影響方形非球面光學(xué)元件加工精度的工藝研究

王毅 許貴陽(yáng)

摘 要：本文主要對(duì)方形非球面光學(xué)元件的再加工檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，并且分析了影響到加工精度產(chǎn)生誤差的原因。對(duì)于方形非球面光學(xué)元件的精密磨削過(guò)程來(lái)說(shuō)，是能夠檢測(cè)出工程技術(shù)的關(guān)鍵步驟，是直接關(guān)系著方形非球面光學(xué)元件精度，能夠體現(xiàn)工程的好壞。本文通過(guò)對(duì)方形非球面光學(xué)元件在加工中各個(gè)工件旋轉(zhuǎn)軸（A，B，X，Y，C）等不同軸的速度與位置進(jìn)行了精確的檢測(cè)，并且對(duì)以上軸速與軸距做出了一定的調(diào)整，目的是為了更好更加順利的完成對(duì)方形非球面光學(xué)元件的加工與檢測(cè)，對(duì)工藝的改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)方形非球面光學(xué)元件的精密磨削，還能夠滿足設(shè)計(jì)提出的相關(guān)要求，更好的提升元器件的精密品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：方形非球面;磨削精度;影響;工藝研究

0 引言

雖然近年來(lái)我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)一直處于高速發(fā)展的階段，但是我國(guó)對(duì)于方形非球面光學(xué)元件的加工起步較晚，工藝依然只是處于初級(jí)階段，在工藝技術(shù)上還無(wú)法與國(guó)外起步較早的國(guó)家相提并論，且自身存在著加工精度低，生產(chǎn)效率低等影響。對(duì)于整個(gè)加工方形非球面光學(xué)元件的加工精度的主要影響因素就是在生產(chǎn)過(guò)程中的檢測(cè)問(wèn)題。對(duì)于方形非球面的加工過(guò)程一般是有三個(gè)步驟即：元件成型、元件精磨、元件拋光。在這三個(gè)步驟中尤其是在精磨階段的時(shí)候，需要對(duì)其精度有著嚴(yán)格的把控這樣才能夠制作成精磨的元件。因此需要在精磨的過(guò)程中需要加入數(shù)據(jù)測(cè)量來(lái)對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)補(bǔ)償加工，需要反復(fù)的進(jìn)行加工——檢測(cè)——再加工——再檢測(cè)，才能夠達(dá)到最終精密的加工要求。

1 對(duì)于方形非球面系統(tǒng)的加工原理介紹

對(duì)于在非球面光學(xué)元件的高精度加工磨削過(guò)程中，可以使用圓弧砂輪、平面砂輪、球面砂輪等砂輪進(jìn)行加工。但是對(duì)于各個(gè)砂輪有著不同的應(yīng)用，如平面砂輪只能夠加工凸面非球面光學(xué)元件，如果在凹面非球面加工過(guò)程中使用的是平面砂輪那么會(huì)對(duì)生產(chǎn)的精度產(chǎn)生一定的影響與干涉，最終造成對(duì)生產(chǎn)精度影響，致使工程制作達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于凹面非球面光學(xué)元件的加工只能使用圓弧砂輪來(lái)對(duì)其進(jìn)行打磨。并且在打磨過(guò)程中還需要注意圓弧砂輪的弧度半徑必須要大于光學(xué)元器件的弧度半徑。但是因?yàn)橐陨先N砂輪機(jī)對(duì)光學(xué)元器件的修整作用精度有限，而且修正花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，因此會(huì)對(duì)后續(xù)測(cè)量部分造成困難，也會(huì)對(duì)生產(chǎn)后的精度有影響。想要降低方形非球面光學(xué)元件的精度影響，可以在加工選擇上針對(duì)不同的光學(xué)元器件來(lái)選取不同的砂輪機(jī)，當(dāng)然原則上最優(yōu)選取平面砂輪加工。另外對(duì)于提升加工精度方面可以在加工的時(shí)候，對(duì)方形非球面光學(xué)元件軸對(duì)稱的中心為起點(diǎn)，向著軸對(duì)稱非球面母線沿著加工點(diǎn)運(yùn)動(dòng)精磨，與此同時(shí)還需要工件繞著運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣做就會(huì)有加工痕跡在工件表面上形成螺旋狀，對(duì)于后續(xù)的加工有著精密的指導(dǎo)作用，能夠提高對(duì)光學(xué)元件的精度。

2 對(duì)于補(bǔ)償加工的作用與原理

在非球面光學(xué)元件高精度的加工過(guò)程中，如果只是對(duì)其進(jìn)行一次加工顯然無(wú)法滿足設(shè)計(jì)上的精度要求，因此需要補(bǔ)償加工。在補(bǔ)償加工之前，首先需要對(duì)光學(xué)元件初次砂輪機(jī)的加工軌跡，來(lái)擬出一條合理的連續(xù)的誤差曲線，然后再用誤差曲線與理想曲線對(duì)比，對(duì)于各個(gè)值之間進(jìn)行求和平均，最終得到實(shí)際的補(bǔ)償加工量，按照補(bǔ)償加工量的曲線進(jìn)行實(shí)際的操作加工。然受使用傳感器測(cè)量的出初始加工曲面與理想加工曲面之間的誤差，對(duì)于誤差數(shù)據(jù)的處理首先要去除粗大誤差這樣是為了保持誤差能在一定的精度內(nèi)，拋棄偏離過(guò)大的誤差，并還需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)擬定出能夠疊加在軸對(duì)稱的非球面母線上的誤差連續(xù)曲線，然后根據(jù)加工所需生成能夠補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。將生成的數(shù)據(jù)送入到加工系統(tǒng)中生成NC數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并且還需要進(jìn)行多次反復(fù)的補(bǔ)償加工，這樣才能夠保證最終的成品能夠達(dá)到精度的要求。

3 在伺服系統(tǒng)中的速度和位置檢測(cè)

對(duì)于大口徑非球面光學(xué)元件的加工方法是使用伺服電機(jī)使得機(jī)床五軸震動(dòng)的，而對(duì)伺服電機(jī)的控制則是利用數(shù)控系統(tǒng)來(lái)完成的。在此過(guò)程中為了能夠保證砂輪對(duì)工件的精準(zhǔn)工作和能夠?qū)崿F(xiàn)限位控制。想要保證加工精度就需要在此過(guò)程中對(duì)工件和砂輪直線位移進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并且同時(shí)能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)有反饋信息，另外還需要能夠可控制砂輪和工件的給進(jìn)速度?；诖?，對(duì)于此過(guò)程中不僅需要控制工件平移軸（X軸）還需要對(duì)砂輪平移軸（Y軸）以及控制工作臺(tái)的水平位移做出良好精準(zhǔn)的移動(dòng)，除此之外還需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)這樣多重的控制才能夠?qū)崿F(xiàn)位置與速度實(shí)現(xiàn)良好的雙閉環(huán)控制。在對(duì)于工件軸，回轉(zhuǎn)軸以及砂輪軸來(lái)說(shuō)，需要能夠?qū)ζ浣嵌绒D(zhuǎn)速有著精準(zhǔn)的控制，并且還能夠?qū)ζ涞奈灰屏坑兄鴮?shí)時(shí)的檢測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)z測(cè)到的數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，讓數(shù)控系統(tǒng)能夠隨時(shí)掌握，避免數(shù)據(jù)偏差對(duì)工程造成影響，以及能夠第一時(shí)間做出調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要根據(jù)測(cè)量非球面光學(xué)元件的加工過(guò)程以及對(duì)選擇原則和系統(tǒng)控制精度等方面有著詳細(xì)的描寫(xiě)，分別對(duì)光學(xué)元件加工過(guò)程中的各個(gè)軸的速度測(cè)量以及位置需要選取不同型號(hào)的測(cè)量元件，并在加工過(guò)程中需要針對(duì)不同的光學(xué)元件選取不同的加工型號(hào)設(shè)備。并在加工過(guò)程中，對(duì)目前存在對(duì)方形非球面光學(xué)元件加工精度的一些影響給出了相應(yīng)的解決辦法，能夠在一定程度上增強(qiáng)在加工過(guò)程中的精度。并且對(duì)于三種不同的系統(tǒng)給出了詳細(xì)的原理解釋和各自不同的性能闡述，并且對(duì)于以上建議的可行性已經(jīng)在一定程度上得到了驗(yàn)證，且成果相對(duì)較為不錯(cuò)，希望本文能夠?qū)?shí)現(xiàn)非球面光學(xué)元件提高加工精度有一定的幫助與參考的價(jià)值。

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