专利名称：光学零件中高频误差的组合式加工方法
技术领域：
本发明涉及ー种光学零件的加工方法，尤其涉及ー种光学零件中高频误差的控制エ艺方法。
背景技术：
传统的光学加工手段中，加工工具同光学元件之间存在大面积的空间几何接触形态，有利于面形误差连续性的生成，误差表现为宏观尺度，即低频形状误差；而微纳米量级研抛磨料同光学元件材料间的机械化学综合作用，主要体现为微观尺度的误差演变，即高频粗糙度误差。因此，传统加工手段(如古典抛光、环抛等)所得到的エ件表面误差中基本不包含严重的中高频误差形态，能够保证光学元件的良好光学性能。现代先进光学制造方法的发展，趋向于采用计算机控制小工具对光学表面进行确定性可控材料去除，属于计算机控制子口径抛光技术的范畴。由于采用的小工具尺寸一般都远远小于エ件尺寸，因此在实现低频面形误差确定收敛的过程中，越来越倾向于在中高频段形成周期性的小尺度制造误差特征。人们通俗的把这类小尺度制造误差特征归为中高频误差，中高频误差已经成为计算机控制子口径类加工方法的显著特征。磁流变抛光(MRF)的材料去除，主要由高强度梯度磁场下磁流变液的剪切作用实现。磁流变液在高強度磁场的作用下，虽然具有一定的硬度，但其仍然属于柔体的范畴，即磁流变抛光属于ー种柔性抛光方式。这种柔性去除方式，决定了其在对光学表面误差进行加工吋，磁流变液能够同光学表面保持良好的接触状态。当高强度梯度磁场下的磁流变液对エ件表面进行材料去除时,磁流变液形成的柔性抛光模同加工区域发生全面接触,磁流变液的抛光磨料同エ件表面误差均发生作用。由于对材料去除起主导作用的剪切力基本不受面形误差微观分布的影响，因此不论是光学元件表面的凸峰还是凹槽，柔性抛光模对其的去除效率基本一致。换句话说，如果利用磁流变抛光对光学元件表面实行材料均匀去除，那么光学表面的中高频误差特征基本保持不变。然而，磁流变抛光的去除函数特征和面形误差的频域分布决定了其对中高频误差具有一定的修正能力，即通过分配驻留时间可以实现一定中高频误差修正，从而为中高频误差控制提供手段。计算机控制光学表面成形(CCOS)实现材料去除的理论基础是Preston方程,它是ー种依靠正压カ实现材料有效去除的加工方法。典型的CCOS结构是在薄金属板上覆盖浙青，该结构通常也被称为“刚性工具”。浙青盘对エ件表面的材料去除可以从两个方面理解在抛光盘尺寸范围内，去除量宏观表现为去除函数，通常形状为类高斯型。而对于波长小于抛光盘尺寸大小的中高频误差，材料去除遵循“高点优先去除原則”。即当浙青盘加工エ件时，浙青盘首先同エ件表面高点区域发生接触，然后浙青盘发生一定变形以适应エ件表面微观形状变化。由于在エ件表面的高点区域，浙青盘将会产生更大的压力，因此会导致更大的材料去除量，这和Preston方程是吻合的。CCOS的去除机制决定了其对误差频段高于抛光盘尺寸的误差具有一定光顺作用。显然，浙青盘刚性越大，对中高频误差的光顺能力越强；而柔性越大，对中高频的光顺能力越弱。
然而，现有技术中一般都采用单一的去除机制对光学零件的中高频误差进行控制，而单ー的去除机制难以实现中高频误差的有效控制，并且常常残留同去除机制直接相关的加工特征，単一去除机制对光学零件中高频误差的加工效果也有待提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够充分结合MRF和CCOS各自的技术优势、且实现光学零件全频段误差的高效一致收敛、有效提升光学零件性能的光学零件中高频误差的组合式加工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为ー种光学零件中高频误差的组合式加工方法，所述组合式加工方法是先对待加工光学零件进行中高频误差可加工性评估，然后根据评估结果选择性进行下述操作(a)或操作(b)，其中所述中高频误差可加工性评估包括以下步骤首先利用干涉仪测量待加工光学零件的面形误差，然后对得到的面形误差进行PSD(波前功率谱密度)分析，得到面形误差的 PSD曲线，获得PSD曲线的目的就是为了观察面形误差在频率域的分布特性，根据它的分布特性就可以对中高频误差进行适当的判断，并确定中高频误差频率分布特征；根据预先确定的加工时间和加工精度(根据不同的待加工光学零件，经综合考虑后预先拟定加工时间和加工精度)对磁流变抛光工具的去除函数进行优化，得到优化后的去除函数模型(去除函数优化主要反映在优化去除函数的形状和效率上，通过改变去除函数的特征可以改变加エ时间和加工精度，因而根据加工时间和加工精度可以实现去除函数的联合优化)；对优化后的去除函数模型进行频谱分析，得到去除函数的幅值谱线；再根据该幅值谱线获得去除函数的截止频率，并将该截止频率同需要控制的前述中高频误差频率分布进行比较；如果中高频误差频率分布中存在低于截止频率的可修正中高频误差，则转到下述的步骤(2)对该可修正中高频误差进行加工；如果中高频误差频率分布中存在高于截止频率的不可修正中高频误差，则转到下述的步骤(3)对该不可修正中高频误差进行加工；所述操作(a)是指采用磁流变抛光エ艺加工所述可修正中高频误差，直至满足面形精度要求，停止加工；所述操作(b)是指采用计算机控制光学表面成形エ艺加工所述不可修正中高频误差，直至满足面形精度要求，停止加工。上述技术方案中，所述中高频误差可加工性评估主要是基于以下原理磁流变抛光的加工过程本质上是去除函数在エ件表面同驻留时间的ニ维卷积过程，而通过计算机实现确定性材料去除控制则是上述过程的逆过程，加工前输入面形误差和去除函数，利用数学模型输出驻留时间，并通过加工路径上速度的不断变化实现材料去除；将反映加工过程的ニ维卷积模型在频域展开，可以得到下式D (wx, wy) = R(wx, wy) T(wx, wy)+E(wx, wy)(I)式⑴中，D(wx,wy)、R(wx, wy)、T(wx, wy)和 E(wx, wy)分别表示面形误差 d(x, y)、去除函数r(x, y)、驻留时间t(x, y)和残留误差e(x,y)的ニ维Fourier变换形式；出于简化，我们用D、R、T和E分别代表D (wx, wy)、R (wx，wy)、T (wx, wy)和E (wx, wy)，对式⑴进行变换后可得到下式(2):
从信号的角度来看，去除函数在加工过程中充当滤波器的作用，如图I所示。信号T通过系统R滤波得到“纯净”信号D'，信号D'被E污染得到真实信号D，H表示逆滤波系统(驻留时间的求解是对信号进行逆滤波的过程，具体是将光学零件面形误差和去除函数作为输入，得到驻留时间输出，通过机床对驻留时间输出进行实现，从而实现光学零件面形误差的有效收敛)；去除函数的特性决定了其对中高频信号具有截断作用，即其是典型的低通滤波器；去除函数截断中高频信号的特性反映为去除函数的截止频率。要评估光学零件面形误差的中高频误差的可加工性，需要先对磁流变抛光去除函数的修形能力(即去除函数修正光学表面误差的能力)进行定义；评价去除函数的修形能力，一般从去除函数的·频谱入手，由于去除函数在频域上呈现一定的带宽特性，该特性决定着去除函数的修形能力；考虑到去除函数具有低通滤波器特性，去除函数的截止频率大小实质上决定了去除函数的修形能力；当误差频率大于截止频率时，去除函数对其进行信号截断，即去除函数对高于截止频率的误差丧失修形能力。上述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，所述中高频误差可加工性评估过程中，所述截止频率优选为去除函数的幅值谱线下降到峰值5%处的频率。上述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，所述操作(a)中，磁流变抛光エ艺加工所述可修正中高频误差的具体步骤优选包括先对中高频误差可加工性评估过程中測量所得的面形误差进行离散处理，然后对所述优化后的去除函数模型进行离散处理；求解磁流变抛光エ艺所需的驻留时间分布；基于所述的待加工光学零件的形状生成磁流变抛光エ艺的加工路径；最后根据加工路径将所得的驻留时间分布转换为沿加工路径方向的驻留速度分布，并依据驻留速度分布对所述的待加工光学零件进行中高频误差的修正。上述组合式加工方法的操作(a)中，磁流变抛光的去除函数能够修正一定频率分布的中高频误差，但是计算机控制加工过程的离散实现会引入卷积效应，从而引入特定频率的小尺度中高频误差特征。卷积效应引入的特定中高频误差直接同加工路径的规划形式直接相关。比如光栅加工路径会在垂直于离散进给方向上引入同进给步距对应频率的中高频误差特征，而同心圆加工路径会在圆形光学零件母线方向引入同进给螺距对应频率的中高频误差特征，它们在PSD曲线上统一表现为在特定频率处的尖峰状频带误差。因此，在利用磁流变抛光对部分中高频误差进行修正的过程中，还需要抑制这种卷积效应引入的特定中高频误差成分。要抑制这类特定的中高频误差成分，需要降低加工路径的强规律性和规则性，使得误差修正路径呈现出“杂乱无序”的特征态。因此，本发明中所述磁流变抛光エ艺的加工路径优选采用“乱线加工路径”，所述乱线加工路径是指加工路径呈现无规律、无规则的杂乱无序性特征分布。作为更优选的，分析常用的乱线加工路径的典型特征，一般包括以下几点(I)路径遍历预定义的所有离散驻留点；(2)路径经历所有离散驻留点有且仅有一次；(3)路径应当是自回避的(或称非自交的)；(4)路径应当是ー笔画的，中间没有间断，即具有空间连续性。据此分析，乱线加工路径的规划过程本质上是捜索一条遍历所有离散驻留点的路径曲线。典型离散驻留点的网格为均匀正交结构，其任意离散驻留点邻域内存在8个点，假设路径上一点为Pi+当前点为Pi,下一点为pi+1，则路径下一点存在7个理论位置,如图2所示。考虑机床运动性能和路径的平稳实现，将图2中所示的7个pi+1离散驻留点构成的路径分成三类稳定路径、过渡路径和不稳定路径。图2中的点划线路径行进方向同路径当前方向成锐角，此时要求机床ー轴快速反向而另ー轴快速启动，这容易弓I起机床震颤，为不稳定路径；虚线路径行进方向同路径当前方向成直角，要求机床ー轴快速停止而另ー轴快速启动，其对机床动态特性要求低于不稳定路径，为过渡路径；实线路径行进方向同路径当前方向成钝角，只需机床ー轴正常加减速而另ー轴启动，对机床动态特性要求最低，为稳定路径。由此可见，所述乱线加工路径中相邻的三个离散驻留点定义连续的两条加工单元路径；所述稳定路径是指两条加工单元路径的夹角大于90°时的加工路径；所述过渡路径是指两条加工单元路径的夹角等于90°时的加工路径；所述不稳定路径是指两条加工単元路径的夹角小于90°时的加工路径。作为更优选的方案，所述乱线加工路径是以稳定路径为主，以过渡路径和不稳定路径为辅。上述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，所述操作(b)中，所述计算机控 制光学表面成形エ艺加工所述不可修正中高频误差的具体步骤优选包括先根据所述中高频误差可加工性评估过程中确定的中高频误差频率分布特征对计算机控制光学表面成形エ艺用的浙青盘进行优化，优化内容包括确定底面支撑盘的材料、浙青盘的直径和厚度；根据预先设定的光顺时间和中高频误差幅值特性(该特性主要是指前述PSD曲线上中高频段部分的幅值大小)对加工エ艺參数进行优化，优化过程均本领域的属常规技术手段，主要表现为通过设定浙青盘的公自转速度、抛光压カ等參数来改变浙青盘对光学零件表面材料的去除效率，从而使得在加工者预先设定的光顺时间内尽量达到所追求的光顺效果；最后利用优化后的浙青盘井根据优化后的エ艺參数对所述的待加工光学零件进行中高频误差的光顺。CCOS加工过程中浙青盘对中高频误差的作用过程满足“桥接模型”，即光学表面误差是高低连续相接的，当浙青盘在预定压力下同光学表面发生接触时，其最先接触的区域为误差分布的山脊，这时浙青盘就如同在误差高点之间建立了一座桥梁，因此称该模型为“桥接模型”。由于浙青盘一般较薄，属于力学中的薄平板，因此采用Kirchoff薄板理论对其进行受力分析，并引入抗剪刚度，可以建立浙青盘形变的数学模型如下V2 中=--=(3)(V2-^2)W = O P1
D(I-V)式(3)中，Di. ~丨，表示浙青盘的抗剪刚度，D = ~;，表示浙青盘的抗弯
2(1+ V)12(1-V )
刚度；其中，E为浙青盘的杨氏弹性模量，h为浙青盘的厚度，V为泊松比，q为作用于浙青盘上的实际压力，为拉普拉斯算子，# = Vf = l + f没==。加工过程中，抛光盘(即浙青盘)同光学表面的接触状态存在两种情况抛光盘发生低阶弯曲变形以适应表面变化；浙青被压缩以填满抛光盘同光学零件表面间的间隙。实际上，抛光盘发生一定低阶形变，但不足以适应表面误差变化，此时抛光盘同光学表面之间的间隙被浙青填满。浙青在外加压カ的作用下发生挤压变形，如果表面误差较小，那么认为变形后抛光盘能够同光学表面吻合，则浙青挤压变形W。同抛光压カP成正比关系，即
权利要求
1.一种光学零件中高频误差的组合式加工方法，所述组合式加工方法是先对待加工光学零件进行中高频误差可加工性评估，然后根据评估结果选择性进行下述操作(a)或操作(b)，其中 所述中高频误差可加工性评估包括以下步骤首先利用干涉仪测量待加工光学零件的面形误差，然后对得到的面形误差进行PSD分析，得到面形误差的PSD曲线，基于PSD曲线确定中高频误差频率分布特征；根据预先确定的加工时间和加工精度对磁流变抛光工具的去除函数进行优化，得到优化后的去除函数模型；对去除函数模型进行频谱分析，得到去除函数的幅值谱线；再根据该幅值谱线获得去除函数的截止频率，并将该截止频率同需要控制的前述中高频误差频率分布进行比较；如果中高频误差频率分布中存在低于截止频率的可修正中高频误差，则转到下述的操作(a)对该可修正中高频误差进行加工；如果中高频误差频率分布中存在高于截止频率的不可修正中高频误差，则转到下述的操作(b)对该不可修正中高频误差进行加工； 所述操作(a)是指采用磁流变抛光工艺加工所述可修正中高频误差，直至满足面形精度要求，停止加工； 所述操作(b)是指采用计算机控制光学表面成形工艺加工所述不可修正中高频误差，直至满足面形精度要求，停止加工。
2.根据权利要求I所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述中高频误差可加工性评估过程中，所述截止频率为去除函数的幅值谱线下降到峰值5%处的频率。
3.根据权利要求I所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述操作(a)中，磁流变抛光工艺加工所述可修正中高频误差的具体步骤包括先对中高频误差可加工性评估过程中测量所得的面形误差进行离散处理，并对所述优化后的去除函数模型进行离散处理；求解磁流变抛光工艺所需的驻留时间分布；基于所述的待加工光学零件的形状生成磁流变抛光工艺的加工路径；最后根据加工路径将所得的驻留时间分布转换为沿加工路径方向的驻留速度分布，并依据驻留速度分布对所述的待加工光学零件进行中高频误差的修正。
4.根据权利要求3所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述磁流变抛光工艺的加工路径采用“乱线加工路径”，所述乱线加工路径是指加工路径呈现无规律、无规则的杂乱无序性特征分布。
5.根据权利要求4所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述乱线加工路径是以稳定路径为主，以过渡路径和不稳定路径为辅；所述乱线加工路径中相邻的三个离散驻留点定义连续的两条加工单元路径；所述稳定路径是指两条加工单元路径的夹角大于90°时的加工路径；所述过渡路径是指两条加工单元路径的夹角等于90°时的加工路径；所述不稳定路径是指两条加工单元路径的夹角小于90°时的加工路径。
6.根据权利要求I 5中任一项所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述操作(b)中，所述计算机控制光学表面成形工艺加工所述不可修正中高频误差的具体步骤包括先根据所述中高频误差可加工性评估过程中确定的中高频误差频率分布特征对计算机控制光学表面成形工艺用的浙青盘进行优化，优化内容包括确定底面支撑盘的材料、浙青盘的直径和厚度；根据预先设定的光顺时间和中高频误差幅值特性对加工工艺参数进行优化；最后利用优化后的浙青盘并根据优化后的工艺参数对所述的待加工光学零件进行中高频误差的光顺。
7.根据权利要求6所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，所述操作(b)中，所述浙青盘的直径d和厚度h满足以下约束性条件
8.根据权利要求I 5中任一项所述的光学零件中高频误差的组合式加工方法，其特征在于，完成所述操作(a)后，如果还存在不可修正中高频误差，则继续进行所述的操作(b)。
全文摘要
本发明公开了一种光学零件中高频误差的组合式加工方法，该方法是先利用干涉仪测量待加工光学零件的面形误差，然后进行PSD分析，基于PSD曲线确定中高频误差频率分布特征；再根据预先确定的加工时间和加工精度得到优化后的去除函数模型，并获得去除函数的幅值谱线；根据该幅值谱线获得去除函数的截止频率；如果中高频误差频率分布中存在低于截止频率的可修正中高频误差，则采用磁流变抛光工艺加工；如果中高频误差频率分布中存在高于截止频率的不可修正中高频误差，则采用计算机控制光学表面成形工艺加工。本发明能够充分结合MRF和CCOS各自的技术优势、且实现光学零件全频段误差的高效一致收敛、有效提升光学零件性能。
文档编号B24B13/00GK102848287SQ20121034167
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者石峰, 胡皓, 宋辞, 彭小强, 戴一帆, 王贵林 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学