[发明专利]光学元件表面的修形加工方法及用于该方法的数控机床

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件加工技术领域，尤其涉及一种光学元件的修形加工方法及用于该方法数控加工设备。

背景技术

目前，计算机控制光学表面成形技术(CCOS技术)已被广泛应用到中大口径高陡度光学元件的超精密加工中，较传统的手工修抛技术而言，其加工效率与加工精度更高。CCOS技术是指用一个比工件小得多的工具(可简称为小工具)，在计算机控制下以特定的路径、速度在光学元件表面运动，通过控制每一区域内的驻留时间、加工压力等参数，精确地控制光学元件表面材料的去除量，达到修正误差、提高面形精度的目的。CCOS技术的突出优点在于计算机控制的小工具能够有效地针对光学元件面形误差的高点区域进行加工，从而迅速减小面形误差，有效提高光学元件的精度。

采用CCOS技术对光学元件进行加工时，小工具的运动路径一股采用ρ-θ和X-Y两种扫描方式：

1、ρ-θ扫描方式：如图1所示，ρ-θ扫描方式是指工件通过安装工件的转台作旋转运动(角度为θ)，小工具在工件的一个半径方向(距离为ρ)上做直线运动，小工具相对工件的运动轨迹即为螺旋线或同心圆。采用ρ-θ扫描方式容易对工件进行环带修正，适合加工回转对称的光学元件。

采用ρ-θ扫描方式对工件进行加工时，随着工件加工精度的上升，工件需去除的材料越来越少，而越靠近工件的中心，螺旋线所包围的区域越小，因此计算所得到的驻留时间也非常小，从而导致加工工件的中心区域时，工件的转动速度很快，这一股会超过机床的容许速度。此时如果直接采用速度截断的方式，用机床容许的最高速度代替中心计算速度，往往会造成工件中心出现“过切”的现象，在工件中心出现一个较深的“孔洞”；采用等面积螺旋线路径对工件进行加工可以克服这一缺点，但这种等面积螺旋线路径在工件中心区域的螺距往往过大，这将导致加工后工件中心的加工纹路十分明显，影响工件的加工质量和加工精度。

2、X-Y扫描方式：如图2所示，X-Y扫描方式是指小工具在在工件表面沿X-Y直角坐标系中的X方向或Y方向作光栅式扫描运动，小工具在整个工件表面上做往返运动对工件进行加工。采用X-Y扫描方式时，小工具在工件上各点的驻留时间的计算是线性的，计算简单，可以加工回转和非回转对称光学元件。

如图3所示，在采用上述任一种扫描方式进行加工时，一股始终保持工具的轴向与工件的光轴(即OO′轴)方向平行，其是在平行于工件光轴方向(亦即坐标系的Z轴方向)上对工件表面施加正压力。对于非平面光学元件，工件表面上各点的法向方向是不同的。如果小工具在加工过程中其轴向定位保持不变，当其在工件表面移动时，加压的方向与工件表面法向之间存在一定偏差，这将导致小工具对工件表面各点的压力不均匀，使小工具去除函数的对称性和稳定性等发生变化，最终难以对加工过程进行准确的预测和控制，使面形无法迅速收敛到期望值；且这种影响随着被加工工件的陡度的增大(工件光轴与工件表面法向之间的夹角α即表示陡度，当小工具从工件的中心O点运动到A点时，陡度逐渐增大)，而越来越严重。

为了克服上述加压不均所造成的不利影响，在加工过程中需随时调整小的加压方向，使其与工件表面各点的法向一致。即，需要对小工具位置(x，y，z)和其相对工件的方向进行控制。由于中只有任意两个量独立，所以一股要求加工机床具有五自由度可控的能力。

为了实现上述目的，有CCOS加工机床的小工具采用了万向联轴节6(或者球铰机构)。如图4所示，小工具包括与工件9接触的研抛盘3，研抛盘3通过万向联轴节6与自转轴21连接。万向联轴节6能够使研抛盘3适应一定角度范围内工件9表面法向的变化情况，在定压浮动的作用下使研抛盘3始终与被加工工件9表面紧密吻合，实现对表面为曲面的工件9进行加工。当工件9表面的陡度较小时，在加工过程中可始终保持工具轴与工件9的光轴方向平行，研抛盘3与工件9之间的压力变化很小，其引起的去除函数模型变化以及对工件9表面加工质量的影响可以忽略。故对于低陡度工件，万向联轴节6可以减少一个摆动自由度，使机床的结构和数控系统都大为简化。但对于高陡度工件，如果始终采用与光轴平行的自转轴21对工件9表面施加压力，由于工件9表面曲面的角度变化对去除函数的影响不可忽略，因此仍然要求机床具有五自由度可控的能力，这不仅对机床的结构和数控系统的要求较高，且工件9表面各加工点的位置坐标、自转轴21偏置角度的计算都较为复杂。

发明内容