CCOS邊緣效應(yīng)的小研拋盤修形修正方法*

杜　航，李圣怡，宋　辭

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410073；

2. 超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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CCOS邊緣效應(yīng)的小研拋盤修形修正方法*

杜航1，2，李圣怡1，2，宋辭1，2

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410073；

2. 超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面技術(shù)(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)是加工離軸非球面的一項(xiàng)重要技術(shù)。小磨頭拋光的邊緣效應(yīng)嚴(yán)重制約CCOS技術(shù)的加工精度和加工效率。在獲得影響邊緣效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)后，結(jié)合殘余誤差等高線的路徑規(guī)劃，對(duì)CCOS產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的翹邊現(xiàn)象進(jìn)行修正；通過對(duì)一塊體育場(chǎng)形離軸非球面的加工，獲得了全口徑光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，為后續(xù)精加工提供面形基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CCOS邊緣效應(yīng)；小工具研拋；離軸非球面加工

基于小研拋盤工具的計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面技術(shù)(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)技術(shù)是在傳統(tǒng)研拋技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用比工件尺寸小得多的研拋盤來實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡面加工的，通常簡(jiǎn)稱為小工具CCOS技術(shù)[1]。目前，該技術(shù)發(fā)展至今已比較成熟，已成為國(guó)內(nèi)非球面光學(xué)零件加工的主流技術(shù)，但邊緣效應(yīng)問題對(duì)其加工精度和效率仍存在較大影響。在CCOS加工過程中，邊緣效應(yīng)主要是由于研拋盤不能完全移出工件表面以及研拋運(yùn)動(dòng)到工件邊緣時(shí)與工件的相對(duì)壓力發(fā)生了變化造成的。解決邊緣效應(yīng)的傳統(tǒng)方法是在工件外圈鑲上一些墊塊，使研拋盤露出工件邊緣時(shí)保持接觸面積不變。但是這種方法對(duì)墊塊的形狀、材料性能及調(diào)整精度都有較高要求，要適應(yīng)CCOS加工的需要有一定的難度。

為了有效地控制“邊緣效應(yīng)”，技術(shù)人員做了大量工作，并且總結(jié)出如下一些經(jīng)驗(yàn)：[2]①研拋盤露邊量不超過研拋盤直徑的1/3；②盡量提高研拋盤在工作邊緣的運(yùn)行速度，減少磨頭單次研拋時(shí)間，實(shí)行快速多次的去除方法；③采用不同形狀的研拋盤；④盡量在模擬算法上補(bǔ)償壓力和覆蓋時(shí)間變化引起的去除函數(shù)變化。

以上經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)無法給加工進(jìn)行確定性指導(dǎo)。美國(guó)Arizona大學(xué)Kim等[3-4]提出了一種新型邊緣去除函數(shù)參數(shù)模型，該模型包含5個(gè)參數(shù)以便能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊緣去除函數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，Kim等提出的邊緣去除函數(shù)模型誤差范圍保持在5%～20%，這就意味著超過99%的初始面形誤差能夠在3次加工后得到修正。根據(jù)邊緣壓強(qiáng)分布的特點(diǎn)，墨西哥學(xué)者提出了一種新的壓強(qiáng)分布模型[5]，希望能夠合理近似地對(duì)邊緣壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的鄧偉杰等[6]采用邊緣壓強(qiáng)階躍分布模型，并通過理論推導(dǎo)，得出邊緣效應(yīng)下的去除函數(shù)計(jì)算模型。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的范斌等[7]分析了能動(dòng)磨盤分別位于工件中心孔和外緣處產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)，并建立相應(yīng)的邊緣效應(yīng)函數(shù)。以上學(xué)者都是針對(duì)邊緣效應(yīng)中的“急塌邊”現(xiàn)象進(jìn)行的分析實(shí)驗(yàn)。

1邊緣效應(yīng)形成機(jī)理

在CCOS加工中，為了達(dá)到確定性去除，必須保證研拋工具對(duì)工件表面的壓強(qiáng)穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)室CCOS設(shè)備通過穩(wěn)定氣壓保持“小工具”對(duì)工件表面的壓力恒定。如果研拋工具加工時(shí)不露邊，研拋工具對(duì)工件表面的壓強(qiáng)是穩(wěn)定的，從而所得到單位時(shí)間內(nèi)的去除量是穩(wěn)定的。在加工工件邊緣處時(shí)，當(dāng)研拋工具露出工件邊緣加工時(shí)，研拋工具與工件表面的接觸面積減少，但是研拋工具對(duì)工件表面的壓力恒定，因此研拋工具對(duì)工件表面的壓強(qiáng)增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致“塌邊”現(xiàn)象的出現(xiàn)?！八叀绷窟^大將會(huì)增加總體的材料去除量，降低加工效率。

在研拋過程中，研拋工具可以視為剛體，對(duì)其露邊方向的力矩進(jìn)行粗略分析。當(dāng)研拋盤露邊加工時(shí)，接觸區(qū)域不再是對(duì)稱的，為了保證力矩平衡，在研拋盤與工件邊緣處接觸的位置的壓強(qiáng)要大于內(nèi)部的壓強(qiáng)分布。根據(jù)這一現(xiàn)象，墨西哥學(xué)者提出了一種新的壓強(qiáng)分布模型：階躍分布模型，希望能夠合理近似地對(duì)邊緣壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。階躍模型示意圖[5]如圖1所示。

圖1　壓強(qiáng)階躍分布模型原理圖Fig.1　Pressure step distribution schematic diagram

如圖1所示，研拋盤與工件接觸區(qū)域被分為B，C兩個(gè)區(qū)域，兩區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)均為常數(shù)，但是兩者大小不同。

圖1中，s的大小可經(jīng)驗(yàn)性地設(shè)定為[8]：

(1)

式中，r2為研拋盤的半徑，t為研拋盤的露邊量。在實(shí)際加工過程中，研拋盤的露邊量是變化的，而在某一次加工過程中，研拋盤尺寸是固定的，通過式(1)可以看出，s的大小僅隨研拋盤露邊量的變化而變化。因此可將式(1)改寫成下列函數(shù)：

(2)

當(dāng)研拋盤對(duì)工件表面的壓強(qiáng)恒定時(shí)，函數(shù)s=f(t)進(jìn)行對(duì)t求導(dǎo)，并令其等于0，得到t=r2/2，即當(dāng)研拋盤露邊量為研拋盤半徑的一半時(shí)，s的寬度最大。從而計(jì)算出B，C兩個(gè)區(qū)域的大小，設(shè)B區(qū)域的壓強(qiáng)大小為PB，C區(qū)域的壓強(qiáng)大小為PC。B，C兩區(qū)域的壓強(qiáng)分布如圖2所示。

圖2　階躍模型壓強(qiáng)分布示意圖Fig.2　Diagram of pressure step distribution

從圖2可以直觀地看出，C區(qū)域所受的壓強(qiáng)明顯大于B區(qū)域所受的壓強(qiáng)，因此在研拋過程中，C區(qū)域的材料去除量也會(huì)更多，這就導(dǎo)致邊緣處出現(xiàn)“塌邊”現(xiàn)象。但是由于研拋盤是通過球鉸與自轉(zhuǎn)軸連接，研拋盤無法“走到”工件外面，這就導(dǎo)致了在工件邊緣“塌邊”處的內(nèi)側(cè)“翹邊”。雙轉(zhuǎn)子CCOS加工示意圖如圖3所示。

圖3　雙轉(zhuǎn)子CCOS加工示意圖Fig.3　Diagram of birotor CCOS figuring

畫出式(2)所示的s大小隨研拋盤露邊量的變化規(guī)律。以r2=30mm為例，畫出的變化規(guī)律曲線圖如圖4所示。

圖4　r2=30mm時(shí)，C區(qū)域?qū)挾萻隨研拋盤露邊量變化曲線圖Fig.4　Width of C area changing comply with reveal when r2=30mm

從圖4可以看出，為了減小邊緣“塌邊”的寬度，可行的辦法是減少研磨盤的露邊量。從而減少研磨盤的露邊量對(duì)反射鏡表面進(jìn)行修形，可以獲得邊緣處“塌邊”量較小面形，該面形必然會(huì)產(chǎn)生邊緣“翹邊”的現(xiàn)象，接著對(duì)抑制“翹邊”的辦法進(jìn)行研究。

2小尺寸研拋工具修邊工藝

控制研拋盤露邊量以使邊緣產(chǎn)生“翹邊”的現(xiàn)象后，“翹邊”的寬度約為去除函數(shù)尺寸的1/3，采用小尺寸研拋盤對(duì)此窄帶的翹邊區(qū)域進(jìn)行加工是直觀有效的一種方法。對(duì)于狹小的邊緣區(qū)域，普通的光柵掃描路徑與螺旋掃描路徑在實(shí)現(xiàn)中會(huì)帶來較大換行誤差，變化較大的駐留時(shí)間對(duì)應(yīng)了研磨頭較大的加速和減速運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)影響駐留時(shí)間模型的準(zhǔn)確性。只有當(dāng)軌跡上的駐留時(shí)間相近時(shí)，軌跡的速度變化較小，加減速所帶來的誤差可以相除。因此，軌跡上的駐留時(shí)間需要保持恒定，這意味著軌跡上殘留高度應(yīng)保持相近。本文使用一種基于殘余誤差等高線的路徑規(guī)劃，在邊緣局部區(qū)域?qū)βN邊進(jìn)行修正。

誤差曲面的等高圖反映了殘留誤差高度，同一條殘留誤差等高線上的點(diǎn)具有相同的殘留高度。因此，誤差曲面的等高圖是理想的軌跡曲線，確定它的前提條件是這些軌跡能夠由機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)。

典型的誤差曲面和它的等高圖如圖5所示。它由數(shù)個(gè)等高線組成。等高線上駐留點(diǎn)的分布密度由殘留誤差所決定。ρ=C/h，其中ρ為駐留點(diǎn)的密度，h為殘留高度，C為常量。

圖5　典型的誤差曲面和等高圖Fig.5　Typical surface error and contour map

3非球面反射鏡修邊實(shí)例

加工得到的SiC立軸非球面通過磨削開形、CCOS研磨修形達(dá)到三坐標(biāo)測(cè)量極限精度后，進(jìn)行CCOS拋光轉(zhuǎn)入光學(xué)測(cè)量，面形如圖6所示。研磨階段邊緣高點(diǎn)寬度控制在30mm左右。表面拋亮后進(jìn)行補(bǔ)償鏡零位測(cè)量，測(cè)量圖片如圖6所示。首次光學(xué)測(cè)量結(jié)果如圖7所示，對(duì)比三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果可以看出，光學(xué)測(cè)量中無條紋位置對(duì)應(yīng)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果中的高點(diǎn)，因此，利用小工具對(duì)邊緣高點(diǎn)進(jìn)行局部修形，以右下側(cè)高點(diǎn)為例，生成的等高線加工軌跡如圖8所示。

圖6　三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果Fig.6　Measuring result of three-dimension

圖7　零位補(bǔ)償光學(xué)測(cè)量結(jié)果Fig.7　Measuring result of zero position offset

圖8　等高線加工軌跡Fig.8　Figuring trace of contour map

經(jīng)過幾十個(gè)小時(shí)邊緣修形加工最終獲得全口徑面形數(shù)據(jù)，為后續(xù)精修拋光提供面形基礎(chǔ)。加工過程面形變化如圖9所示。

圖9　小工具研拋過程面形測(cè)量結(jié)果Fig.9　Surface measuring result in little tool figuring

4結(jié)論

在探討離軸非球面CCOS加工中邊緣效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，獲得影響CCOS產(chǎn)生邊緣效應(yīng)產(chǎn)生“塌邊”現(xiàn)象的關(guān)鍵工藝參數(shù)：露邊量。通過對(duì)露邊量的合理選擇，控制了CCOS加工過程“塌邊”現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生容易修形的“翹邊”。通過小工具等高線路徑加工的局部修形工藝，使“翹邊”現(xiàn)象得以緩解并獲得全口徑光學(xué)檢測(cè)面形，驗(yàn)證了工藝方法的可行性，為離軸非球面的高精度加工提供一種可控的修形方法。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]李圣怡,戴一帆.大中型光學(xué)非球面鏡制造與測(cè)量新技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

LI Shengyi, DAI Yifan. New technology for manufacturing and measurement of large and middle-scale aspheric surfaces[M].Beijing:National Defence Industry Press, 2011.(in Chinese)

[2]楊力.先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社, 2001.

YANG Li. Advanced optics manufacturing technology[M].Beijing:Science Press, 2001. (in Chinese)

[3]Kim D W, Park W H, Kim S W,et al. Edge tool influence function library using the parametric edge model for computer controlled optical surfacing[C]//Proceedings of SPIE,Optical Manufacturing and Testing Ⅷ, 2009.

[4]Kim D W, Park W H, Kim S W,et al. Parametric modeling of edge effects for polishing tool influence functions [J].Optics Express, 2009, 17(7):5656-5665.

[5]Cordero-Dávila A, González-García J, Pedrayes-López M, et al. Edge effects with the preston equation for a circular tool and workpiece[J]. Applied Optics, 2004, 43(6):1250-1254.

[6]鄧偉杰,張峰,鄭立功.邊緣效應(yīng)的去除函數(shù)模型及實(shí)驗(yàn)[J].紅外與激光工程, 2011, 40(9): 1743-1748.

DENG Weijie, ZHANG Feng, ZHENG Ligong. Removal function model and experiment of edge effect[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(9): 1743-1748. (in Chinese)

[7]范斌,曾志革,李曉今,等.大型非球面能動(dòng)磨盤精磨技術(shù)[J].紅外與激光工程, 2007, 30(6):873-876.

FAN Bin, ZENG Zhige, LI Xiaojin,et al. Fine grinding technology of active lap for large aspherics [J].Infrared and Laser Engineering, 2007, 30(6):873-876. (in Chinese)

[8]盧毅. SiC非球面反射鏡計(jì)算機(jī)控制研磨關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2014.

LU Yi. Study on the key techniques of computer controlled lapping for SiC aspheric mirrors [D].Changsha: National University of Defense Technology, 2014. (in Chinese)

http://journal.nudt.edu.cn

Correct method of the CCOS edge effect by little tool figuring

DUHang1，2,LIShengyi1，2,SONGCi1，2

(1. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；

2. Hunan key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：CCOS (Computer Controlled Optical Surfacing) is an important technology for off-axis aspheric surface processing. Edge effect of small tool manufacturing restricts the machining precision and efficiency of CCOS technology. After the key parameters of edge effect were obtained, the warping edge effect of CCOS combined with the residual error trace contour path planning was corrected. The full aperture optical measurement data of a stadium off-axis aspheric is achieved by processing, which provides the fundament for subsequent finishing.

Key words：computer controlled optical surfacing; edge effect; small tool polishing; off-axis aspheric surface processing

中圖分類號(hào)：TG664

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)06-030-04

作者簡(jiǎn)介：杜航(1989—)，男，山東菏澤人，博士研究生，E-mail：duhang.1989@163.com； 李圣怡(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：syli@nudt.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB013204);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51305451); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20134307120022)

收稿日期：*2015-08-23

doi:10.11887/j.cn.201506007