本發(fā)明屬于光學(xué)元件冷加工領(lǐng)域，特別涉及一種大口徑薄板光學(xué)元件超精密磨削加工過(guò)程中元件面形誤差和平行度誤差高效精密控制的方法及其裝置。

背景技術(shù)：

大口徑薄板光學(xué)元件在高功率激光裝置中主要用于片放窗口、連續(xù)位相板等元件，高功率激光裝置對(duì)其面形精度、平行度、透射波前畸變、粗糙度等提出了較高的要求。磨削加工是該類元件光學(xué)冷加工的前級(jí)成形工序，其加工精度直接影響后續(xù)拋光加工的效率與質(zhì)量，當(dāng)其平行度較差時(shí)，拋亮后采用干涉儀檢測(cè)透射波前過(guò)程中的寄生條紋也會(huì)對(duì)最終結(jié)果引入較大的測(cè)量誤差。

對(duì)于大口徑薄板類元件，采用傳統(tǒng)的機(jī)械裝夾方式固定于磨床磁臺(tái)上后，由于磁臺(tái)表面、元件表面均存在一定的平面度誤差，導(dǎo)致元件下表面與磁臺(tái)表面之間存在一定的空氣間隙；由于薄板類元件抗彎剛度較弱，在磨削元件過(guò)程中，元件受法向磨削力而產(chǎn)生較大的讓刀變形，通過(guò)理論計(jì)算該讓刀變形最大達(dá)到數(shù)十微米，已經(jīng)遠(yuǎn)大于激光裝置對(duì)該類元件的精度要求。此外，由于元件下表面與磁臺(tái)表面之間的空氣間隙分布具有隨機(jī)性，因此在磨削加工過(guò)程中對(duì)面形誤差和平行度誤差的控制具有不確定性，需要多次采用互為基準(zhǔn)的裝夾方式進(jìn)行迭代加工，其最終的控制精度及精度收斂效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大口徑薄板光學(xué)元件磨削加工面形誤差和平行度誤差控制控制方法及其裝置。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：光學(xué)元件磨削加工面形誤差和平行度誤差的控制方法，該方法包括以下步驟：

1)磨削真空吸盤：按照平面磨削軌跡磨削真空吸盤表面；

2)磨削元件：將大口徑薄板光學(xué)元件放置于真空吸盤表面吸附孔區(qū)域，按照平面磨削軌跡磨削大口徑薄板光學(xué)元件上表面；

3)面形誤差控制：真空吸附大口徑薄板光學(xué)元件，以大口徑薄板光學(xué)元件下表面和真空吸盤表面之間空氣間隙層的誤差分布F進(jìn)行補(bǔ)償磨削加工，待大口徑薄板光學(xué)元件磨全后，在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件上表面的面形，完成面形誤差控制；

4)平行度誤差控制：以大口徑薄板光學(xué)元件上表面朝下真空吸附裝夾于真空吸盤表面，以真空吸盤的面形誤差進(jìn)行補(bǔ)償加工大口徑薄板光學(xué)元件下表面，待大口徑薄板光學(xué)元件磨全后，測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件不同點(diǎn)位的厚度，得到大口徑薄板光學(xué)元件上、下表面的平行度誤差。

進(jìn)一步的，所述步驟1)是：將與大口徑薄板光學(xué)元件口徑相當(dāng)?shù)恼婵瘴P安裝固定于磨床磁臺(tái)上，按照平面磨削軌跡磨削真空吸盤表面，采用位移傳感器在位測(cè)量真空吸盤的面形誤差F0。

進(jìn)一步的，所述步驟2)是：清潔真空吸盤表面和大口徑薄板光學(xué)元件表面，將大口徑薄板光學(xué)元件放置于真空吸盤表面吸附孔區(qū)域，開啟真空系統(tǒng)并保證大口徑薄板光學(xué)元件下表面與真空吸盤表面較好貼合，按照平面磨削軌跡磨削大口徑薄板光學(xué)元件上表面，待大口徑薄板光學(xué)元件表面磨全后，停止磨削，再采用位移傳感器在位測(cè)量真空吸附狀態(tài)下大口徑薄板光學(xué)元件上表面的面形誤差F1，關(guān)閉真空系統(tǒng)，將大口徑薄板光學(xué)元件靜置1小時(shí)以上，保證大口徑薄板光學(xué)元件完全彈性恢復(fù)后，再在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件上表面的面形誤差F2。

進(jìn)一步的，所述步驟3)是：以上述測(cè)量得到的面形誤差F2減去面形誤差F1，得到大口徑薄板光學(xué)元件下表面和真空吸盤表面之間空氣間隙層的誤差分布F，重新真空吸附大口徑薄板光學(xué)元件并保證大口徑薄板光學(xué)元件的下表面與磁臺(tái)表面較好貼合，以誤差分布F進(jìn)行補(bǔ)償磨削加工，補(bǔ)償方式為負(fù)補(bǔ)償，待大口徑薄板光學(xué)元件磨全后，關(guān)閉真空系統(tǒng)并靜置1小時(shí)以上，在位測(cè)量上表面的面形，完成面形誤差控制。

進(jìn)一步的，所述步驟4)是：重新清潔真空吸盤表面和大口徑薄板光學(xué)元件，以大口徑薄板光學(xué)元件上表面朝下真空吸附裝夾于真空吸盤表面，保證大口徑薄板光學(xué)元件上表面與真空吸盤表面貼合，以真空吸盤的面形誤差F0進(jìn)行補(bǔ)償加工大口徑薄板光學(xué)元件下表面，補(bǔ)償方式采用正補(bǔ)償，待大口徑薄板光學(xué)元件磨全后，關(guān)閉真空吸盤并靜置1小時(shí)以上，在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件下表面面形；將大口徑薄板光學(xué)元件取下，使用千分尺測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件不同點(diǎn)位的厚度，得到大口徑薄板光學(xué)元件上、下表面的平行度誤差結(jié)果。

進(jìn)一步的，所述步驟3)在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件上表面的面形，若面形不合格，則重復(fù)步驟2)和3)，直至合格。

光學(xué)元件磨削加工面形誤差和平行度誤差的控制裝置，包括真空吸盤，所述真空吸盤上表面設(shè)置有均布的豎直向下的豎向吸附孔，且所述真空吸盤在橫向和縱向設(shè)置有均布的橫向通孔和縱向通孔，所述縱向通孔與豎向吸附孔和橫向通孔連通并形成真空氣路。

進(jìn)一步的，所述橫向通孔兩端設(shè)置堵頭密封，所述縱向通孔一端設(shè)置堵頭密封，另一端設(shè)置有管螺紋與快接頭相連。

進(jìn)一步的，所述真空吸盤側(cè)邊還設(shè)置有擋塊。

進(jìn)一步的，所述真空吸盤兩側(cè)還延伸設(shè)置有安裝定位面。

進(jìn)一步的，所述真空吸盤真空吸附產(chǎn)生的變形量比光學(xué)元件所需精度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于真空吸附的裝夾方法，提高薄板元件表面每一點(diǎn)的支承剛度，減少加工過(guò)程中讓刀變形，并且結(jié)合面形誤差在位測(cè)量技術(shù)和補(bǔ)償磨削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了薄板元件面形誤差和平行度誤差的確定性與穩(wěn)定性收斂。采用本發(fā)明方法，加工尺寸430mm×430mm×10mm的薄板光學(xué)元件，面形誤差可穩(wěn)定控制在5μm以內(nèi)，平行度誤差穩(wěn)定控制在3″以內(nèi)，相對(duì)于采用傳統(tǒng)的擋塊裝夾磨削方式，面形精度與平行度均提高了1倍，精度收斂時(shí)間減少了約50％，實(shí)現(xiàn)了面形誤差和平行度誤差的高效穩(wěn)定控制。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的真空吸盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的光學(xué)元件與真空吸盤吸附裝夾的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

大口徑薄板光學(xué)元件自身彎曲剛度弱，在磨削加工過(guò)程中受磨削力的作用而產(chǎn)生較大的讓刀變形，使得面形誤差和平行度誤差的控制存在較大的不確定性，并且使得誤差收斂效率較低。針對(duì)以上特點(diǎn)，本發(fā)明提出了基于真空吸附的裝夾方法。

本發(fā)明的真空吸盤3的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，真空吸盤3上表面設(shè)置有均布的豎直向下的豎向吸附孔2，且真空吸盤3在橫向和縱向還設(shè)置有均布的橫向通孔4和縱向通孔5，縱向通孔5與豎向吸附孔2和橫向通孔4連通并形成真空氣路，橫向通孔4兩端設(shè)置堵頭密封，縱向通孔5一端設(shè)置堵頭密封，另一端設(shè)置有管螺紋與快接頭7相連，快接頭7最終再與真空泵連通。真空吸盤3側(cè)邊還設(shè)置有擋塊8，對(duì)光學(xué)元件1進(jìn)行安全性保護(hù)。真空吸盤3兩側(cè)還延伸設(shè)置有安裝定位面6，用于對(duì)磨床磁臺(tái)表面接觸并安裝定位。

真空吸盤3材料需具有良好的磨削加工性能，磨削加工后可獲得較好的平面度和表面粗糙度。最好采用優(yōu)質(zhì)45#鋼，內(nèi)部無(wú)雜質(zhì)砂眼。真空吸盤3經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后進(jìn)行退火處理，使其在磨削加工后吸盤表面平面度具有較好的穩(wěn)定性。真空吸盤3內(nèi)部具有較高的剛度，真空吸附產(chǎn)生的變形量比大口徑薄板光學(xué)元件1所需精度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

上述豎直向下的豎向吸附孔2最好均勻分布有15行15列，孔直徑為Φ5mm，深度為25mm。上述橫向通孔4最好設(shè)置在距真空吸盤3表面深度為20mm的位置，最好是15個(gè)直徑為Φ8mm的通孔，橫向通孔4分別與上述豎向吸附孔2連通，形成真空氣路。上述縱向通孔5最好設(shè)置在距真空吸盤3表面深度為20mm的位置，最好是1個(gè)直徑為Φ8mm的通孔，縱向通孔5與上述15個(gè)橫向通孔4連通，形成真空氣路。

本發(fā)明的真空吸盤3內(nèi)部?jī)H有橫向通孔4和縱向通孔5，無(wú)大跨度的中空結(jié)構(gòu)，保證了真空吸盤3在真空吸附情況下的變形量微小。當(dāng)真空吸盤3安裝于磨床上后，其安裝定位面6與磨床磁臺(tái)表面接觸，該安裝定位面6需要經(jīng)過(guò)精密加工，保證其平面度。真空吸盤3機(jī)械加工完成后，進(jìn)行精密退火處理，釋放內(nèi)部加工殘余應(yīng)力，減小后續(xù)使用過(guò)程中隨時(shí)間的形狀漂移。

本發(fā)明的大口徑薄板光學(xué)元件磨削加工面形誤差和平行度誤差控制方法如圖3所示，該方法包括以下步驟：

1)磨削真空吸盤3

將與大口徑薄板光學(xué)元件1口徑相當(dāng)?shù)恼婵瘴P3安裝固定于磨床磁臺(tái)上，采用砂輪按照平面磨削軌跡磨削真空吸盤3表面，并控制其平面度，采用位移傳感器在位測(cè)量真空吸盤3的面形誤差F0；

2)磨削元件

清潔真空吸盤3表面和大口徑薄板光學(xué)元件1表面，將大口徑薄板光學(xué)元件1放置于真空吸盤3表面吸附孔區(qū)域，如圖2所示，開啟真空系統(tǒng)并保證大口徑薄板光學(xué)元件1下表面(A面，以下同)與真空吸盤3表面較好貼合。采用砂輪按照平面磨削軌跡磨削大口徑薄板光學(xué)元件1上表面(B面，以下同)。待大口徑薄板光學(xué)元件1表面磨全(所有區(qū)域均磨到)后，停止磨削，再采用位移傳感器在位測(cè)量真空吸附狀態(tài)下大口徑薄板光學(xué)元件1上表面的面形誤差F1。關(guān)閉真空系統(tǒng)，將大口徑薄板光學(xué)元件1靜置1小時(shí)以上，保證大口徑薄板光學(xué)元件1盡量完全彈性恢復(fù)后，再在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件1上表面的面形誤差F2；

3)面形誤差控制

以上述測(cè)量得到的面形誤差F2減去面形誤差F1，得到大口徑薄板光學(xué)元件1下表面和真空吸盤3表面之間空氣間隙層的誤差分布F。重新真空吸附大口徑薄板光學(xué)元件1并保證大口徑薄板光學(xué)元件1的下表面與磁臺(tái)表面較好貼合，以誤差分布F進(jìn)行補(bǔ)償磨削加工，補(bǔ)償方式為負(fù)補(bǔ)償(將誤差分布F進(jìn)行反向后作為磨削加工時(shí)砂輪在豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡)。待大口徑薄板光學(xué)元件1磨全后，關(guān)閉真空系統(tǒng)并靜置1小時(shí)以上，在位測(cè)量上表面的面形，完成面形誤差控制；

4)平行度誤差控制

重新清潔真空吸盤3表面和大口徑薄板光學(xué)元件1，以大口徑薄板光學(xué)元件1上表面朝下真空吸附裝夾于真空吸盤3表面，保證大口徑薄板光學(xué)元件1上表面與真空吸盤3表面貼合。以真空吸盤3的面形誤差F0進(jìn)行補(bǔ)償加工大口徑薄板光學(xué)元件1下表面，補(bǔ)償方式采用正補(bǔ)償(以誤差F0作為磨削加工時(shí)砂輪在豎直方向的運(yùn)動(dòng)軌跡)。待大口徑薄板光學(xué)元件1磨全后，關(guān)閉真空吸盤3并靜置1小時(shí)以上，在位測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件1下表面面形；將大口徑薄板光學(xué)元件1取下，使用千分尺測(cè)量大口徑薄板光學(xué)元件1不同點(diǎn)位的厚度，得到大口徑薄板光學(xué)元件1上、下表面的平行度誤差。

實(shí)施例：

加工一塊430mm×430mm×10mm熔石英平面薄板光學(xué)元件，其磨削加工面形誤差和平行度誤差控制方法包括以下步驟：

1)將真空吸盤3裝夾固定于磨床磁臺(tái)表面，使用砂輪按照平面磨削加工方式，加工真空吸盤3的吸附表面(分布有豎向吸附孔2的那一面)，并使用面形在位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量吸盤表面平面度誤差F0，保證其平面度優(yōu)于3μm；

2)將真空吸盤3的表面和光學(xué)元件的表面進(jìn)行徹底清潔，無(wú)灰塵、雜質(zhì)、油污、水漬等后，將光學(xué)元件按照?qǐng)D1中的方式真空吸附裝夾于真空吸盤3表面，保證所有豎向吸附孔2均被光學(xué)元件覆蓋，同時(shí)光學(xué)元件吸附狀態(tài)良好，即：光學(xué)元件下表面與真空吸盤3表面之間無(wú)任何異物頂起，真空度優(yōu)于-0.08MPa，光學(xué)元件側(cè)邊設(shè)置擋塊2對(duì)元件進(jìn)行安全性保護(hù)；

3)在真空吸附的情況下，使用金剛石砂輪，按照平面磨削加工方式，加工光學(xué)元件上表面。待元件表面磨全后，在真空吸附的狀態(tài)下，使用面形在位檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量元件的面形誤差F1；

4)關(guān)閉真空系統(tǒng)，將光學(xué)元件靜置1小時(shí)以上，使元件內(nèi)部應(yīng)力釋放，變形恢復(fù)穩(wěn)定后，使用面形在位檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量此時(shí)的面形誤差F2。并以面形誤差F2減去面形誤差F1，得到誤差數(shù)據(jù)F，即為真空系統(tǒng)關(guān)閉光學(xué)元件彈性變形恢復(fù)后，光學(xué)元件下表面與真空吸盤表面之間的空氣薄膜層厚度分布；

5)重新開啟真空系統(tǒng)，保證光學(xué)元件下表面與真空吸盤表面貼合完好。以誤差分布數(shù)據(jù)F，進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償磨削加工，即對(duì)于誤差分布數(shù)據(jù)F中較高的區(qū)域，磨削深度相應(yīng)增加，誤差分布數(shù)據(jù)F中較低的區(qū)域，磨削深度相應(yīng)減?。?/p>

6)元件上表面磨全后，關(guān)閉真空系統(tǒng)，靜置1小時(shí)以上，使元件內(nèi)部應(yīng)力釋放，變形恢復(fù)穩(wěn)定后，使用面形在位檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量上表面面形。若面形合格，則完成面形控制并進(jìn)入下一步，否則重復(fù)步驟3至步驟6；

7)將元件取下，重新徹底清潔真空吸盤表面和元件表面，以已經(jīng)完成面形控制的上表面向下，真空吸附裝夾于吸盤表面，保證吸附狀態(tài)完好。元件側(cè)邊使用附圖2中的擋塊2對(duì)元件進(jìn)行安全性保護(hù)；

8)在吸附狀態(tài)下，以測(cè)得的吸盤平面度誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行正補(bǔ)償磨削加工，即對(duì)于誤差分布中較高的區(qū)域，磨削深度相應(yīng)減少，對(duì)于誤差分布中較低的區(qū)域，磨削深度相應(yīng)增加。磨全后，關(guān)閉真空系統(tǒng)，靜置1小時(shí)以上，使元件內(nèi)部應(yīng)力釋放，變形恢復(fù)穩(wěn)定后，使用面形在位檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量下表面面形。將元件取下清潔，使用千分尺測(cè)量元件不同點(diǎn)的厚度，最終計(jì)算得出上、下兩表面之間的平行度誤差。

采用本發(fā)明的加工方法可以將大口徑薄板光學(xué)元件面形誤差控制在5μm以內(nèi)，平行度誤差控制在3″以內(nèi)。