[发明专利]大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间光学系统的制造技术领域，具体涉及空间光学系统中的大口径离轴非球面反射镜的精密铣磨加工方法。

背景技术

离轴非球面反射镜是空间光学系统不可或缺的核心光学元件。由三片离轴非球面反射镜构建的离轴三反消像散系统（TMA, Three-Mirror-Anastigmat），具有可消除像散、无中心遮拦、长焦距、大视场、宽波段、可有效抑制杂光、成像清晰等特点。因而，使用离轴三反系统已经成为当今空间光学系统的主流设计思想。为了保证可见光波段的成像质量，空间光学系统所需的离轴非球面元件不仅要求具有3 nm以下的表面粗糙度，更是对其形状精度提出了极高的要求，一般要保证在1/50λ RMS (λ=632.8 nm)以下。

离轴非球面是按照给定几何形状及尺寸从回转对称的非球面母镜上截取下的一部分。因此离轴非球面本身不再具有旋转对称特性，是一种典型的自由曲面光学元件。由于离轴非球面不仅形状复杂而且形状精度要求极高，因而加工异常困难。加工大口径的离轴非球面则更是一项长期任务。

现有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。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。因此必须通过很长的研磨周期（几个月甚至半年）才能修正如此大的面形偏差量。本发明提出了不再沿用原有的按最接近球面进行铣磨成型的方法，而是按设计非球面直接铣磨成型，尽可能缩短后续精密研磨加工周期。

现有方法提出将光学元件摆放在离轴位置，使离轴非球面的加工变为轴对称的非球面加工问题，这种方法仅适用小离轴量、小口径光学元件的加工，对大离轴量(300 mm以上)及大口径（1米量级）的光学元件，如果再采用上述办法，不仅因为机床空走刀时间巨大导致加工效率很低，而且要求机床必须具有长行程和大直径转台，这样的机床造价昂贵，实际加工中很难实现。 

发明内容

本发明为解决现有将光学元件摆放在离轴位置进行加工时存在机床空走刀时间长，导致加工效率很低，并且此方法要求机床必须具有长行程和大直径的转台，从而导致机床造价昂贵的问题，提供一种大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法。

大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立离轴非球面反射镜的CAD模型；

步骤二、对步骤一建立的CAD模型生成优化加工轨迹；

步骤三、生成五轴联动数控加工程序的后处理软件，并将被加工的离轴非球面反射镜放置在所述的机床转台上；

步骤四、调整步骤三所述的被加工的离轴非球面反射镜的几何中心与机床转台的回转中心重合，然后将被加工的离轴非球面反射镜固定在机床转台上； 

步骤五、采用超声波振动辅助五轴联动斜轴定角度加工方式驱动机床，按照步骤二所述的加工轨迹对被加工的离轴非球面反射镜进行加工；获得大口径离轴非球面反射镜。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的铣磨加工方法，将工件定位于转台中心，并按照设计的离轴非球面镜面形状直接铣磨成型。采用该方法可加工的最大工件尺寸，不再受工件离轴量大小的影响，可最大程度发挥机床的加工能力；同时由于不再具有空走刀时间，总的加工时间大幅度减小，可实现高效率加工。

二、本发明所述方法采用五轴联动斜轴定角度加工方式；加工过程中砂轮轴的倾斜角度随着被加工光学元件表面曲率变化而变化，这样可以使砂轮上的磨削点在加工过程中始终不变，省去了程序补偿刀具点变动的工作，有利于实现高精度加工。

三、本发明采用了螺旋中心在工件外的螺旋式加工路径，采用该路径加工的工件表面不存在螺旋中心，因而也就不存在传统方法加工时螺旋中心处残留的Λ字形凸台，或是V字形凹坑，加工表面质量一致性好。

四、本发明使用45度斜置摆头实现了三维斜角磨削方式，有别于传统方法使用垂直摆头产生的二维磨削方式。并且把超声振动辅助加工方法引入到五轴联动加工领域。

附图说明

图1为本发明所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法的流程图；

图2为本发明所述的大口径离轴非球面反射镜的五轴精密超声铣磨加工方法中步骤一所述的建立的离轴非球面模型；