本發(fā)明屬于光學(xué)加工領(lǐng)域，具體涉及一種大氣等離子體加工大口徑非球面光學(xué)元件的對(duì)刀方法。

背景技術(shù)：

大氣等離子體加工技術(shù)是近年來光學(xué)加工領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，特別針對(duì)硬脆材料(如：熔石英、碳化硅等)光學(xué)元件的加工有極其重要的價(jià)值。其加工原理是：利用常壓條件下等離子體激發(fā)產(chǎn)生的高密度、高反應(yīng)活性原子與材料表面原子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，生成具有揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)材料的高效去除。等離子體加工過程屬于非接觸式的化學(xué)加工，不會(huì)引入亞表面損傷，在光學(xué)元件加工中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

在非球面加工過程中，元件對(duì)刀包括元件姿態(tài)調(diào)整和空間坐標(biāo)值的確定，對(duì)刀方法對(duì)等離子體加工面形精度和生產(chǎn)效率有著極其重要的決定作用。目前，等離子體加工非球面元件采用傳統(tǒng)的頂針裝調(diào)方式，工件裝調(diào)過程主要由操作人員移動(dòng)工作臺(tái)，眼睛觀察頂針與工件的位置，手動(dòng)記錄工件邊緣位置坐標(biāo)，并計(jì)算工件坐標(biāo)位置。該方法嚴(yán)重依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，受人為影響較大，并且存在對(duì)刀精度和質(zhì)量難以保證，操作耗時(shí)較長等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度的大氣等離子體加工大口徑非球面光學(xué)元件的對(duì)刀方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：大氣等離子體加工大口徑非球面光學(xué)元件的對(duì)刀方法，先進(jìn)行光學(xué)元件側(cè)邊平行于水平坐標(biāo)軸的調(diào)節(jié)，然后對(duì)光學(xué)元件表面沿中心軸線對(duì)稱坐標(biāo)位置的Z向進(jìn)行調(diào)平，最后再通過兩邊對(duì)刀確定光學(xué)元件的中心坐標(biāo)，以及等離子體炬管中心和光學(xué)元件中心的位置，從而完成對(duì)刀。

進(jìn)一步的，所述方法包括以下步驟：

1)打開計(jì)算機(jī)，開啟空氣壓縮機(jī)，使出口氣體壓力維持在0.5～2Mpa，壓縮氣體通過氣管進(jìn)入儲(chǔ)氣罐穩(wěn)壓，保持出口壓力在0.7～1Mpa；

2)對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行裝夾，使裝夾后的光學(xué)元件的非球面表面沿中心軸線呈對(duì)稱狀態(tài)；

3)將二維調(diào)節(jié)平臺(tái)放置在工作臺(tái)上，將裝夾后的光學(xué)元件放置在二維調(diào)節(jié)平臺(tái)上，并使光學(xué)元件的中心在觸發(fā)測(cè)頭下方0～50mm范圍內(nèi)；

4)通過計(jì)算機(jī)控制觸發(fā)測(cè)頭向下運(yùn)動(dòng)，并依次觸碰光學(xué)元件沿X方向或Y方向側(cè)邊上的兩個(gè)點(diǎn)，通過比較兩個(gè)點(diǎn)的X或Y坐標(biāo)值，相應(yīng)調(diào)整光學(xué)元件的位置，再次控制觸發(fā)測(cè)頭向下運(yùn)動(dòng)，確保觸發(fā)測(cè)頭碰觸光學(xué)元件相同邊上的兩個(gè)點(diǎn)的X或Y坐標(biāo)值誤差小于10μm；

5)通過計(jì)算機(jī)控制Z軸導(dǎo)軌豎直運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)觸發(fā)測(cè)頭向上運(yùn)動(dòng)至光學(xué)元件上方，然后以2～5mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)依次碰觸光學(xué)元件沿中心對(duì)稱的四個(gè)點(diǎn)的位置，通過比較四個(gè)點(diǎn)的Z向坐標(biāo)值，再通過二維調(diào)節(jié)平臺(tái)調(diào)節(jié)光學(xué)元件的姿態(tài)，然后再次運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)，最后確保觸發(fā)測(cè)頭碰觸光學(xué)元件的表面上沿中心對(duì)稱的四個(gè)點(diǎn)的Z向坐標(biāo)值誤差小于10μm；

6)通過計(jì)算機(jī)控制觸發(fā)測(cè)頭快速第一次碰觸光學(xué)元件的兩對(duì)平行側(cè)邊，運(yùn)動(dòng)速度為10～20mm/s，并大致確定平行于Y軸兩條側(cè)邊的X坐標(biāo)值X1’、X2’，以及平行于X軸兩條側(cè)邊的Y坐標(biāo)值Y1’、Y2’；然后慢速第二次碰觸光學(xué)元件的兩對(duì)平行側(cè)邊，運(yùn)動(dòng)速度為1～5mm/s，并精確得到平行于Y軸兩條側(cè)邊的X坐標(biāo)值X1、X2，以及平行于X軸兩條側(cè)邊的Y坐標(biāo)值Y1、Y2,通過運(yùn)算(X1-X2)/2和(Y1-Y2)/2得到光學(xué)元件中心的精確X、Y坐標(biāo)值；

7)計(jì)算機(jī)根據(jù)標(biāo)定的等離子體炬管與觸發(fā)測(cè)頭之間的相對(duì)位置ΔX和ΔY，計(jì)算出光學(xué)元件的中心與等離子體炬管的中心之間的坐標(biāo)位置(X+ΔX，Y+ΔY)，并通過計(jì)算機(jī)控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)至其中心與等離子體炬管中心重合，對(duì)刀完成。

進(jìn)一步的，所述觸發(fā)測(cè)頭通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步的，步驟4)、5)、6)所述光學(xué)元件與觸發(fā)測(cè)頭接觸后，觸發(fā)測(cè)頭會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)通斷信號(hào)，觸發(fā)通斷信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡處理后傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制軟件讀取觸發(fā)信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述觸發(fā)測(cè)頭設(shè)置在等離子體炬管的側(cè)方，且運(yùn)動(dòng)方向與等離子體炬管相同。

進(jìn)一步的，所述儲(chǔ)氣罐對(duì)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行能量儲(chǔ)存并穩(wěn)定氣壓，所述過濾器濾去氣管內(nèi)的微顆粒雜質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述觸發(fā)測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速率通過電磁閥和調(diào)速閥調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明綜合考慮對(duì)刀效率和對(duì)刀精度兩個(gè)方面的因素，采用高精度的觸發(fā)測(cè)頭替代傳統(tǒng)固定式頂針頭，對(duì)刀時(shí)先通過光學(xué)元件快速運(yùn)動(dòng)與觸發(fā)測(cè)頭接觸產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來確定光學(xué)元件的坐標(biāo)范圍，然后減小光學(xué)元件與觸發(fā)測(cè)頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率，進(jìn)一步精確定位光學(xué)元件的坐標(biāo)。對(duì)刀完成后，根據(jù)觸發(fā)測(cè)頭與等離子體炬管標(biāo)定的相對(duì)位置，計(jì)算機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算出等離子體炬管與光學(xué)元件的相對(duì)位置坐標(biāo)。本發(fā)明減小了操作人員的經(jīng)驗(yàn)、觀察角度等人為因素的影響，極大地提高了光學(xué)元件的對(duì)刀精度和裝調(diào)質(zhì)量，提高了操作的便利性和對(duì)刀效率，有利于提高加工質(zhì)量以及工藝穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的工作示意圖。

圖3是本發(fā)明的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-2所示，本發(fā)明由空氣壓縮機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2、過濾器3、電磁閥4、調(diào)速閥5、觸發(fā)測(cè)頭6、氣動(dòng)滑臺(tái)7、支撐架10、轉(zhuǎn)接板11、Z軸導(dǎo)軌8、夾具13和二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14構(gòu)成?？諝鈮嚎s機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2、過濾器3、電磁閥4、調(diào)速閥5和氣動(dòng)滑臺(tái)7之間依次通過氣管連接，儲(chǔ)氣罐2對(duì)空氣壓縮機(jī)1產(chǎn)生的氣體進(jìn)行能量儲(chǔ)存并穩(wěn)定氣壓，過濾器3濾去氣體管道內(nèi)的微顆粒雜質(zhì)，氣動(dòng)滑臺(tái)7安裝在支撐架10上，氣動(dòng)滑臺(tái)7端部連接三向高精度的觸發(fā)測(cè)頭6，觸發(fā)測(cè)頭6的上下運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)滑臺(tái)7帶動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速率可以通過電磁閥4和調(diào)速閥5調(diào)節(jié)。

等離子體加工機(jī)床17包括等離子體炬管9、工作臺(tái)15和計(jì)算機(jī)16。等離子體炬管9是產(chǎn)生等離子體射流的裝置。

觸發(fā)測(cè)頭6和等離子體炬管9都設(shè)置在支撐架10上，觸發(fā)測(cè)頭6設(shè)置在等離子體炬管9的側(cè)方，且運(yùn)動(dòng)方向與等離子體炬管9相同。L形轉(zhuǎn)接板11的一端通過軸承與Z軸導(dǎo)軌8的端部連接，并由安裝在轉(zhuǎn)接板11上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)可繞Z軸旋轉(zhuǎn)，使等離子體炬管9和觸發(fā)測(cè)頭6也可繞Z軸旋轉(zhuǎn)。L形轉(zhuǎn)接板11的另一端也通過軸承與支撐架10連接，并由安裝在轉(zhuǎn)接板11上的另一電機(jī)驅(qū)動(dòng)可繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使等離子體炬管9和觸發(fā)測(cè)頭6也可繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于等離子體炬管9加工時(shí)與光學(xué)元件12的法線垂直。其中，本發(fā)明所述Z軸是指豎直軸，X軸是垂直于紙面的軸，Y軸是水平軸，如圖1所示，以下同。

光學(xué)元件12通過夾具13定位夾緊，一起放置于二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14上，并位于觸發(fā)測(cè)頭6下方，二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14放置于等離子體加工機(jī)床17的工作臺(tái)15上。光學(xué)元件12的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)16控制，并且運(yùn)動(dòng)速率連續(xù)可調(diào)。觸發(fā)測(cè)頭6通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡又通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)16連接。光學(xué)元件12與觸發(fā)測(cè)頭6接觸后，觸發(fā)測(cè)頭6會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)通斷信號(hào)，觸發(fā)通斷信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡處理后傳送至計(jì)算機(jī)16，計(jì)算機(jī)16內(nèi)的控制軟件讀取觸發(fā)信號(hào)。

本發(fā)明采用三向高精度的觸發(fā)測(cè)頭6并結(jié)合數(shù)控程序?qū)鈱W(xué)元件12進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和空間坐標(biāo)值確定。對(duì)刀時(shí)，先進(jìn)行光學(xué)元件12側(cè)邊平行于水平坐標(biāo)軸的調(diào)正，然后對(duì)光學(xué)元件12表面沿中心軸線對(duì)稱坐標(biāo)位置的Z向進(jìn)行調(diào)平，最后再通過兩邊對(duì)刀確定光學(xué)元件12的中心坐標(biāo)，以及等離子體炬管9中心和光學(xué)元件12中心的位置，從而完成大口徑非球面光學(xué)元件12的高精度快速對(duì)刀。

如圖3所示，本發(fā)明的自動(dòng)對(duì)刀方法包括以下步驟：

1)打開等離子體加工機(jī)床17的計(jì)算機(jī)16，使等離子體加工機(jī)床17的各電機(jī)處于待工作狀態(tài)，開啟空氣壓縮機(jī)1，使出口氣體壓力維持在0.5～2Mpa，壓縮氣體通過氣管進(jìn)入儲(chǔ)氣罐2進(jìn)行穩(wěn)壓，保持出口壓力在0.7～1Mpa；

2)通過夾具13對(duì)光學(xué)元件12進(jìn)行裝夾，使裝夾后的光學(xué)元件12的非球面表面沿中心軸線呈對(duì)稱狀態(tài)；

3)將二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14放置在等離子體加工機(jī)床17的工作臺(tái)15上，將裝夾后的光學(xué)元件12放置在二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14上，并目測(cè)使光學(xué)元件12的中心在觸發(fā)測(cè)頭6下方0～50mm范圍內(nèi)；

4)通過計(jì)算機(jī)16控制觸發(fā)測(cè)頭6向下運(yùn)動(dòng)，并依次觸碰光學(xué)元件12沿X方向或Y方向側(cè)邊上的兩個(gè)點(diǎn)，通過比較兩個(gè)點(diǎn)的X或Y坐標(biāo)值，相應(yīng)調(diào)整光學(xué)元件12的位置，再次控制觸發(fā)測(cè)頭6向下運(yùn)動(dòng)，最后確保觸發(fā)測(cè)頭6碰觸光學(xué)元件12相同邊上的兩個(gè)點(diǎn)的X或Y坐標(biāo)值誤差小于10μm；

5)通過計(jì)算機(jī)16控制Z軸導(dǎo)軌8豎直運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)觸發(fā)測(cè)頭6向上運(yùn)動(dòng)至光學(xué)元件12上方，然后以2～5mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)依次碰觸光學(xué)元件12沿邊界對(duì)稱的四個(gè)點(diǎn)的位置，通過比較四個(gè)點(diǎn)的Z向坐標(biāo)值，再通過二維調(diào)節(jié)平臺(tái)14來調(diào)節(jié)光學(xué)元件12的姿態(tài)，然后再次運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)，最后確保觸發(fā)測(cè)頭6碰觸光學(xué)元件12的表面上沿邊界對(duì)稱的四個(gè)點(diǎn)的Z向坐標(biāo)值誤差小于10μm；

6)首先，通過計(jì)算機(jī)16控制觸發(fā)測(cè)頭6快速第一次碰觸光學(xué)元件12的兩對(duì)平行側(cè)邊，運(yùn)動(dòng)速度為10～20mm/s，并基本(大致)確定平行于Y軸兩條側(cè)邊的X坐標(biāo)值X1’、X2’，以及平行于X軸兩條側(cè)邊的Y坐標(biāo)值Y1’、Y2’；然后慢速第二次(再次)碰觸光學(xué)元件12的兩對(duì)平行側(cè)邊，運(yùn)動(dòng)速度為1～5mm/s，并精確得到平行于Y軸兩條側(cè)邊的X坐標(biāo)值X1、X2，以及平行于X軸兩條側(cè)邊的Y坐標(biāo)值Y1、Y2,計(jì)算機(jī)16通過運(yùn)算(X1-X2)/2和(Y1-Y2)/2得到光學(xué)元件12中心的精確X、Y坐標(biāo)值；

7)計(jì)算機(jī)16根據(jù)標(biāo)定的等離子體炬管9與觸發(fā)測(cè)頭6之間的相對(duì)位置ΔX和ΔY，計(jì)算出光學(xué)元件12的中心與等離子體炬管9的中心之間的坐標(biāo)位置(X+ΔX，Y+ΔY)，并通過計(jì)算機(jī)16控制工作臺(tái)15運(yùn)動(dòng)使光學(xué)元件12運(yùn)動(dòng)至其中心與等離子體炬管9中心重合，對(duì)刀完成。

對(duì)刀完成后，觸發(fā)測(cè)頭6由氣動(dòng)滑臺(tái)7帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)并收起。本發(fā)明采用觸發(fā)式測(cè)頭結(jié)合等離子體機(jī)床及其運(yùn)動(dòng)數(shù)控程序?qū)Ψ乔蛎婀鈱W(xué)元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀操作，對(duì)刀精度高。