[发明专利]铣磨加工前离轴非球面反射镜镜面CAD模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间相机离轴非球面反射镜镜面CAD模型的建立方法，是高精度多轴铣削、磨削及慢刀伺服车削加工离轴非球面反射镜的一项重要基础工作，属于光学加工技术领域。

背景技术

环绕地球轨道运行的空间相机担负着对地侦察、深空探测和保卫国家安全的重任。早期的空间相机采用了同轴反射镜系统成像，例如著名的哈勃太空望远镜就采用该设计。为了提高相机分辨率并同时获得大的视场，近年来建造的空间相机多采用离轴三反系统（TMA, Three-Mirror-Anastigmat）。离轴三反系统的核心元件是三片离轴非球面反射镜。

加工离轴非球面反射镜要经历四个主要的工艺过程：毛坯制备、铣磨加工、精密研磨、精密抛光。本发明针对铣磨加工而提出。在铣磨加工阶段，通常是首先计算出离轴非球面的最接近球面半径，然后按照最接近球面进行加工。铣磨完成后，需要依靠长期的精密研磨工艺不断修正最接近球面与理论离轴非球面的误差量。这种方法虽然可行，但当镜面的非球面度较大时，最接近球面与设计镜面的偏差量很大，一般在数百个微米、甚至到毫米量级（PV值）。因此必须通过很长的研磨周期才能修正如此大的面形偏差量。  

如果要求按照非球面方程铣磨离轴非球面反射镜，必须依靠CAD、CAM技术。首先需要做的工作就是在CAD软件中建立离轴非球面模型。一旦建立起了CAD模型，就可以利用CAM技术生成加工代码，并使用多轴机床按照离轴非球面CAD模型进行加工。加工精度主要取决于使用的机床、刀具、CAD模型精度和操作者的技术水平，一般能达到几十微米或者几微米的面形精度（PV值）。与加工最接近球面的传统方法相比，后续精密研磨的去除量会大幅度降低，因此可显著的缩短空间相机离轴非球面反射镜的制造周期。

UG NX软件是商业化CAD软件的杰出代表。基于该软件，可以通过输入曲线方程，直接建立曲线模型。但不能输入曲面方程并生成曲面模型。

发明内容

本发明为了解决现有技术无法精确建立离轴非球面反射镜镜面CAD模型的问题，提供一种高精度的铣磨加工前离轴非球面反射镜镜面CAD模型的建模方法，该方法是铣磨加工空间相机用离轴非球面反射镜必需的基础工作。

铣磨加工前离轴非球面反射镜镜面CAD模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、推导离轴非球面母镜的母线方程： 

设光轴为z轴，以非球面母镜顶点为坐标原点，则非球面方程可表述为：

z(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Ar4+Br6+Cr8+Dr10+Er12+...---(1)]]>

其中，r²=x²+y²，c为近轴曲率，c=1/R ，R为顶点曲率半径，k为二次曲面常数，k=?e ² ，e为二次曲面的偏心率，A至E为非球面变形系数，

经数学推导后，非球面的母线方程表述为下面的多项式形式：