CN110126101B - 一种离轴多反成像系统加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离轴多反成像系统加工方法，包括下列步骤：设计满足实际需求的离轴多反成像系统，通过光学仿真分析并保证设计满足所要求光学条件，同时尽可能使得反射镜面形满足加工装置结构约束特性，根据X轴方向上的投影分布进行拟合，确定回转中心位置和回转半径；根据加工特性、具体面形和材料的切削性能，设计合适的切削参数和刀具几何参数；根据设计好的加工参数进行刀具路径的生成，之后对其进行刀具补偿得到补偿后实际的刀具路径，使得各个运动轴的运动轨迹和最终加工刀具轨迹是C²连续的；将工件吸附于机床主轴，完成整个面形的加工。

Description

一种离轴多反成像系统加工方法

技术领域

本发明属于先进制造中的超精密加工及光学加工领域，适用于离轴多反成像系统加工。

背景技术

离轴多反成像系统是一种将多个反射镜进行一定位置分布的一种光学系统，具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点，是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。离轴多反成像系统可以避免中心遮拦，还能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。目前离轴多反成像系统制作步骤分为设计、加工、装调等步骤，首先根据要求设计合适的面形，再对设计的多个反射面依次进行加工，最后按照设计的形状对加工好的反射面进行装调。而设计的反射面多为形状复杂的光学自由曲面，由于光学自由曲面无定位基准，且放置在离轴光学系统中，光学装调时具有很大的困难，难以保证将其都装调在合适的位置，这必然会影响系统最后的质量。因此，亟需研究一种运用与离轴多反成像系统的超精密加工方法，从根本上解决光学自由曲面应用带来的装调困难问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种离轴多反成像系统免装调加工方法，在加工时采用先安装各个反射镜毛坯而后进行一体加工成形的方式，即先将待加工件按照设计的系统安装在合适位置，再对安装好的工件进行加工，加工完毕后无需进行装调。通过这种方式保证各个反射镜的位置关系，降低装调难度并提高光学成像效果。技术方案如下：

一种离轴多反成像系统加工方法，包括下列步骤：

(1)设计满足实际需求的离轴多反成像系统，通过光学仿真分析并保证设计满足所要求光学条件，同时尽可能使得反射镜面形满足加工装置结构约束特性，称待加工的反射镜毛坯为工件；

(2)对所设计的离轴多反成像系统面形进行分析，根据X轴方向上的投影分布进行拟合，确定回转中心位置(P,Q)和回转半径R_rot。

(3)根据加工特性、具体面形和材料的切削性能，设计合适的切削参数和刀具几何参数；

(4)根据设计好的加工参数进行刀具路径的生成，之后对其进行刀具补偿得到补偿后实际的刀具路径，补偿方法为X轴方向的平移补偿，最后对加工的刀具路径进行平滑，平滑方法为按照C轴运动为基准，分别对Z轴和X轴的运动轨迹进行平滑，使得各个运动轴的运动轨迹和最终加工刀具轨迹是C²连续的；

(5)将工件吸附于机床主轴，确定工件中心与主轴回转中心保持一致，加工时主轴旋转带动工件旋转，刀具在X轴方向上往复运动，转动至不同角度时切削不同深度，同时结合Z轴方向的进给，完成整个面形的加工。

确定回转中心位置(P,Q)和回转半径R_rot，方法如下：当加工某一点时，转轴中心与该点的距离等于回转半径，在某一截面中，以加工目标面截线上各点为圆心，回转半径R_rot为半径作圆，需要保证各个圆不能包含该截面上工件内所有空间，在此情况下回转半径越大，各个轴所需的运动位移量越少，此时在回转半径尽可能大的情况下，将回转中心放置于各个圆都不包含的中心区域处能使各轴运动更少，对于中心区域，选取某一点定为回转中心，从使各轴运动尽可能少的角度考虑，应使各点到回转中心的分布尽可能密集，通过计算该截面上加工目标面各点到回转中心距离的方差，并求其最小值的方式求取回转中心位置，得到理想回转中心位置(P,Q)和回转半径；用该方法计算得到的回转中心实际上是目标加工面截线的内接圆圆心，即控制回转半径R_rot使得中心区域缩小到正好只有一个点，该点即为内接圆圆心，每一层理想情况下将回转中心放置于此能保证各个轴运动最小，对于所有截面，分别用此方法计算求得每一层的回转中心位置和回转半径，求取其平均值作为实际装调时的回转中心位置，并计算获得回转半径。

附图说明

图1加工装置示意图

图2加工坐标系与光学系统坐标系示意图

图3回转中心和回转半径示意图

图4刀具半径补偿原理图

图5本发明实施例所设计的离轴三反成像系统

图6加工路径平滑后加工运动轴运动轨迹和加工刀具轨迹结果

具体实施方式

本发明所需要的超精密加工结构共包含C轴、Z轴、X轴三个轴，加工装置示意如图1所示，其中包括主轴1，刀架2，金刚石刀具3，反射镜4，X方向运动轨道5，Z方向运动轨道6，旋转主轴C 7和工件框架8。其中，C轴为旋转主轴，工件放置于主轴上；X轴为刀具左右移动的轴，控制刀具的切削位置；Z轴为进给方向。在加工时，将装调好的工件置于C轴上，随C轴旋转而旋转，刀具随着X轴左右移动在旋转的工件上产生切削，同时在Z轴方向上产生缓慢进给，依次对X方向上每一层进行加工。本发明中所提到的离轴多反成像系统是由多个反射镜近似分布在一个圆柱面上构成，相邻反射镜之间存在一定空隙，光线通过多个反射镜之间反射以达到一定功能，对于该结构，有一定设计经验的光学工程师均可完成。机床上三个轴(X,Z,C)与光学系统坐标系(x,y,z)中的坐标对应关系为

式中的R_rot为光学系统的虚拟回转半径，用于表征光学系统所处在的圆柱面的大小，机床加工坐标系和光学系统坐标系图示如图2所示，其中M1，M2，M3和M4是光学系统中的4个反射镜(实际实施过程中反射镜的数量不限于4个)。

本发明中提到的一体免装调加工方式适合于加工离轴多反成像系统，根据加工系统结构特点，在光学设计阶段，需要将光学系统的各个自由曲面反射镜大致分布在一个圆柱上。在对离轴多反成像系统进行加工时，先将光学系统安装在主轴上，这里需要将待加工的光学系统回转中心与机床主轴中心保持一致。主轴带动工件进行旋转，与此同时金刚石刀具在快速运动控制系统伺服控制下沿着X轴方向进行运动。在一圈中主轴旋转至不同角度时，根据要加工的面形控制刀具在X轴方向上移动的距离。这样在主轴旋转完成一圈后，刀具即在工件上产生了一圈连续的切削，各个位置切削的深度与转到对应角度时刀具在X轴方向上的移动距离有关。每加工一圈刀具在Z轴方向进行进给，依次加工每一圈从而实现对整个离轴多反成像系统内部面形的加工。从上述加工过程分析，需要准确地得到光学系统回转中心与虚拟回转半径R_rot和采样点点距、每层之间的螺距等参数。其中点距和螺距需在确定刀具半径的参数下，根据残高小于50nm来确定，回转中行和回转半径确定方法如下。

在本发明中，将转轴中心到刀具的距离作为虚拟回转半径。对一个确定的截面，认为虚拟回转半径为一定值。当加工某一点时，转轴中心与该点的距离必然等于回转半径，在某一截面中，以加工目标面截线上各点为圆心，回转半径R_rot为半径作圆，如图3所示，由图可知，需要保证各个圆不能包含工件内所有空间，在此情况下回转半径越大，各个轴所需的运动位移量越少，此时在回转半径尽可能大的情况下，将回转中心放置于各个圆都不包含的中心区域处能使各轴运动更少。对于中心区域，选取某一点定为回转中心，从使各轴运动尽可能少的角度考虑，应使各点到回转中心的分布尽可能密集，所以可以通过计算方差的方式求取回转中心位置，假设中心区域有N个点，此时他们之间的关系为：

通过上式获得，即为理想回转中心位置(P,Q)和回转半径。用该方法计算得到的回转中心实际上是目标加工面截线的内接圆，即控制回转半径R_rot使得中心区域缩小到正好只有一个点，该点即为内接圆圆心，每一层理想情况下将回转中心放置于此能保证各个轴运动最小。对于所有截面，分别用此方法计算求得每一层的回转中心位置和回转半径，求取其平均值作为实际装调时的回转中心位置，并计算获得回转半径。

设计好回转中心后，要想精确地控制刀具移动，还需要根据目标加工面设计好刀具路径，确定对应每一层每一个角度刀具的准确位置。在这一步中主要需要考虑两个问题：刀具路径平滑处理和刀具半径补偿。

对于实际镜面部分，刀具按照面形加工即可，但是当主轴旋转使得刀具正好对准空隙时，则要考虑此处刀具的运动情况，应该保证这些地方刀具运动不能对加工面产生影响且刀具不能有特别大的运动突变。在此处考虑使用插值的方法进行路径平滑处理，对空隙两端的加工面进行插值，使插值处理后连接处平滑过渡，此时各个运动轴的运动轨迹是C²连续的。

在进行离轴多反成像系统的超精密加工时，刀具不能再视为一个理想质点，需要考虑其具体几何形状对加工带来的影响，若按理想质点设计路径，有可能会在目标切削点周围产生过切或是无法准确切削某一点从而影响加工质量，因此在路径规划中需要考虑刀具半径补偿的问题。刀具采用圆弧形刀具，即刀具前端为微小圆弧。原理如图4所示。首先按照刀具为理想质点的方式计算出理想情况下的刀具路径，在这种情况下加上刀具圆弧半径后考虑过切的情况，计算出目标面形和到刀具圆弧在X轴方向上对应每一点的距离，并计算出这些距离中的最大值即图中d_max，其计算方式为

d_max＝max{f(y,z)-g(y,z)} (3)

其中x＝f(y,z)为目标面形方程，x＝g(y,z)为刀具圆弧表达式。

控制刀具在X轴方向上移动此最大值，即可使得最终刀具圆弧与加工面只有一个相切点，即产生该最大距离处对应的点，即从图中A₁点移动到A₂点。最后的这个相切点A₂即为补偿后新的切削点。该方式的刀具补偿参考了车削加工中常用的补偿方式，只进行了X轴方向的平移补偿，操作简单且便于控制。实际加工时刀具的路径应为补偿后刀具中心的路径。

本发明采用一种一体免装调的方式加工离轴多反成像系统，实现了先装调后加工的加工方式，对比之前常用的加工完之后再进行装调的方式，从根本上解决了自由曲面光学系统的状态难题，该方式很大程度上提高了效率和精度。主轴旋转一圈同时对多个反射镜面进行连续加工，极大程度提高了效率，同时该方式加工出的离轴多反成像系统最终面形和位置的精度主要由加工过程来决定，即主要通过超精密机床来控制而不是通过机械装调控制，大大提高了系统精度。

本发明采用了一种一体免装调的方式加工离轴多反成像系统，从根本上解决了自由曲面光学系统的状态难题。具体步骤如下：

1.根据实际需求和加工方法特性设计满足条件的离轴多反成像系统，通过光学仿真分析并保证设计满足所要求光学条件，同时尽可能使得反射镜面形满足加工装置结构约束特性；

2.对设计的系统面形进行分析，根据X轴方向上的投影分布进行拟合，确定出回转中心位置(P,Q)和回转半径R_rot。

当加工某一点时，转轴中心与该点的距离必然等于回转半径，在某一截面中，以加工目标面截线上各点为圆心，回转半径R_rot为半径作圆，如图3所示，由图可知，需要保证各个圆不能包含工件内所有空间，在此情况下回转半径越大，各个轴所需的运动位移量越少，此时在回转半径尽可能大的情况下，将回转中心放置于各个圆都不包含的中心区域处能使各轴运动更少。对于中心区域，选取某一点定为回转中心，从使各轴运动尽可能少的角度考虑，应使各点到回转中心的分布尽可能密集，所以可以通过计算方差的方式求取回转中心位置，假设中心区域有N个点，此时他们之间的关系为：

通过上式获得，即为理想回转中心位置(P,Q)和回转半径。用该方法计算得到的回转中心实际上是目标加工面截线的内接圆，即控制回转半径R_rot使得中心区域缩小到正好只有一个点，该点即为内接圆圆心，每一层理想情况下将回转中心放置于此能保证各个轴运动最小。对于所有截面，分别用此方法计算求得每一层的回转中心位置和回转半径，求取其平均值作为实际装调时的回转中心位置，并计算获得回转半径。

3.根据加工特性、具体面形和材料的切削性能，设计合适的切削参数和刀具几何参数；

4.根据设计好的加工参数进行刀具路径的生成，之后对其进行刀具补偿得到补偿后实际的刀具路径，补偿方法为X轴方向的平移补偿，最后对加工的刀具路径进行平滑，平滑方法为按照C轴运动为基准，分别对Z轴和X轴的运动轨迹进行平滑，使得各个运动轴的运动轨迹和最终加工刀具轨迹是C²连续的。此处刀具采用圆弧形刀具，即刀具前端为微小圆弧。原理如图4所示。首先按照刀具为理想质点的方式计算出理想情况下的刀具路径，在这种情况下加上刀具圆弧半径后考虑过切的情况，计算出目标面形和到刀具圆弧在X轴方向上对应每一点的距离，并计算出这些距离中的最大值即图4中d_max，其计算方式为

d_max＝max{f(Z)-g(Z)} (3)

其中X＝g(Z)为刀具圆弧表达式，X＝f(Z)为加工面目标面形表达式，该表达式是通过上文(1)式的坐标变换式将光学系统坐标系下目标面形的表达式转换到加工坐标系下，两个表达式均是加工坐标系XZC中的表达式。

5.工件粘接在不锈钢平板上并吸附于机床主轴，确定工件中心与主轴回转中心保持一致，加工时主轴旋转带动工件旋转，刀具在X轴方向上往复运动，转动至不同角度时切削不同深度，同时结合Z轴方向的进给，完成整个面形的加工；

6.对加工好的离轴三反成像系统进行相关面形和光学性能测试，确保其满足实际需求。

本实施例提及的离轴多反成像系统选用了一个离轴三反成像系统，如图5所示，该系统由三个自由曲面反射镜构成。步骤1中，在通过满足本发明提出的加工方式约束下的光学设计步骤所三个自由曲面的分布情况如图5所示，其中，每个反射镜在其自身的局部坐标系下，各个局部坐标系在全局坐标系o-xyz中的位置如表1所示，表2为其各个反射镜局部坐标系在全局坐标系中的位置，各个自由曲面的表达式为XY多项式，即

各项系数如表1所示。该系统的所需要主轴行程范围小于20mm，可以达到较小的形成移动量要求的。

具体实施方式中采用的选定回转中心的方式采用式(2)所述的方式，根据所设计的离轴三反成像系统，所获得的中心坐标在光学系统中的坐标位置(P,Q)为(–2.0740,–2.1673)，R_rot＝152.6765mm。

具体实施方式中所采用的刀具圆弧半径为2mm，加工工艺参数为螺距10μm，点距2μm。

具体实施方式中所述的加工补偿采用的是单方向位移补偿的方式补偿方式，按照式(3)所提供的计算方式，而适当的路径插值方式此处采用的是C²连续的Hermite插值，插值的公式记为H(x,y,z)＝0。对于加工空间面形为F(x,y,z)＝0的光学系统面形而言，为了满足C²连续条件，要求在加工反射镜口径边缘处(x₀,y₀,z₀)应满足

F(x₀,y₀,z₀)＝H(x₀,y₀,z₀)，dF＝dH (5)

或者

式中的(u,v,w)指的是为加工部分的坐标，α_j和β_j分别表示插值多项式，此时所获得的各个运动轴的关系以及加工轨迹如图6所示。在此情况下，可以达到加工轨迹平滑的效果。

表1各反射镜面形参数

表2局部坐标系与全局坐标系关系

注：原点位置为局部坐标系的原点在全局坐标系中的位置，Z轴矢量为Z轴的方向在全局坐标系中的矢量方向。

Claims (1)

1.一种离轴多反成像系统加工方法，包括下列步骤：

(1)设计满足实际需求的离轴多反成像系统，通过光学仿真分析并保证设计满足所要求光学条件，同时尽可能使得反射镜面形满足加工装置结构约束特性，称待加工的反射镜毛坯为工件；对所设计的离轴多反成像系统面形进行分析，根据X轴方向上的投影分布进行拟合，确定回转中心位置(P,Q)和回转半径R_rot；其中，确定回转中心位置(P,Q)和回转半径R_rot的方法如下：

当加工某一点时，转轴中心与该点的距离等于回转半径，在某一截面中，以目标加工面截线上各点为圆心，回转半径R_rot为半径作圆，需要保证各个圆不能包含该截面上工件内所有空间，在此情况下回转半径越大，各个轴所需的运动位移量越少，此时在回转半径尽可能大的情况下，将回转中心放置于各个圆都不包含的中心区域处能使各轴运动更少，对于中心区域，选取某一点定为回转中心，从使各轴运动尽可能少的角度考虑，应使各点到回转中心的分布尽可能密集，通过计算该截面上加工目标面各点到回转中心距离的方差，并求其最小值的方式求取回转中心位置，得到理想回转中心位置(P,Q)和回转半径；用该方法计算得到的回转中心实际上是目标加工面截线的内接圆圆心，即控制回转半径R_rot使得中心区域缩小到正好只有一个点，该点即为内接圆圆心，每一层理想情况下将回转中心放置于此能保证各个轴运动最小，对于所有截面，分别用此方法计算求得每一层的回转中心位置和回转半径，求取其平均值作为实际装调时的回转中心位置，并计算获得回转半径；

(2)根据加工特性、具体面形和材料的切削性能，设计合适的切削参数和刀具几何参数；

(3)根据设计好的加工参数进行刀具路径的生成，之后对其进行刀具补偿得到补偿后实际的刀具路径，补偿方法为X轴方向的平移补偿，最后对加工的刀具路径进行平滑，平滑方法为按照C轴运动为基准，分别对Z轴和X轴的运动轨迹进行平滑，使得各个运动轴的运动轨迹和最终加工刀具轨迹是C²连续的；

(4)将工件吸附于机床主轴，确定工件中心与主轴回转中心保持一致，加工时主轴旋转带动工件旋转，刀具在X轴方向上往复运动，转动至不同角度时切削不同深度，同时结合Z轴方向的进给，完成整个面形的加工。

Images