SU878530A1

SU878530A1 - Method of formation of optical surfaces

Info

Publication number: SU878530A1
Application number: SU792722115A
Authority: SU
Inventors: Александр Михайлович Прохоров; Евгений Васильевич Трушин; Эдуард Александрович Витриченко; Олег Александрович Евсеев
Original assignee: Институт космических исследований АН СССР
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1981-11-07
Also published as: JPS55125972A; DE3004386A1; FR2448417B1; DE3004386C2; FR2448417A1

Abstract

The control system is intended for finish-shaping of an optical surface (of 2) by moving (12, 20, 21, 13) a tool (16), whose diameter is substantially smaller than that of the workpiece (2), relative to its surface. It comprises a work position sensor (6), a tool position sensor (9), a tool pressure sensor (15), and an electronic computer (8) receiving signals from the sensors. A first circuit connected with sensors (9 and 6) determines the momentary coordinates of the work and the tool centre. Another circuit computes the tool pressure for given momentary coordinates withint he surface (2). A further circuit, in series with the first circuit, produces tool pressure control commands. The dwell time of the tool in areas of the surface is controlled (14, 18) via the sensor (9) and the tool position drive (12).

Description

Изобретение относитс к технологии производства оптических деталей, а именно к управл емому формообразованию оптических поверхностей произвольной формы.The invention relates to the production technology of optical parts, namely to controlled shaping of optical surfaces of arbitrary shape.

Известен способ формообразовани оп- 5 тических поверхностей произвольной формы , в соответствии с которым неподвижную обрабатываемую поверхность условно раздел ют на р д элементарных площадок, которые обрабатывают малым инструмен- ю том, причем ему сообщаетс така траектори движени по поверхности издели , котора обеспечивает съем заданного количества материала (например стекла) на каждой из элементарных площадок 1. 15A known method of forming optical surfaces of an arbitrary shape, according to which the fixed surface to be treated is conventionally divided into a number of elementary platforms, which are processed with a small tool, and it communicates such a trajectory of movement along the surface of the product, which ensures the removal of a specified amount material (for example glass) on each of the elementary sites 1. 15

Недостатками упом нутого способа вл ютс низка производительность технологического процесса на этапах получени асферических поверхностей с больщим уклонением от ближайщей сферы, а также 20 устранение зональных уклонений на предварительно асферизованных издели х.The disadvantages of this method are the low productivity of the technological process at the stages of obtaining aspherical surfaces with a large deviation from the nearest sphere, as well as the elimination of zone deviations on the previously aspherical products.

Известен также способ обработки оптических деталей, при котором производ т 25 разделение поверхности на р д элементарных площадок с последующим осуществлением управл емого съема материала на них с помощью малого инструмента по заданной программе 2.30There is also known a method of processing optical parts, in which 25 surfaces are divided into a number of elementary platforms with the subsequent implementation of controlled removal of material on them using a small tool according to a predetermined program 2.30

Недостатком этого способа вл етс низка производительность процесса.The disadvantage of this method is the low productivity of the process.

Целью изобретени вл етс повыщение производительности технологического процесса на основе комплексного рещени задачи травлени формообразованием высокоточных оптических поверхностей произвольной формы.The aim of the invention is to increase the productivity of the technological process on the basis of a comprehensive solution to the task of etching by shaping high-precision optical surfaces of arbitrary shape.

Эта цель достигаетс , во-первых, благодар распределению работы по формообразованию оптических поверхностей между двум различными технологическими процессами: процесс с радиальным управлением съема материала и процесс с локальным управлением, во-вторых, благодар применению геометрического дискретного метода контрол формы обрабатываемых изделий в двух модификаци х: радиальной и полноразмерной, в-третьих, осуществлению взаимосв зи между параметрами управлени упом нутых технологических установок, технологическими константами и данными контрол формы обрабатываемых поверхностей с помощью формализованного математического аппарата (алгоритмов ).This goal is achieved, firstly, due to the distribution of work on shaping optical surfaces between two different technological processes: a process with radially controlled material removal and a process with local control, secondly, by applying a geometric discrete method to control the shape of processed products in two modifications : radial and full-size, thirdly, the implementation of the relationship between the control parameters of the mentioned technological installations, technological constants and and data controlling the shape of the processed surfaces with the help of a formalized mathematical apparatus (algorithms).

На фиг. 1 изображена обща блок-схема; на фиг. 2 - схема радиального геометрического дискретного метода контрол (РГДМ); на фиг. 3 - типичный вид снимка 3 после экспозиции; на фиг. 4 - принцип работы технологической установки с радиальным управлением (ТУРУ); на фиг. 5- принцип работы технологической установки с локальным управлением (ТУЛУ).5 Обща блок-схема, по сн юща данный способ, показана на фиг. 1, где начало 1 доводочного процесса, блок 2 контрол оптической поверхности методом РГДМ, проверка 3 услови : необходимо ли пере-10 ходить на окончательную доводку, расчет 4 режима дл обработки ТУРУ, реализаци 5 ТУРУ. Если в блоке 3 содержитс рекомендаци на окончательную доводку, то за этим блоком выполн етс блок 6 - конт-15 роль формы поверхности методом ПГДМ, проверка 7 услови на окончание работы. расчет 8 технологического режима дл ТУЛУ, реализаци 9 режима ТУЛУ, окончание 10 обработки оптической поверхно-20 сти. Одной из основных составных частей способа вл етс расчет технологического режима (блоки 4 и 8 на фиг. 1). Пусть форма оптической поверхности уклон етс от25 требуемой но закону (а), где Я- нормальное уклонение, а - обобщенна координата на оптической поверхности. Тогда технологический режим вычисл етс как: Р(а) КН(чу,). Здесь Р(а}-режим30 управл ющих воздействий, например неременных усилий прижима инструмента к детали . Л - оператор, учитывающий технологические особенности оптического станка и материалов: детали, инструмента и абра-35 зива. Блок контрол оптической поверхности РГДМ представл ет собой источник 11 света , помещенный в центре кривизны контролируемого издели 12, перед которой40 установлена диафрагма 13. Пучки света, пройд через отверсти диафрагмы, отразившись от поверхности издели , вновь проход т отверсти диафрагмы и собираютс в центре кривизны,45 вблизи от источника И, на некотором рассто нии от центра кривизны помещают светоприемное устройство 14 (например кассету с фотопластиной). На пластине остаютс изображени следов пучков све-50 та, прошедщих диафрагму. На фиг. 3 представлен типичный вид снимка после экспозиции . Здесь изображены следы пучков света 15 от основных отверстий диафрагмы и след пучка 16 от отверсти , характеризу-55 ющего ориентацию диафрагмы в контрольной схеме. Далее при помощи координатно-измерительного устройства определ ют координаты X, Y центров пучков. Закон расположени отверстий на реальной диа-60 фрагме и их координаты известны заранее. Обозначим их как и Уид. Реально измеренные координаты обозначим как Х и У. Тогда их разности ,} и 7-УВД будут характеризовать оптиче-65 87853 4 скую аберрацию дл каждого пучка отдельно . Величины Jf и Y используютс дл дальнейшего анализа, в результате которого определ ют значени нормальных уклонений в местах нроекции отверстий диафрагмы на контролируемое изделие, Процесс измерени и обработки снимка производ т автоматически при помощи сканирующего устройства, св занного с электронно вычислительной мащиной.Благодар дискретности РГДМ число одновременпо анализируемых точек не более 10. Врем обработки одного снимка не более 5 мин. Среднеквадратична погрешность определени нормальных уклонений пор дка 0,01 мкм. Далее, на основании значений нормальных уклонений выполн ют расчет технологического режима дл технологической установки с радиальным управлением (ТУРУ). При расчете режима учитывают технологические параметры ТУРУ и некоторые технологические константы. Более подробно алгоритм расчета изложен ниже, Принцип работы ТУРУ представлен на фиг. 4. Обрабатываемое изделие 12 закрепл ют на вращающейс планшайбе 17, малый инструмент 18 неремещаетс вдоль радиуса издели 12 с переменной скоростью , что обеспечивает величину съема материала, независимую от рассто ни , между осью вращени издели и осью вращени инструмента. Кроме того, усилие прижима инструмента 18 к обрабатываемой поверхности измен ют при помощи силового устройства 19 по программе, которую задают на основании расчета технологического режима. Дл определени относительных положений издели и инструмента , а также величины рабочего усили в процессе работы ТУРУ имеетс система, датчиков обратной св зи по положению 20, 21 и по усилию 22. Датчик 21 измер ет позиционный угол вращающегос издели , благодар чему на установке ТУРУ реализуют режим локального формообразовани , например устранение астигматизма у обрабатываемого издели . Управление ТУРУ производ т при номощи программного управл ющего устройства 23. Установка производит управл емый съем материала (например стекла) на р де последовательно расположенных кольцевых зон по всей поверхности издели . Например , дл плавленного кварца съем составл ет около 0,1 мкм/ч. Обработку изделий на ТУРУ производ т последовательно, череду контроль поверхности РГДМ, расчет режима обработки и осуществление режима на ТУРУ. Последовательные сеансы обработки продолжают до тех пор, пока качество обрабатываемой поверхности не будет соответствовать определенному математическому критерию, например , где А - максимальна амплитуда нормального профил усредненного по нескольким радиусам, ст - средн среднеквадратична ошибка. Это условие позвол ет оценить, превосход т ли зональные ошибки по амплитуде локальные. В случае его выполнени считают, что возможности ТУРУ исчерпаны и переход т к локальной обработке (ретуши) поверхности на технологической установке с локальным управлением (ТУЛУ).FIG. 1 is a general block diagram; in fig. 2 is a diagram of the radial geometric discrete control method (RGDM); in fig. 3 is a typical view of picture 3 after exposure; in fig. 4 - principle of operation of a radial controlled technological installation (TURU); in fig. 5 - the principle of operation of a process control plant with local control (TULU) .5 A general block diagram explaining this method is shown in FIG. 1, where the beginning of the 1 finishing process, the optical surface control unit 2 by the RGDM method, check 3 conditions: whether it is necessary to go to the final adjustment, calculation of 4 modes for TURU processing, implementation 5 TURU. If block 3 contains recommendations for final refinement, then block 6 - cont-15, the role of the surface shape using the PGDM method, checks for 7 conditions at the end of the work is performed behind this block. calculation 8 of the technological mode for TULU, the implementation of 9 of the TULU mode, the end 10 of the optical surface-20 processing. One of the main components of the method is the calculation of the technological mode (blocks 4 and 8 in Fig. 1). Let the shape of the optical surface evade from 25 required by law (a), where I is normal deviation and a is the generalized coordinate on the optical surface. The process mode is then calculated as: P (a) KN (chu,). Here, P (a} - mode 30 of control actions, for example, untimely efforts of pressing the tool to the part. L - operator, taking into account the technological features of the optical machine and materials: part, tool and abra-35 ziv. The control unit of the optical surface RGDM is a source 11 light placed in the center of curvature of the test article 12, in front of which 40 there is a diaphragm 13. Light beams, having passed through the apertures of the diaphragm, reflected from the surface of the product, re-pass the apertures of the diaphragm and collect in the center of The light-receiving device 14 (for example, a cassette with a photoplate) is placed at a distance from the center of curvature 45, near the source And. On the plate, images of traces of light-50 tu passed through the diaphragm remain. Fig. 3 shows a typical image after exposure Here are the traces of light beams 15 from the main apertures of the diaphragm and the trace of the beam 16 from the aperture characterizing the orientation of the diaphragm in the control circuit. Next, the coordinates X, Y of the centers of the beams are determined using a coordinate measuring device. The law of hole location on a real dia-60 fragment and their coordinates are known in advance. We denote them as Weed. The actually measured coordinates are denoted as X and Y. Then their differences,} and 7-ATC will characterize the optical aberration for each beam separately. The values of Jf and Y are used for further analysis, as a result of which the values of normal deviations are determined at the locations of the orifice of the diaphragm holes on the test item. The process of measuring and processing the image is performed automatically using a scanning device associated with an electronic computational mask. simultaneously analyzed points no more than 10. The processing time of one image is not more than 5 minutes. The rms error of determining normal deviations is in the order of 0.01 µm. Further, on the basis of the values of normal deviations, the technological mode is calculated for a radial controlled technological installation (TURU). When calculating the mode, the technological parameters of the TURU and some technological constants are taken into account. The calculation algorithm is described in more detail below. The principle of operation of the TURU is shown in FIG. 4. The workpiece 12 is fixed on the rotating faceplate 17, the small tool 18 is not moved along the radius of the product 12 at a variable speed, which provides a material removal rate independent of the distance between the axis of rotation of the product and the axis of rotation of the tool. In addition, the pressing force of the tool 18 to the surface to be treated is changed with the help of the power device 19 according to the program, which is set on the basis of the calculation of the technological mode. To determine the relative positions of the product and the tool, as well as the magnitude of the working force during operation of the TURU, there is a system of feedback sensors on the position 20, 21 and force 22. The sensor 21 measures the position angle of the rotating product, thereby implementing the TURU setting local shaping, for example, elimination of astigmatism in the workpiece. The control of the TURU is carried out with the help of a software control device 23. The installation produces a controlled removal of material (for example glass) on a number of successively located annular zones over the entire surface of the product. For example, for fused silica, the removal rate is about 0.1 µm / h. The processing of products on the TURU is carried out sequentially, a series of monitoring of the RGDM surface, calculation of the processing mode and implementation of the mode on the TURU. Sequential processing sessions continue until the quality of the surface to be processed meets a certain mathematical criterion, for example, where A is the maximum amplitude of the normal profile averaged over several radii, st is the mean root-mean-square error. This condition allows one to estimate whether the zonal errors in amplitude are local. In the case of its implementation, it is considered that the capabilities of the TURU have been exhausted and the transition to the local processing (retouching) of the surface at the technological plant with local control (TULU).

Изделие, радиальна обработка которого завершена, помещают в схему контрол полноразмерным геометрическим дискретным методом (ПГДМ). Принцип работы схемы ПГДМ аналогичен представленному на фиг. 2. Отличие состоит в применении диафрагмы с более часто расположенными отверсти ми, например в узлах сетки.The product, the radial processing of which is completed, is placed in the control circuit by the full-size geometric discrete method (PGDM). The principle of operation of the PGDM scheme is similar to that shown in FIG. 2. The difference is in the use of the diaphragm with more often located holes, for example, in the grid nodes.

Полученный снимок измер ют и обрабатывают по принципам, аналогичным РГДМ. Отличие состоит в том, что одновременно обрабатываетс массив данных около 10 отсчетов, это позвол ет получить карту оптической поверхности, характеризующую уклонение формы обрабатываемой поверхности от расчетной в р де точек по всей поверхности в микронах.The captured image is measured and processed according to principles similar to WHMD. The difference is that a dataset of about 10 samples is simultaneously processed; this allows obtaining an optical surface map characterizing the deviation of the shape of the processed surface from the calculated one in a number of points over the entire surface in microns.

По данным карты, технологическим параметрам установки и технологическим константам , о которых будет сообщено ниже, выполн ют расчет режима локальной обработки на ТУЛУ.According to the map, the technological parameters of the installation and the technological constants, which will be reported below, the local processing mode is calculated on TULU.

Принцип работы ТУЛУ представлен на фиг. 5. Обрабатываемое изделие 12 закрепл етс на неподвижной планшайбе 17, малый инструмент 18 имеет вращение вокруг вертикальной оси и может перемещатьс по поверхности издели в системе пр моугольных координат. Эффект локального управлени съемом материала достигают за счет программного изменени траектории движени инструмента и скорости его вращени при помощи устройства 4, обеспечивающего запоминание и отработку управл ющих воздействий.The principle of operation of the TULU is shown in FIG. 5. The workpiece 12 is fixed on the fixed faceplate 17, the small tool 18 has a rotation about the vertical axis and can move along the surface of the product in the system of rectangular coordinates. The effect of local control of material removal is achieved by programmatically changing the path of movement of the tool and the speed of its rotation with the help of device 4, which ensures the memorization and testing of control actions.

По сним процесс вычислени технологического режима на примере расчета режима лл обработки ТУРУ. Пусть методом РГДМ получен нормальный профиль вдоль радиуса оптической поверхности в виде (р), где р - радиус. Выберем в качестве управл ющего воздействи переменное усилие прижима инструмента к детали. Характеризуем настройку оптического станка функцией ф(р) -функци станка, описывающий нормированный съем материала при единичном усилии за единицу времени . Технологическую константу, вход щую в формулу Престон , обозначим через К. Тогда режим усилий прижима инструмента к ЛРТЯЛИ R ппостеЙ1 рм случае можно вычисл ть как Р(р)Я(р)/(ГТф(р), где Т - обща продолжительность технологического сеанса.The process of calculating the technological mode is illustrated by the example of calculating the mode of processing the TURU. Let the normal profile along the radius of the optical surface be obtained by the RHDM method in the form (p), where p is the radius. Let us choose as a control action a variable force of pressing the tool to the part. We characterize the tuning of the optical machine as a function of the f (p) machine function, which describes the normalized removal of material with a unit effort per unit time. Let us denote the technological constant entering the Preston formula by K. Then the mode of pressing the tool to the LRTILLA R case may be calculated as P (p) R (p) / (Gtf (r), where T is the total duration of the technological session .

При вычислении режима локальной ретуши используютс сведени о форме всей оптической поверхности. Нормальные уклонени , полученные методом ПГДМ, имеют вид (р, ф), где р и ф - пол рные координаты на оптической поверхности. Оператор А, в простейшем случае имеет вид (р. ф) ff(p, р)/(КТ(р). Функци станка дл вращающейс детали остаетс осесимметричной . Если же кинематическа схема оптического станка такова, что коэффициент покрыти и скоростной коэффициент одинаковы дл любой точки оптической поверхности , то в этом частном случае 11).When calculating the local retouching mode, information about the shape of the entire optical surface is used. Normal deviations obtained by the PGDM method have the form (p, φ), where ρ and φ are the polar coordinates on the optical surface. Operator A, in the simplest case, has the form (p. F) ff (p, p) / (CT (p). The machine function for the rotating part remains axisymmetric. If the kinematic scheme of the optical machine is such that the coverage factor and velocity coefficient are the same for any point of the optical surface, then in this particular case 11).

В самом общем же случае (,р, ф).In the most general case (, p, f).

Важно отметить, что предлагаемый способ вл етс универсальным во многих отнощени х . Его можно применить дл любой конструкции оптического станка, дл It is important to note that the proposed method is universal in many respects. It can be used for any optical machine design, for

любой формы оптической поверхности (в том числе и дл поверхностей, не имеющих симметрии), дл любых материалов, дл любого этапа обработки оптической поверхности: шлифовки или полировки.any form of an optical surface (including for surfaces without symmetry), for any materials, for any stage of processing an optical surface: grinding or polishing.

Способ позвол ет увеличить производительность технологического процесса формообразовани несферических оптических поверхностей произвольной формы не менее , чем в 10 раз, при этом ожидаемыйThe method allows to increase the productivity of the process of forming non-spherical optical surfaces of arbitrary shape by no less than 10 times, while the expected

экономический эффект, например при изготовлении асферических линз диаметром около 500 мм, составл ет около 300 тыс. руб. в год на одну технологическую систему .the economic effect, for example, in the manufacture of aspherical lenses with a diameter of about 500 mm, is about 300 thousand rubles. per year for one technological system.

Claims

Invention Formula

A method of forming optical surfaces in which the surface is divided into a number of elementary

sites with the subsequent implementation of a controlled volume of material on them using a small tool according to a given program, characterized in that, in order to increase the technological process, the processing is carried out in two stages: work distribution is distributed over one volume of a number of rings over the entire surface, the value of the tool pressing force is determined in the course of processing by the values of normal deviations to the removal rates of the material, while controlling the shape of the surface with a radius var In the second stage, the local structure on the product surface is eliminated by changing the tool pressing force on the relevant parts of the workpiece, the tool path is determined during processing based on the values of normal deviations and material volume coefficients when the surface is checked. control

Sources of information taken into account in the examination 1. US Patent No. 3587192, cl. 51-584,1971.

2. USSR author's certificate in application number 564026 / 25-08, cl. B 24 B 37/00, 1978.

CZZ)

"

// //

../../