本申請是申請?zhí)?01510149320.8、申請日為2015年4月1日、發(fā)明名稱為“全頻段高精度非球面光學(xué)元件的加工方法”的發(fā)明專利申請的分案申請

本發(fā)明屬于非球面光學(xué)元件的數(shù)控加工領(lǐng)域，具體涉及一種非球面光學(xué)元件的全頻段誤差控制的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代光學(xué)元件加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工加工非球面的方法已經(jīng)逐步被有著以“確定性加工”為標(biāo)志的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)——計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(ccos)技術(shù)所取代。ccos技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)控制小工具實(shí)現(xiàn)確定區(qū)域的確定量加工的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)材料去除的理論基礎(chǔ)是preston方程，它是一種依靠正壓力實(shí)現(xiàn)材料有效去除的加工方法。典型的小工具結(jié)構(gòu)是在一個金屬底盤上覆蓋一層瀝青，由于整個小工具的剛度較大，所以通常被稱為剛性盤。在小工具拋光范圍內(nèi)，材料的去除可以宏觀的表現(xiàn)為去除函數(shù)，通常形狀為類高斯型。另外小工具在拋光的過程中，材料的去除遵循“高點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)去除”原則，即當(dāng)小工具在加工時，首先是與工件表面的高點(diǎn)區(qū)域發(fā)生接觸，然后瀝青材料會在正向壓力的作用下發(fā)生微觀形變，以適應(yīng)工件表面微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦唿c(diǎn)區(qū)域所受的壓力比其他區(qū)域大，所以造成的材料去除量也大，這和preston方程也是相吻合的。由于使用的小工具尺寸一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件尺寸，因此在實(shí)現(xiàn)低頻面形誤差確定收斂的同時，越來越多的小尺度誤差也在隨之產(chǎn)生。另外，由于傳統(tǒng)小工具是剛性拋光盤，它無法滿足非球面表面各處的曲率變化，因此，給非球面制造帶來了許多困難，尤其是非球面表面的中高頻誤差控制。

為了有效抑制這些中高頻誤差，越來越多的數(shù)控機(jī)床組合加工非球面的方法被提出。組合加工的思想是結(jié)合不同加工方式的優(yōu)點(diǎn)，分階段的將待加工元件分配給不同的加工方式，最終得到一個高精度的光學(xué)表面。例如，國防科大提出了一種采用數(shù)控小工具、磁流變加工和離子束加工相結(jié)合的方法來控制中高頻誤差。這種加工方式先使用數(shù)控小工具對低頻面形精度達(dá)標(biāo)的非球面表面進(jìn)行平滑，然后利用磁流變拋光技術(shù)的柔性拋光原理，來抑制數(shù)控小工具拋光所產(chǎn)生的周期性環(huán)帶誤差，之后又再次使用數(shù)控小工具快速平滑磁流變加工所產(chǎn)生的小尺度誤差，最后使用離子束拋光技術(shù)來提高最終的面形精度。該方法雖然有效的抑制了加工過程中所產(chǎn)生的中高頻誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度的非球面元件的加工，但是，該方法的加工過程過于繁瑣，需要使用到三臺精密數(shù)控機(jī)床，加工成本極高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且加工效率高的全頻段高精度非球面加工方法。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種全頻段高精度非球面加工的方法，其包括以下步驟：

步驟1)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量非球面面形誤差；

步驟2)根據(jù)測得的面形誤差，選擇口徑大小不大于該非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇類高斯型去除函數(shù)，確定數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)；

步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺上，將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝；

步驟4)一個周期拋光結(jié)束后，對待加工非球面元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)；

步驟5)對低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度(powerspectraldensity,psd)分析，根據(jù)psd曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的柔性拋光小工具包括金屬底盤、發(fā)泡硅膠板和瀝青拋光層，其可以通過機(jī)床提供的壓力，實(shí)現(xiàn)拋光小工具與非球面表面的實(shí)時吻合。所述的發(fā)泡硅膠板置于所述的金屬底盤和拋光膠之間。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的光順工藝是小工具采用單自轉(zhuǎn)運(yùn)動方式并勻速平滑待加工面的工藝，能在保證低頻面形的同時，有效的平滑待加工面，提高表面質(zhì)量。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的加工方法僅使用一臺ccos數(shù)控小磨頭機(jī)床就實(shí)現(xiàn)了非球面光學(xué)元件的全頻段高精度加工。

與現(xiàn)有的加工技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明所使用的柔性拋光小工具能夠通過機(jī)床提供的正向壓力，而實(shí)現(xiàn)拋光小工具自適應(yīng)非球面表面面形，在保證低頻面型的同時，能夠有效的抑制由于拋光盤無法與非球面表面吻合所產(chǎn)生的中高頻誤差；本發(fā)明所述的光順工藝采用小工具單自轉(zhuǎn)運(yùn)動方式并勻速平滑待加工面，較行星運(yùn)動方式，更能有效的抑制中高頻誤差，提高光學(xué)表面質(zhì)量；本發(fā)明僅使用ccos數(shù)控小磨頭機(jī)床就加工出了全頻段高精度非球面表面，找到了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且高效的加工方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明全頻段高精度非球面加工方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中柔性拋光小工具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑示意圖。

圖例說明：

1、金屬底盤；2、發(fā)泡硅膠板；3拋光膠

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例加工方法的加工對象為一塊200mm，頂點(diǎn)曲率半徑1700mm的凸非球面鏡。參閱圖1，本實(shí)施例全頻段高精度非球面加工方法的操作步驟如下：

步驟1)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量此時非球面面形誤差。

步驟2)根據(jù)測得的面形誤差數(shù)據(jù)，選擇口徑大小不大于非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據(jù)該小工具在不同公自轉(zhuǎn)速度條件下的去除函數(shù)的形狀，選擇最優(yōu)的類高斯型去除函數(shù)，并由此確定出數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)，包括公自轉(zhuǎn)速度、偏心距、正向壓力等。

步驟3)將待加工非球面元件放置在機(jī)床的加工平臺上(待加工面朝上放置)，并將加工參數(shù)輸入到機(jī)床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進(jìn)行拋光工藝。

步驟4)一個周期拋光結(jié)束后，對加工元件進(jìn)行面形檢測，根據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)的反饋情況，重復(fù)步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達(dá)標(biāo)。

步驟5)對低頻面形精度達(dá)標(biāo)的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行psd分析，根據(jù)psd曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對非球面元件進(jìn)行光順工藝加工，重復(fù)數(shù)次直至中高頻誤差得到有效控制。

進(jìn)一步的，參閱圖2，圖2為本實(shí)施例中所選用的柔性小工具的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要包括金屬底盤1、發(fā)泡硅膠板2和瀝青拋光層3。在拋光階段所選用的柔性拋光小工具尺寸大小為30mm，發(fā)泡硅膠層厚為7mm，瀝青拋光層厚為3mm；在光順階段所選用的小工具尺寸大小為80mm，發(fā)泡硅膠層厚為10mm，瀝青拋光層厚為3mm。

進(jìn)一步的，參閱圖3，圖3為本實(shí)施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑示意圖。

進(jìn)一步的，本實(shí)施例中光順工藝所使用的加工參數(shù)為：機(jī)床提供的正向壓力為150kpa，柔性小工具自轉(zhuǎn)速度為50rpm，小工具的平滑速度為500mm/min，小工具的自轉(zhuǎn)方向與加工路徑方向相反。經(jīng)過本實(shí)施例加工方法加工后的非球面表面最終面形，面形誤差pv＝0.18λ，中高頻波段的rms＝1.5nm。

本發(fā)明一種全頻段高精度非球面加工方法簡單又高效，并且實(shí)現(xiàn)了僅使用ccos數(shù)控小磨頭機(jī)床便能加工出全頻段高精度的非球面表面。