CN110625629B - 一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，具体过程为：固定大口径光学元件使其竖直放置，并在光学元件前方搭建检测系统和加工系统；检测系统位于光学元件的正前方，主要由CGH光学补偿器和干涉仪构成；加工系统位于光学元件与检测系统之间，主要由移动导轨、机械臂底座、机械臂及磁流变加工设备组成；在光学检测过程中，坐落在移动导轨之上的机械臂先移动到检测光路之外；待检测完成后，机械臂沿导轨缓慢移动到指定的加工工位，然后开启磁流变设备，进入加工工序；不断重复检测、加工过程，直至光学元件的面形达到设定精度。该方法能够大幅度提高大口径光学复杂曲面的加工检测效率。

Description

一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法

技术领域

本发明属于光学加工检测技术领域，具体涉及一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法。

背景技术

在使用传统的数控机床抛光大口径光学元件时，光学元件的状态都是水平放置，待检测时再把光学元件放置于竖直状态进行检测。这种状态的更迭对于中小口径问题不大，但对于这种大口径的光学元件在水平与竖直两种状态进行反复更迭则会带来很多的麻烦，安全是一个至关重要的因素，而浪费的时间也是一个很关键的因素。那么大口径光学元件在整个加工检测过程中最好处于一个单一的状态，如果采用水平方式放置，检测过程是一个很大的难点，整个光路需要垂直，则必须建立高塔来把干涉仪支撑起来。对于曲率半径较小的光学元件问题不大，但对于曲率半径大的光学元件则需要建立一个非常高的检测塔才能完成检测工作，投入的成本无疑是巨大的。因此，把大口径光学元件竖直放置则是一个较好的选择，在光学元件竖直的状态下能够加工的现有工艺只有离子束和磁流变两种工艺，但离子束需要在真空条件下才能进行，因此针对此方案要求只有磁流变工艺能满足要求。

发明内容

本发明的目的是提高大口径光学复杂曲面的加工检测效率，提出一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，该方法能够大幅度提高大口径光学复杂曲面的加工检测效率。

实现本发明的技术方案如下：

一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，具体过程为：

步骤一，固定大口径光学元件使其竖直放置，并在光学元件前方搭建检测系统和加工系统；所述检测系统位于光学元件的正前方，主要由CGH(ComputerGeneratedHologram,计算全息图)光学补偿器和干涉仪构成；所述加工系统位于光学元件与检测系统之间，主要由移动导轨、机械臂底座、机械臂及磁流变加工设备组成，所述机械臂通过机械臂底座安装于移动导轨上，所述磁流变加工设备安装于机械臂的末端；

步骤二，在光学检测过程中，坐落在移动导轨之上的机械臂先移动到检测光路之外；待检测完成后，机械臂沿导轨缓慢移动到指定的加工工位，然后开启磁流变设备，进入加工工序；

步骤三，不断重复检测、加工过程，直至光学元件的面形达到设定精度。

进一步地，本发明在搭建好检测系统后，需要先对其进行对准，具体过程为：

(1)对准CGH补偿器和干涉仪，在光学元件的多个对准区形成十字线，调节CGH补偿器和干涉仪的空间位置，使得所述十字线与光学元件对准区中的刻线对齐，完成光路粗调；

(2)调节CGH补偿器和干涉仪的空间位置，使得光学元件反射回来的光线形成理想的零干涉条纹，实现光路精调。

有益效果

本发明采用将CGH补偿器和磁流变加工工艺对光学元件进行检测和加工，使得待加工的光学元件在检测和加工过程中能够始终保持在竖直方向，相比于现有大口径光学元件的加工，该方法非常方便灵活，人员参与度最小，能有效的提高了加工检测效率。

附图说明

图1是大口径光学复杂曲面立式加工检测集成方案示意图。

图2是大口径光学复杂曲面立式加工状态工位示意图。

图3是大口径光学复杂曲面立式检测状态工位示意图。

其中，1.2米口径碳化硅复杂曲面反射镜，2.机械臂，3.磁流变加工设备，4.机械臂底座，5.运动导轨，6.反射镜调整架，7.CGH光学补偿器，8.高精度干涉仪，9.位于CGH和干涉仪之间的检测光路，10.位于CGH和反射镜之间的检测光路。

具体实施过程

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，具体过程为：

首先，固定大口径光学元件使其竖直放置，且在以后加工检测过程中均不对其进行移动，在光学元件前方搭建检测系统和加工系统；所述检测系统位于光学元件的正前方，主要由CGH光学补偿器和干涉仪构成；所述加工系统位于光学元件与检测系统之间，主要由移动导轨、机械臂底座、机械臂及磁流变加工设备组成，所述机械臂通过机械臂底座安装于移动导轨上，所述磁流变加工设备安装于机械臂的末端；由于在CGH光学补偿器和大口径光学元件之间的光路距离足够长，完全可以放置磁流变加工设备、机械臂及相应的配件如机械臂底座及移动导轨等。

其次，在光学检测过程中，坐落在移动导轨之上的机械臂先移动到检测光路之外不对光路产生任何遮挡；待检测完成后，机械臂沿导轨缓慢移动到指定的加工工位，然后开启磁流变设备，进入加工工序。

再次，加工过程完成后，关闭磁流变设备，移动机械臂到光路以外的区域，再对加工好的面进行清理、检测，不断重复检测、加工过程，直至光学元件的面形达到设定精度为止。

本发明方法非常方便灵活，人员参与度最小，能够大幅度提高大口径光学复杂曲面的加工检测效率。首先，由于大口径光学元件的质量大，不方便移动，因此要把光学元件的位置固定，从既能适合加工又能适合检测的角度出发，光学元件采用处于竖直的状态，同时根据光学元件的位置以及光学设计的参数搭建实际光路，即设定检测系统的初始位置。其次，在检测方案中，采用了CGH补偿器，其具有调整灵活且检测精度较高等优势；在加工方案中，由于光学元件处于竖直状态，如果采用传统的CCOS技术则散粒磨料的脱落将会导致光学工件的无效加工，如果采用离子束工艺，由于光学元件口径的限制无法灵活的进出真空罐，因此本发明采用加工压力较小的磁流变加工工艺；同时，由于磁流变工艺工作在常压状态，并且不存在磨料脱落的问题，其成为了本发明方案中最优的加工手段。最后，本发明中采用立式加工与检测，运动执行机构若采取传统的数控机床的方式，传统机床不仅占地面积大而且移动不灵活，无法有效实现立式加工检测方案的要求，本发明采用中型载荷的机械臂来完成运动执行机构的功能，机械臂不仅末端空间定位精度满足磁流变加工工艺的要求，而且占地面积小、末端移动速度快、整机位置移动灵活。

实例：

首先把2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1放置于反射镜调整架6之上，并保证2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1与水平面垂直。在反射镜调整架6前方的一定距离处布置两条平行钢质运动导轨5，在运动导轨5上面安放机械臂底座4，之后把机械臂2固定于机械臂底座4之上，机械臂底座4的主要目的是调节机械臂2的工作高度使得机械臂2的工作范围完全覆盖2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1。接下来要把磁流变加工设备3安装于机械臂2的末端，使之具备完整的磁流变加工能力。全部安装结束后，把机械臂2沿运动导轨5移动到2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的侧方，完全不干扰2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的光学检测过程。

接下来是2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的检测过程，由于2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的状态已经是垂直于水平，这样便可以以2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的状态为基准搭建检测光路。光路搭建过程如图3中所示，在2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1正前方的特定空间位置分别搭建CGH补偿器7、高精度干涉仪8，在CGH和干涉仪之间形成检测光路9，在CGH和反射镜之间形成检测光路10，然后分别调节CGH补偿器7、高精度干涉仪8各空间姿态，首先要把CGH补偿器7、高精度干涉仪8的位置调整至最佳，即CGH补偿器7与高精度干涉仪8对准。之后由CGH补偿器7衍射出的光线会在2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的多个对准区形成2-4个清晰的十字线，利用这几个十字线来同时调节CGH补偿器7、高精度干涉仪8的空间位置使得形成的十字线与2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的多个对准区中的刻线对齐，至此完成了光路粗调工作。接下来再利用高精度干涉仪8中形成的干涉条纹来精确调整CGH补偿器7、高精度干涉仪8的空间位置，使得由2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1反射回来的光线形成理想的零干涉条纹，之后利用高精度干涉仪8自带的光学面形检测软件进行测量，即可获得2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的实际面形分布；零干涉条纹是指反射镜与补偿器发出的标准非球面波严格意义上的重合，不存在任何倾斜。检测光线在反射镜上的每一点均沿着其法线方向入射，然后反射回干涉仪的光线在CCD上便会形成干涉条纹。满足上述条件后即可出现理想的零干涉条纹。

在获得了2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的面形分布后，利用此结果生成加工控制文件，来指导机械臂2携带磁流变加工设备3来对2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1进行下一步的面形加工工作。

在生成加工控制文件后，把机械臂底座4移动到指定的加工工位，然后对磁流变加工设备3与2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的空间位置进行标定，然后把标定值重新输入给加工控制文件，生成最终加工控制代码输入到机械臂2的控制设备中。接下来要给磁流变加工设备3注入磁流变液，让其正常循环起来，使磁流变加工设备3具备实际加工能力，稳定运行5-10分钟后即可进入加工状态，整个加工工位如图2所示。

加工过程结束后又进入检测过程，这样不断重复此过程，直到2米口径碳化硅复杂曲面反射镜1的面形达到指定精度便可完成整个过程。在整个实施过程要对加工检测环境的温度及气流扰动等因素进行严格的控制。整个检测光路需要搭建到隔震平台之上。

综上所述，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 (2)

1.一种大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一，固定大口径光学元件使其竖直放置，并在光学元件前方搭建检测系统和加工系统；所述检测系统位于光学元件的正前方，主要由CGH光学补偿器和干涉仪构成；所述加工系统位于光学元件与检测系统之间，主要由移动导轨、机械臂底座、机械臂及磁流变加工设备组成，所述机械臂通过机械臂底座安装于移动导轨上，所述磁流变加工设备安装于机械臂的末端；

步骤二，在光学检测过程中，坐落在移动导轨之上的机械臂先移动到检测光路之外；待检测完成后，机械臂沿导轨缓慢移动到指定的加工工位，然后开启磁流变设备，进入加工工序；

步骤三，不断重复检测、加工过程，直至光学元件的面形达到设定精度。

2.根据权利要求1所述大口径光学复杂曲面的立式加工检测集成方法，其特征在于，在搭建好检测系统后，需要先对其进行对准，具体过程为：

(1)对准CGH补偿器和干涉仪，在光学元件的多个对准区形成十字线，调节CGH补偿器和干涉仪的空间位置，使得所述十字线与光学元件对准区中的刻线对齐，完成光路粗调；

(2)调节CGH补偿器和干涉仪的空间位置，使得光学元件反射回来的光线形成理想的零干涉条纹，实现光路精调。

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