CN112658811B - 一种控制ccos修形边缘误差效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制CCOS修形边缘误差效应的方法，包括如下步骤：S1、测量目标工件的面形；S2、确定目标工件表面的材料去除量，根据目标工件的面形情况选择加工方式和与加工方式对应的去除函数，然后进行CCOS修形；若工件面形为翘边，则选择自转抛光方式和预先确定的自转抛光去除函数，否则选择双转子抛光方式和预先确定的双转子抛光去除函数；S3、测量目标工件的面形，若不满足要求，跳转步骤S2以进行迭代加工，否则结束加工。本发明所用设备简单，容易搭建，成本较低，具有对低、中、高精度的工件表面修形的能力，无需辗转于各加工设备，避免了因更换设备引起的误差，不仅有良好的修形能力，还能降低工件表面的粗糙度。

Description

一种控制CCOS修形边缘误差效应的方法

技术领域

本发明光学加工技术领域，具体涉及一种控制CCOS修形边缘误差效应的方法，用于实现高效率、高表面质量的修形加工。

背景技术

光学加工技术在航空、航天、电子、半导体等行业具有极其重要的地位，特别是要求高面形质量的精密光学元件是现代超精密光学系统的核心元件。在各种激光系统、微机电系统、激光陀螺、磁头加工、深紫外、X射线等领域都有非常重要的应用。

计算机控制光学表面技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)具有操作简单、加工效率和精度都较高，适用于现代流水线生产。但其加工的工件存在明显的边缘效应，限制了其加工精度的提升，会影响加工效果，需要对加工后的工件边缘在进行其他工艺处理，从而限制了工件的大规模生产效率和表面质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种工艺简单且能有效控制CCOS(计算机控制光学表面技术，Computer Controlled Optical Surfacing)修形边缘误差效应的方法。本发明具有对低、中、高精度的工件表面修形的能力，不需要辗转各种加工设备之间，避免了由于更换设备引起的各种误差，不仅对工件表面具有良好的修形能力，同时还可以降低工件表面的粗糙度，具有设备简单，容易搭建，成本较低等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种控制CCOS修形边缘误差效应的方法，包括如下步骤：

S1、测量目标工件的面形；

S2、确定目标工件表面的材料去除量，根据工件的面形情况选择加工方式和与加工方式对应的去除函数R(x,y)，然后进行CCOS修形；若工件面形为翘边，则选择自转抛光方式和预先确定的自转抛光去除函数R₁(x,y)，否则选择双转子抛光方式和预先确定的双转子抛光去除函数R₂(x,y)；

S3、测量所述目标工件的面形，若不满足要求，跳转步骤S2以进行迭代加工，否则结束加工。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，在步骤S2前，还包括确定所述与加工方式对应的去除函数R(x,y)的步骤，该步骤是通过调整工艺参数，使双转子抛光去除效率为自转抛光去除效率的整数倍，来确定自转抛光去除函数R₁(x,y)与双转子抛光去除函数R₂(x,y)。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，步骤S2中，在采用自转抛光方式或双转子抛光方式进行CCOS修形时，采用的工艺参数与确定对应抛光方式的去除函数的工艺参数相同。即采用自转抛光方式进行加工时，加工的工艺参数与确定自转抛光去除函数时采用的工艺参数一致，当采用双转子抛光方式进行加工时，加工的工艺参数与确定双转子抛光去除函数时采用的工艺参数一致。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，步骤S2中，在选择加工方式和与加工方式对应的去除函数R(x,y)后，以及在对所述目标工件进行CCOS修形前，还包括修正所述去除函数R(x,y)，然后确定加工路径并确定加工路径上各数据点的加工驻留时间D(x,y)的步骤。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)的确定方法包括如下步骤：

选择加工参数，在一块与目标工件相同材质的实验工件上进行双转子定点抛光，通过前后两次相对应位置进行点对点相减，得到相应的去除形状，获得双转子抛光去除函数R₂(x,y)和双转子抛光去除效率；然后通过调整工艺参数，进行自转定点抛光，选出自转抛光去除函数R₁(x,y)，以使所述双转子抛光去除效率为与该自转抛光去除函数R₁(x,y)对应的自转抛光去除效率的整数倍，从而获得所需的双转子抛光去除函数R₂(x,y)和自转抛光去除函数R₁(x,y)。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，在确定所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)的过程中，还包括进行验证所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)稳定性的定点抛光实验；

验证所述自转抛光去除函数R₁(x,y)稳定性的自转定点抛光实验采用的工艺参数与获取该抛光去除函数采用的工艺参数相同；

验证所述双转子抛光去除函数R₂(x,y)稳定性的双转子定点抛光实验采用的工艺参数与获取该抛光去除函数采用的工艺参数相同。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，修正所述去除函数包括：确定抛光盘边缘到工件边缘的距离E，根据E确定目标工件表面的实际压力分布函数P(x,y,t)，并采用P(x,y,t)对所述去除函数R(x,y)中的压力进行校正，来确定精确的去除函数。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，所述抛光盘边缘到目标工件边缘E的距离的取值为E≤1/3d，其中d为目标工件的直径。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，所述各数据点的加工驻留时间D(x,y)根据二维卷积计算公式确定，所述二维卷积计算公式为：

H(x,y)＝R(x,y)**D(x,y)，

其中，H(x,y)为工件表面材料去除量的分布函数，R(x,y)为抛光盘的去除函数。

上述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，优选地，步骤S2中，所述目标工件表面的材料去除量按照不过加工的原则确定。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明具有对中、高精度的工件表面修形的能力，不需要辗转各种加工设备之间，避免了由于更换设备引起的各种误差；该方法工艺简单、可控性强，不仅对工件表面具有修形能力，同时还可以降低工件表面的粗糙度，且也属于确定性加工，在确定参数下具有确定的去除函数，可提高工件的面形精度，实现具有良好面形精度的超光滑表面。

2、本发明利用现有设备，形成了一种在修形的同时能减少加工带来的缺陷的CCOS组合修形工艺，以达到降低边缘效应，使工件快速收敛的目的，使用的设备简单，容易搭建，成本较低，适用于大规模生产。

附图说明

图1为CCOS抛光装置示意图。

图2为CCOS抛光的加工流程图。

图3为双转子抛光工具的运动分析图。

图4为自转抛光工具的运动分析图。

图5为初始面形和粗糙度数据图。

图6为抛光路径及采样点信息图。

图7为双转子抛光后的面形和粗糙度数据图。

图8为自转抛光后的面形和粗糙度数据图。

具体实施方式

针对CCOS的边缘效应会影响其加工效果，限制了工件的大规模生产和表面质量等技术问题，本发明开发了一种工艺简单且能有效控制CCOS修形边缘误差效应的方法，该方法不需要辗转各种加工设备之间，包括双转子修形抛光和自转修形抛光方法，通过双转子修形和自转修形抛光组合工艺，采用适宜的工艺步骤和加工去除函数，不仅能对工件表面具有良好的修形能力，降低工件表面的粗糙度，还可以将表面加工过程产生的缺陷在完整的迭代次数下高效收敛。

本方法对工件表面的面形数据进行准确测量，得到表面高低点的分布情况；然后根据去除函数模型的去除效率分布，将面形数据的高低点和去除函数的高低点统一到抛光路径上，实现精确的点对点去除，再利用空间变化反卷积算法求解表面各点的驻留时间，根据抛光路径和驻留时间生成相应的控制程序，最终对工件进行表面抛光。

采用双转子修形和自转修形抛光组合的工艺，具体步骤如下：

一、获取去除函数：

根据实际工件及加工要求，优选一组工艺参数(包括压力、速度、抛光液、抛光盘材料、抛光盘尺寸、温度、偏心距等)测定其双转子抛光的去除函数，具体操作为：在一块与目标工件相同材质的实验工件上进行双转子定点抛光一定时间后，通过前后两次相对应位置进行点对点相减，得到相应的去除形状，获得其去除函数R₂(x,y)，并计算其对应的去除总量，获得其单位时间内的去除效率R₂，并在同一工况下连续进行多次试验，已验证双转子抛光去除函数的稳定性；然后通过修改压力和速度这些参数，在所述实验工件上进行自转定点抛光试验，优选出一个自转抛光去除函数R₁(x,y)，以使该自转抛光去除函数R₁(x,y)对应的自转抛光去除效率R₁与所述双转子抛光去除效率R₂之间为整数倍的关系，即R₂＝n*R₁，n为整数，并对优选出的自转抛光去除函数R₁(x,y)进行稳定性试验来验证自转去除函数的稳定性，即验证R₂＝n*R₁。最终获得所需的双转子抛光去除函数R₂(x,y)和自转抛光去除函数R₁(x,y)。去除函数的函数表达式为：

式中，(x，y)是某一点的位置坐标，K为比例常数，它由除速度和压力以外的所有因素决定；V为工件表面某一点(x，y)瞬时t的抛光速度，V＝V(x,y,t)；P为抛光盘施加于工件表面的压力。本步骤中，获取相应形状，除了能计算去除总量和单位时间的去除效率，还能获得去除函数尺寸范围内各点的去除效率，可用于后期驻留时间的计算。

二、测量目标工件的初始面形误差，获得其表面高低点数据分布，记为err0。

三、加工：

(1)根据初始面形形状选择相应的加工方式和去除函数，具体选择原则为：若为翘边，则选择自转抛光方式和自转抛光去除函数进行抛光；若为踏边，则选择双转子抛光方式和双转子抛光去除函数进行抛光；若无明显翘边或踏边，则优先选用双转子抛光方式和双转子抛光去除函数进行抛光。

(2)修正去除函数：确定露边量E，即抛光盘边缘到工件边缘的距离后，也就确定了实际加工时目标工件表面的实际压力分布函数P(x,y,t)，将加工时抛光盘施加于工件表面各点的实际压力P(x,y,t)(即目标工件表面的实际压力分布函数)反馈到去除函数的函数表达式(1)中，即令压力P＝P(x,y,t)，得到边缘区域更加精确的去除函数，以提高工件边缘区域(抛光盘覆盖区域以外的其它工件区域，即不与抛光盘对应的工件区域)的实际加工准确性。当E为0时，此时抛光盘在工件表面的压力分布基本没变，即整个加工工件表面各处的压力均是相同的，则不需要对压力进行校正，因而也不需要进一步调整抛光的去除函数。

本步骤中，优选取值为E≤1/3d，有利于降低加工后翘边或踏边的数值，其中E为露边量，d为目标工件的直径。

(3)抛光路径规划；

(4)计算抛光路径上各数据点的驻留时间：将目标工件表面的高低点数据和所选用去除函数去除效率的高低点相结合，就可得到整个目标工件表面材料去除量的分布函数H(x,y)，即：

H(x,y)＝∫_α∫_βR(x-α,y-β)D(α,β)dαdβ (2)，

式(2)中，(x,y)为工件上某点的位置坐标，α为x的变化范围，β为y的变化范围。

工件表面材料去除量的分布函数H(x,y)实质为抛光盘的去除函数R(x,y)与其驻留时间函数D(x,y)的二维卷积，即

H(x,y)＝R(x,y)**D(x,y) (3)，

根据表面材料去除量，采用公式(3)计算出各数据点的驻留时间。

(5)进行CCOS修形。

四、在完成一次加工后，对加工后表面面形误差进行测量，按照其测量数值的实际形状，根据步骤三中的原则选择加工方式和去除函数，进行迭代加工，直至达到所需要求。

本方法中，用自转抛光方式或双转子抛光方式进行加工时，采用的工艺参数与获取对应抛光去除函数时的工艺参数相同(包括压力、速度、抛光液、抛光盘材料、抛光盘尺寸、温度、偏心距等)。

以下将结合说明书具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，采用如图1的装置进行CCOS抛光，加工的流程图如图2所示。

本实施例的控制CCOS修形边缘误差效应的方法包含双转子抛光和自转抛光方法，其中，双转子抛光为行星轮系的抛光，即除了能围绕本身转动轴转动之外，还可以绕其它齿轮的轴线转动，通过行星轮系同时实现抛光盘的自转和绕公转轴的公转，再结合适宜的偏心率，获得的去除函数为中间去除效率高、边缘去除效率低的类高斯形去除函数，工件边缘易出现翘边现象。

自转抛光为只绕自身轴线转动的抛光，将行星轮系的公转电机关闭，只启用自转电机，获得的去除函数为中间去除效率低、边缘去除效率高的反高斯形去除函数，工件边缘易出现踏边现象。

图3为双转子抛光工具的运动分析图，图4为自转抛光工具的运动分析图，其中，O₁为公转中心；O₂为自转中心即抛光盘的中心；g为偏心距，即公转半径；r₀为抛光盘的半径；抛光盘的公转和自转角速度分别为ω₁和ω₂。双转子抛光盘的作用范围即去除函数覆盖区域的半径为g+r₀，自转抛光盘的作用范围即去除函数覆盖区域为半径r₀。

本实施例基于剪切增稠抛光的修形装置确定性去除的数学模型是Preston方程，即：

R(x,y)＝KV(x,y,t)P(x,y,t)

上式中，R(x,y)表示抛光盘的去除函数，K表示与被加工材料、工艺参数等有关的常数，P(x,y,t)表示在t时刻工件表面上某一点(x，y)与抛光盘间的压力，即为工件表面的实际压力分布函数，在t时刻V(x,y,t)表示该点(x，y)与抛光盘的相对运动速度。

本实施例的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，包括如下步骤：

一、确定去除函数：

根据实际工件及加工要求，优选一组工艺参数(包括压力、速度、抛光液、抛光盘材料、抛光盘尺寸、温度、偏心距等)测定其双转子抛光的去除函数，具体操作为：在一块与目标工件相同材质的实验工件上进行双转子定点抛光一定时间后，通过前后两次相对应位置进行点对点相减，得到相应的去除形状，获得双转子抛光去除函数R₂(x,y)，计算其对应的去除总量，获得其单位时间内的去除效率，记为R₂，并在同一工况下连续进行多次试验，以验证双转子抛光去除函数R₂(x,y)的稳定性。

然后通过修改压力和速度这些参数，进行自转定点抛光，最终优选出双转子抛光去除效率R₂为自转抛光去除效率R₁的整数倍对应的自转抛光去除函数R₁(x,y)，并对优选出的自转抛光去除函数R₁(x,y)进行稳定性试验，即通过自转定点抛光实验来验证双转子抛光去除函数R₂(x,y)的去除效率R₂与自转抛光去除函数R₁(x,y)的去除效率R₁之间的倍数关系的稳定性，即R₂＝n*R₁。最终获得所需的双转子抛光去除函数R₂(x,y)和自转抛光去除函数R₁(x,y)。去除函数的函数表达式为：

其中K为与被加工材料、工艺参数等有关的常数，V(x,y,t)为表面某一点瞬时的抛光速度，P为抛光压力。

二、测量工件初始面形；利用zygo干涉仪对目标工件表面面形误差进行测量，获得目标工件表面形貌的高低点数据分布，记为err0。其初始形貌的面形数据和粗糙度数据如图5所示。

三、加工，具体步骤如下：

1、根据工件面形情况选择抛光方式与对应于抛光方式的去除函数：工件表面的面形数据为踏边形貌，因此首先采用双转子抛光方法和双转子抛光的去除函数进行后续加工。

2、去除函数修正：根据选定的露边量为1/4d(该露边量是在获取双转子抛光去除函数时确定的)，计算抛光盘的实际压力P(x,y,t)，令P＝P(x,y,t)，来对去除函数R(x,y)中的P进行校正，得到精确去除函数(能提高工件边缘的去除函数的加工精度)，即

3、确定抛光路径：选取光栅作为整个目标工件表面的抛光路径，并每隔2mm选取一点作为数据采样点。抛光路径及采样点信息如图6所示。

4、求解驻留时间：按照不过加工的原则，即实际加工量需要低于理论计算值，选择需要去除的表面材料去除量H(x,y)，然后结合事先测得的抛光去除函数R(x,y)，求解各数据点的驻留时间，计算公式如下：H(x,y)＝R(x,y)**D(x,y)，

即利用目标工件表面材料去除量的分布函数H(x,y)实质为抛光盘的抛光去除函数R(x,y)与其驻留时间函数D(x,y)的二维卷积进行计算。

5、CCOS修形：根据实际抛光路径上各点的坐标及其驻留时间，通过编制的程序软件，转换成数控代码进行CCOS修形，加工的工艺参数与获取双转子抛光去除函数时的工艺参数相同。

四、测量加工后的工件面形，其经加工一次后的面形数据和粗糙度数据如图7所示，此时发现其面形数据为翘边形貌，因此采用自转抛光方式加工，工艺参数与获取自转抛光去除函数时的工艺参数相同，迭代两次后的面形数据和粗糙度数据如图8所示。

结果发现，工件表面面形PV从2.59λ降至1.878λ，后又降到0.383λ；面形RMS从0.527λ降至0.261λ，后又降至0.082λ。工件表面粗糙度RMS13.977nm降至6.734nm，后又降至1.337nm。这说明双转子和自转抛光组合工艺能极大地降低工件的边缘效应，加快面形的收敛速度，同时又降低了表面的粗糙度，提高了表面质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测量目标工件的面形；

S2、确定目标工件表面的材料去除量，根据工件的面形情况选择加工方式和与加工方式对应的去除函数R(x,y)，然后进行CCOS修形；若工件面形为翘边，则选择自转抛光方式和预先确定的自转抛光去除函数R₁(x,y)，否则选择双转子抛光方式和预先确定的双转子抛光去除函数R₂(x,y)；

S3、测量所述目标工件的面形，若不满足要求，跳转步骤S2以进行迭代加工，否则结束加工；

在步骤S2前，还包括确定所述与加工方式对应的去除函数R(x,y)的步骤，该步骤是通过调整工艺参数，使双转子抛光去除效率为自转抛光去除效率的整数倍，来确定自转抛光去除函数R₁(x,y)与双转子抛光去除函数R₂(x,y)。

2.如权利要求1所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，步骤S2中，在采用自转抛光方式或双转子抛光方式进行CCOS修形时，采用的工艺参数与确定对应抛光方式的去除函数的工艺参数相同。

3.如权利要求1所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，步骤S2中，在选择加工方式和与加工方式对应的去除函数R(x,y)后，以及在对所述目标工件进行CCOS修形前，还包括修正所述去除函数R(x,y)，然后确定加工路径并确定加工路径上各数据点的加工驻留时间D(x,y)的步骤。

4.如权利要求1所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)的确定方法包括如下步骤：

选择加工参数，在一块与目标工件相同材质的实验工件上进行双转子定点抛光，通过前后两次相对应位置进行点对点相减，得到相应的去除形状，获得双转子抛光去除函数R₂(x,y)和双转子抛光去除效率；然后通过调整工艺参数，进行自转定点抛光，选出自转抛光去除函数R₁(x,y)，以使所述双转子抛光去除效率为与该自转抛光去除函数R₁(x,y)对应的自转抛光去除效率的整数倍，从而获得所需的双转子抛光去除函数R₂(x,y)和自转抛光去除函数R₁(x,y)。

5.如权利要求4所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，在确定所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)的过程中，还包括进行验证所述自转抛光去除函数R₁(x,y)和双转子抛光去除函数R₂(x,y)稳定性的定点抛光实验；

验证所述自转抛光去除函数R₁(x,y)稳定性的自转定点抛光实验采用的工艺参数与获取该抛光去除函数采用的工艺参数相同；

验证所述双转子抛光去除函数R₂(x,y)稳定性的双转子定点抛光实验采用的工艺参数与获取该抛光去除函数采用的工艺参数相同。

6.如权利要求3所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，修正所述去除函数包括：确定抛光盘边缘到工件边缘的距离E，根据E确定目标工件表面的实际压力分布函数P(x,y,t)，并采用P(x,y,t)对所述去除函数R(x,y)中的压力进行校正，来确定精确的去除函数。

7.如权利要求6所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，所述抛光盘边缘到目标工件边缘E的距离的取值为E≤1/3d，其中d为目标工件的直径。

8.如权利要求3所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，所述各数据点的加工驻留时间D(x,y)根据二维卷积计算公式确定，所述二维卷积计算公式为：

H(x,y)＝R(x,y)**D(x,y)，

其中，H(x,y)为工件表面材料去除量的分布函数，R(x,y)为抛光盘的去除函数。

9.如权利要求1～3任意一项所述的控制CCOS修形边缘误差效应的方法，其特征在于，步骤S2中，所述目标工件表面的材料去除量按照不过加工的原则确定。

Images