[发明专利]一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备

说明书

技术领域

本发明属于光学精密机械技术领域。

背景技术

1、国外研究的技术发展现状

随着计算机技术的迅猛发展，非球面加工工艺技术日趋完善，特别是中大口径非球面表面数控成形技术的发展，使非球面加工技术达到了可控加工的目的。

发达国家中大口径轴对称非球面光学元件采用铣磨加工、精密磨削、快速抛亮、精密抛光工艺，其最终面形加工精度达到λ/5、粗糙度1.5nm，加工效率高，但是在加工技术方面，发达国家对我国实行技术贸易壁垒，先进的设备和技术无法引入国内，使我国的光学加工工艺装备非常匮乏和落后。

2、国内研究的技术发展现状

国内的非球面加工还主要以传统的手工加工方式，依靠操作者的经验，效率普遍较低。加工一块中等精度的非球面透镜，其加工周期往往以数月，甚至以年为计，而且由于加工工艺自身的局限性加工精度无法达到现代光学系统应用的要求。

相对于国外种类繁多，性能优异的非球面加工及检测技术，我国在这两个领域的开发和应用显得非常薄弱。从整体上衡量，我国非球面加工技术仍处于起步阶段，加工成本高、效率低、质量差，难以满足高标准、批量化的要求。

发明内容

本发明的目的是：

提供一种中大口径非球面光学元件的高效数控抛光工艺及设备，该工艺及设备可将非球面光学元件进行高质量、高效率、批量化精密抛光。

本发明的技术方案是：

本发明的抛光工艺是：

根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，通过软件CCOS2进行分析，选择适合的抛光参数，构成抛光加工过程的模型，在计算机的控制下，按实际加工元件的技术要求确定路径、速度和压力等参数，进行仿真加工，验证选择的工艺参数，当仿真结果与实际要求的抛光表面相一致时确定最终的工艺参数，然后生成NC程序，进行加工。通过控制小抛光模在工件表面的驻留时间及压力，精确控制工件表面的去除量，获得理想的面形。

本发明的详细工艺是：

(1)由高精度光学面形测量仪器测量光学元件的面形误差，取得目前光学表面的面形数据；

(2)将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数；

(3)选择抛光参数，根据预期的材料去除量计算驻留时间函数和最优化的加工路径并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次进行计算机模拟；

(4)重复第(3)步，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成设备数控系统参数；

(5)设备数控系统读入并执行控制文件，驱动设备各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工；

(6)这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪器检测工件面形，为下一个加工周期提供面形数据；如此周而复始，反复迭代，直到得到符合要求的光学表面。

本发明的具体工艺参数设定：

采用五轴四联动数控抛光设备实现抛光加工，可根据工件的结构特点随意选用直角坐标或极坐标两种抛光路径，抛光加工中只需三轴数控联动，就可实现非球面光学元件的抛光加工。

1)速度的设定：加工时工具的行走速度通常设为20mm/min～100mm/min。在设定加工路径时，面型高的区域用较慢的加工；面型稍低的区域，用较快的速度加工；面型太低的则不加工；

2)当加工反射零件时，图像的红色代表高面型，是需要加工的部分；当加工透射零件时，图像的蓝色代表高面型，是需要加工的部分。相同的PV值，透射加工比反射加工的加工力度要稍大一些；

3)小磨头的选择：加工整个面，或零件的中间部分高带时选择φ50mm小磨头，加工的行间距设为10mm～20mm；加工边缘部分高带时选择φ35mm小磨头，加工时的偏心为小磨头直径为1/10；

4)加工时的压力：面型PV值在0.5λ以内时调节设备压力表小于1.0kgf/cm²；面型PV值在1λ以内时调节设备压力表小于1.5kgf/cm²；面型PV值在1.5λ以内时调节设备压力表小于2.0kgf/cm²。透射零件加工时使用的压力可以比反射的稍大；

5)抛光主轴速度的确定：0～150r/min；

6)零件装夹在设备上时，加工面为面对干涉仪的一面。零件在干涉仪上向上一条边在设备上向前；

7)辅料一律采用500目氧化铈；

8)生成的CNC文件控制时间一般最长不得超过2小时。

本发明工艺中抛光设备是：