真空吸附后的低刚度平面镜表面轮廓f₂(r)。通过两个轮廓相减，计算获得低刚度平面镜真空吸附产生的变形量；

步骤B所述的砂轮主轴倾角的反求步骤如下：

设定基于工件旋转法的超精密磨床的砂轮主轴前后方向和左右方向相对工件可调整倾角分别为α和β，根据α和β的大小不同加工出不同的面形，则建立磨床的主轴相对工件的倾角大小与加工出的工件面形的关系为：

g(r)＝z(α,β)

g(r)为加工出的轮廓线方程；

由于h(r)和g(r)不能完全相同，因此设定误差函数ε(α,β)；通过优化的方法获得具体的α和β值，其优化过程如下：

其中，R为低刚度平面镜的直径；

步骤C所述的磨削过程包括以下步骤：

将低刚度平面镜和多孔陶瓷真空吸盘固定在基于工件旋转法的超精密磨床的旋转工作台上，然后启动真空泵使得低刚度平面镜吸附在多孔陶瓷吸盘上；在真空压力的作用下，低刚度平面镜产生变形；根据式(1)计算获得α和β的大小并调整砂轮主轴相对工件的倾角大小；在设定磨床砂轮主轴转速、工件转速和砂轮主轴进给速度的参数下进行磨削加工，磨削去除量大于变形量；最后卸载真空吸附力后，低刚度平面镜发生弹性回弹，加工结束。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于本发明采用超精密磨削方法进行低刚度平面镜的加工，相对于研磨加工，甚至是粗抛加工，能够大幅度地提高加工效率，高效地实现高精度面形和高质量表面的低刚度平面镜加工。

2、由于本发明直接测量低刚度平面镜在真空吸附时产生的变形量，夹持过程简单，无需设计专用夹具，不受工件初始面形差异的影响，通用性好，降低了传统低刚度平面镜加工过程中对夹持方法和专用夹具的设计要求。

3、由于本发明直接测量低刚度平面镜在真空吸附时产生的变形量，并结合基于工件旋转法的磨床主轴相对工件的倾角可调和这种加工原理的优势，进行变形量的抵消，不仅能够实现高精度面形的低刚度平面镜加工，也能够实现对低刚度平面镜加工后面形的预测和控制。

4、由于本发明采用于工件旋转法磨削，相对于普通平面磨削方法，工件旋转法磨削低刚度平面镜具有加工效率高、工件夹持变形补偿容易、工件厚度一致性高的优点。

附图说明

图1是本发明的变形测量装置示意图；

图2是低刚度平面镜真空吸附前、后测量的轮廓示意图；

图3是本发明的磨床砂轮主轴倾角调整示意图及建立的坐标系；

图4是本发明低刚度平面镜置于多孔陶瓷真空吸盘上吸附前示意图；

图5是本发明低刚度平面镜置于多孔陶瓷真空吸盘上吸附后示意图；

图6是本发明低刚度平面镜置于多孔陶瓷真空吸盘上吸附后调整砂轮主轴倾角磨削完未释放真空的示意图；

图7是本发明低刚度平面镜置于多孔陶瓷真空吸盘上吸附后调整砂轮主轴倾角磨削完释放真空的示意图；

图8是本发明实施例一：硅镜真空吸附前后测量的轮廓和计算出的变形量轮廓；

图9是本发明实施例一：抵消硅镜吸附变形量的轮廓、砂轮主轴倾角调整后理论轮廓和实际可加工出的轮廓；

图10是本发明实施例一：硅镜磨削后测量的表面轮廓。

图中：1、真空泵；2、气路控制阀；3、支架；4、多孔陶瓷真空吸盘；5、低刚度平面镜；6、轮廓仪；7、计算机；8、砂轮；9、磨床加工的低刚度平面镜表面；10、左右方向；11、前后方向；12、磨床旋转工作台；13、磨床实际可获得的轮廓；14、硅镜磨削后表面轮廓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

如图1所示，一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置，包括变形量测量装置和超精密磨床，所述的变形量测量装置包括真空泵1、气路控制阀2、支架3、多孔陶瓷真空吸盘4、轮廓仪6和计算机7；所述的多孔陶瓷真空吸盘4位于支架3上，多孔陶瓷真空吸盘4通过气路控制阀2与真空泵1连接；多孔陶瓷真空吸盘4上面放置低刚度平面镜5；所述的轮廓仪6与计算机7连接，轮廓仪6的测头与低刚度平面镜5的上表面接触；

所述的真空泵1提供低刚度平面镜5的真空吸附力；气路控制阀2控制真空吸附力的有和无；轮廓仪6用于对低刚度平面镜5的表面轮廓进行测量；计算机7用于读取轮廓仪6的测量数据。

一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削加工方法，按照以下步骤完成：

1)变形量测量：利用多孔陶瓷真空吸盘、真空泵、控制阀和轮廓仪以及计算机来测量低刚度平面镜真空吸附前、后的轮廓，根据该轮廓获得低刚度平面镜真空吸附产生的变形量；其中，定义真空吸附前，低刚度平面镜表面的轮廓形状为f₁(r)；真空吸附后，低刚度平面镜发生变形，其变形后的轮廓形状变为f₂(r)，则，变形量可表示为f(r)＝f₁(r)-f₂(r)；为了抵消该变形量，确定了需要加工的面形轮廓形状为h(r)＝-f(r)；

2)砂轮主轴倾角大小的反求：依据补偿变形量所需的加工轮廓反求计算获得基于工件旋转法的超精密磨床的砂轮主轴相对工件的两个倾角α和β值；

3)磨削：将磨床砂轮主轴调至α和β，对低刚度平面镜进行超精密磨削。

所述步骤1)变形量测量按照以下完成：

如图1所示，将低刚度平面镜5置于多孔陶瓷真空吸盘4上，先关闭真空泵的气路控制阀2，利用轮廓仪6对无真空吸附状态下的低刚度平面镜5进行面形轮廓的测量，由计算机7获得真空吸附前低刚度平面镜5的表面轮廓，如图2中轮廓f₁(r)所示；然后将控制阀2打开，此时，低刚度平面镜5被吸附在多孔陶瓷真空吸盘4上，接着使用轮廓仪6对真空吸附下的低刚度平面镜进行面形轮廓测量，由计算机7获得真空吸附后的低刚度平面镜表面轮廓，如图2中轮廓f₂(r)所示；则通过计算获得真空吸附变形量轮廓，如图2中轮廓f(r)所示；所以，只需要加工时将真空吸附变形量产生的轮廓抵消，即磨床需要加工出轮廓f(r)的反向轮廓，如图2中轮廓h(r)所示，就能够获得低刚度平面镜的高精度表面。

所述步骤2)优化方法按照以下完成：

如图3所示，根据砂轮8和工件5的关系，砂轮8的主轴倾角可沿着左右方向10和前后方向11进行倾角α和β大小的调整，即砂轮主轴可实现前后、左右的摆动，根据倾角α和β大小不同，低刚度平面镜5可以加工出的低刚度平面的表面9的轮廓也不相同。因此，可定义磨床砂轮主轴倾角α和β与可加工出的工件表面轮廓关系为g(r)＝z(α,β)，并根据图2中轮廓h(r)，以及公式(1)获得抵消图2中轮廓f(r)应该调整的砂轮主轴倾角α和β的具体数值；

由于h(r)和g(r)不能完全相同，因此设定误差函数ε(α,β)，通过优化的方法可获得具体的α和β值，其优化过程如下：

其中，R为低刚度平面镜的直径。

所述步骤3)磨削按照以下完成：

多孔陶瓷真空吸盘4固定于磨床旋转工作台12上，设定多孔陶瓷真空吸盘4的表面面形为凸形，低刚度平面镜5的正反两个面面形也为凸形，如图4所示；然后启动真空泵1使得低刚度平面镜5吸附在多孔陶瓷真空吸盘4上，在真空吸附力的作用下，吸附面与多孔陶瓷真空吸盘4贴合，发生变形，另一面也随之发生变形，如图5所示；通过测量获得低刚度平面镜真空吸附前后的变形量，然后计算获得倾角α和β的大小，并将磨床的砂轮主轴按照计算出的倾角α和β大小进行调整，采用#5000金刚石杯形砂轮，在同一个多孔陶瓷真空吸盘4和相等的真空吸附力下设定砂轮主轴转速为2399r/min、工件转速为120r/min、砂轮主轴进给速度为30μm/min，光磨时间5s，进行低刚度平面镜5的磨削加工，保证磨削去除量大于变形量，在未卸载真空吸附力前磨削后的低刚度平面镜上表面被磨削至当前砂轮主轴倾角可磨削的面形轮廓，如图6所示；最后卸载真空吸附力后，低刚度平面镜5发生弹性回弹，回弹量将低刚度平面镜5在真空吸附力以及多孔陶瓷真空吸盘面形共同作用下产生的变形量抵消，使得低刚度平面镜5变为高精度平面镜，如图7所示。

实施例一

按照以上方法以尺寸为Ф100mm×5mm单晶硅平面镜(硅镜)为例，采用如图1所示的变形量测量装置测量的硅镜真空吸附前后的结果如图8所示，轮廓f₁(r)为测量获得的硅镜真空吸附前的轮廓，峰-谷(PV)值为4.61μm，轮廓f₂(r)为测量获得的真空吸附后的轮廓，峰-谷(PV)值为1.46μm，轮廓f(r)＝f₁(r)-f₂(r)为计算得到的硅镜真空吸附产生的变形量，峰-谷(PV)值为3.22μm。如图9所示，抵消f(r)的轮廓为轮廓h(r)，然后通过式(1)计算获得的磨床砂轮主轴倾角的调整大小为α＝0.0018°、β＝-0.017°、ε(α,β)＝0.0044，同时可得到磨床在砂轮主轴倾角α＝0.0018°、β＝-0.017°时理论上可加工出的轮廓g(r)；利用真空吸附不变形的厚硅镜(厚度大于60mm)试磨，并根据α＝0.0018°、β＝-0.017°调整磨床的砂轮主轴倾角后，测量厚硅镜的表面轮廓，即主轴倾角按照α＝0.0018°、β＝-0.017°的大小调整后磨床实际可获得的轮廓13，然后对Ф100mm×5mm单晶硅平面镜进行了磨削试验，磨削参数为砂轮主轴转速2399r/min、工件转速120r/min、进给速度为30μm/min、光磨时间5s，磨削后释放真空测量的硅镜表面轮廓14如图10所示，其峰-谷(PV)值为1.23μm，即，利用本发明所述的方法，加工Ф100mm×5mm单晶硅平面镜样件，能够将初始面形轮廓峰-谷(PV)值为4.61μm的硅镜加工到面形轮廓的峰-谷(PV)值为1.23μm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (2)

1.一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削方法，采用低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置，所述的低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削装置包括变形量测量装置和超精密磨床，所述的变形量测量装置包括真空泵(1)、气路控制阀(2)、支架(3)、多孔陶瓷真空吸盘(4)、轮廓仪(6)和计算机(7)；所述的多孔陶瓷真空吸盘(4)位于支架(3)上，多孔陶瓷真空吸盘(4)通过气路控制阀(2)与真空泵(1)连接；多孔陶瓷真空吸盘(4)上面放置低刚度平面镜(5)；所述的轮廓仪(6)与计算机(7)连接，轮廓仪(6)的测头与低刚度平面镜(5)的上表面接触；

所述的真空泵(1)提供低刚度平面镜(5)的真空吸附力；气路控制阀(2)控制真空吸附力的有和无；轮廓仪(6)用于对低刚度平面镜(5)的表面轮廓进行测量；计算机(7)用于读取轮廓仪(6)的测量数据；

所述的超精密磨床砂轮主轴倾角可调的商用超精密磨床；

所述的磨削方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、变形量测量：利用多孔陶瓷真空吸盘(4)、真空泵(1)、气路控制阀(2)和轮廓仪(6)以及计算机(7)来测量低刚度平面镜(5)真空吸附前、后的轮廓，根据该轮廓获得低刚度平面镜(5)真空吸附产生的变形量；其中，定义真空吸附前的低刚度平面镜(5)表面的轮廓形状为f₁(r)；真空吸附后的低刚度平面镜(5)发生变形，其变形后的轮廓形状变为f₂(r)，则，变形量表示为：

f(r)＝f₁(r)-f₂(r)

为了抵消该变形量，确定需要加工的面形轮廓形状为：

h(r)＝-f(r)；

B、砂轮主轴倾角大小反求

依据步骤A所述的轮廓形状h(r)反求计算获得基于工件旋转法的超精密磨床的砂轮主轴相对工件的两个倾角α和β值；

C、磨削：将磨床砂轮主轴相对工件的两个倾角调至α和β，对低刚度平面镜(5)进行超精密磨削。

2.根据权利要求1所述的一种低刚度高精度平面镜的工件旋转法磨削方法，其特征在于：

步骤A所述的变形量测量步骤如下：

将低刚度平面镜(5)置于多孔陶瓷真空吸盘(4)上，先关闭真空泵(1)的气路控制阀(2)，利用轮廓仪(6)对无真空吸附状态下的低刚度平面镜(5)进行面形轮廓测量，通过计算机(7)获取测量轮廓的数据，得到真空吸附前低刚度平面镜(5)的表面轮廓f₁(r)；然后将控制阀打开，此时，低刚度平面镜(5)被吸附在多孔陶瓷真空吸盘(4)上；接着使用轮廓仪(6)对真空吸附下的低刚度平面镜(5)进行面形轮廓测量，得到真空吸附后的低刚度平面镜(5)表面轮廓f₂(r)；通过两个轮廓相减，计算获得低刚度平面镜(5)真空吸附产生的变形量；

步骤B所述的砂轮主轴倾角的反求步骤如下：

设定基于工件旋转法的超精密磨床的砂轮主轴前后方向(11)和左右方向(10)相对工件可调整倾角分别为α和β，根据α和β的大小不同加工出不同的面形，则建立磨床的主轴相对工件的倾角大小与加工出的工件面形的关系为：

g(r)＝z(α,β)

g(r)为加工出的轮廓线方程；

由于h(r)和g(r)不能完全相同，因此设定误差函数ε(α,β)；通过优化的方法获得具体的α和β值，其优化过程如下：

其中，R为低刚度平面镜(5)的直径；

步骤C所述的磨削过程包括以下步骤：

将低刚度平面镜(5)和多孔陶瓷真空吸盘(4)固定在基于工件旋转法的超精密磨床的旋转工作台上，然后启动真空泵(1)使得低刚度平面镜(5)吸附在多孔陶瓷吸盘上；在真空压力的作用下，低刚度平面镜(5)产生变形；根据式(1)计算获得α和β的大小并调整砂轮主轴相对工件的倾角大小；在设定磨床砂轮主轴转速、工件转速和砂轮主轴进给速度的参数下进行磨削加工，磨削去除量大于变形量；最后卸载真空吸附力后，低刚度平面镜(5)发生弹性回弹，加工结束。