专利名称：一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法
技术领域：
本发明涉及脆性光学元件超精密加工领域，具体涉及一种利用单点金刚石铣削 (SPDT)法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法。
背景技术：
人类对化石能源的严重依赖是环境恶化的主因，寻找新的替代能源刻不容缓。聚 变能源清洁、无污染且几乎取之不尽，利用激光控制核聚变来获取能源是未来解决能源问 题的理想途径，目前各发达国家对其均给予高度重视。激光驱动器所输出的激光要求具有 很好的光束质量、足够高的激光能量和功率密度，为满足该要求需配合使用大量的电光、非 线性光学材料元件，如KDP晶体、钕玻璃、K9玻璃、石英玻璃等。激光约束核聚变装置对这 些元件的共同要求是高精度面形、超光滑表面，大尺寸以及大的批量，其中，高的面形精度 是需要特别重视的技术指标。由于系统光路较长，光学表面较多，元件在制造与装配时形 成的面形误差在激光传输过程中会产生较大的静态波前误差，其不仅降低元件的激光损伤 阈值，更会影响激光系统的输出光束质量，严重时形成的较大波前畸变将使聚焦光斑弥散， 直接导致靶面上能量集中度降低或更为致命的打靶堵孔现象，威胁整套系统安全。且构建 系统所需光学元件多为脆性材料，而单点金刚石铣削(Singl印ointdiamondturning，SPDT) 技术是目前加工脆性材料的一种较好的加工方法，尤其是针对作为Pockels盒和非线性频 率转换元件的软脆材料KDP晶体，SPTD法更是以其无塌边等优势而成为目前该晶体加工方 法之首选。然而，由于SPTD铣床采用较大直径的“飞刀”盘回转运动去除材料，在加工大尺 寸的光学元件时很难保证飞刀盘回转轴线与工作台进给直线方向始终垂直，因而加工过程 中极易引入面形误差，较大面形误差会引起严重的波前畸变，其可能会导致整套系统崩溃 性破坏，是必须抑制的制造误差。
发明内容
为了解决现有的SPDT法在加工大尺寸光学元件时平面度误差大、面形精度难以 保证的问题，本发明提供一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法。本发明的一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法，它 是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座、飞刀盘支架、两个数字水平仪和飞刀盘， 所述飞刀盘固定在飞刀盘支架的中心位置，所述两个数字水平仪位于飞刀盘支架上表面， 所述两个数字水平仪用于标定飞刀盘的水平位置，还用于测量所述飞刀盘的偏转角度，所 述飞刀盘支架底部与机座之间固定有第一楔形球面支撑体、第二楔形球面支撑体和第三楔 形球面支撑体，所述第一楔形球面支撑体、第二楔形球面支撑体和第三楔形球面支撑体用 于支撑飞刀盘支架，还用于微调所述飞刀盘支架的倾斜角度，所述第一楔形球面支撑体的 中心、第二楔形球面支撑体的中心和第三楔形球面支撑体的中心连线组成等腰三角形，其中第三楔形球面支撑体的中心为该等腰三角形的顶点，该等腰三角形的中心点位于飞刀盘 的旋转轴线上，所述三个楔形球面支撑体的结构相同，所述每个楔形球面支撑体包括L形 支撑板、移动板、球形支撑板、楔形块、调整螺栓和调整螺母，球形支撑板位于移动板上，并 且该球形支撑板的球面嵌入移动板内，所述移动板位于L形支撑板上，并且所述移动板的 一端与L形支撑板的竖板相邻，所述移动板的底面与L形支撑板的横板之间形成楔形空间， 楔形块嵌入在该楔形空间内，所述调整螺栓穿过L形支撑板的竖板后与楔形块的小端螺纹 连接，位于L形支撑板外的调整螺母与调整螺栓螺纹连接，所述控制方法的具体过程为
步骤一利用干涉仪检测机座上的大尺寸光学元件的平面度形貌及平面度误差△，所 述平面度形貌为凹面或凸面；
步骤二 根据平面度误差A计算飞刀盘轴线倾角
其中，
R为飞刀盘的半径，B为大尺寸光学元件的一条边的边长，并且该条边长与机座进给方向垂 直；
步骤三判断步骤一中检测获得的平面度形貌是否为凹面，如果是，则执行步骤四，否 则执行步骤五；
步骤四通过旋进第二楔形球面支撑体的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入量 或旋出第一楔形球面支撑体的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量，以实现飞刀盘 偏转P角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体的调整螺栓以消除或减小飞刀盘沿垂直机 座进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；
步骤五通过旋进第一楔形球面支撑体的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入 量，或旋出第二楔形球面支撑体的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量以实现飞刀 盘偏转P角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体的调整螺栓以消除或减小飞刀盘沿垂直 机座进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；
步骤六利用步骤四或步骤五调整后获得的机床对大尺寸光学元件进行二次超精密加 工，再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件的平面度形貌及平面度误差△，并判断检 测获得的平面度误差△是否满足聚变系统要求，如果是，则执行步骤七，否则返回步骤二， 进行再次调整加工；
步骤七完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制。本发明的有益效果为本发明能够实现单点金刚石铣削光学元件面形的精确检测 与控制；本发明的通过调整各楔形球面支撑体的位置，保证了飞刀盘回转轴线与工作台进 给直线方向始终垂直，可实现Pm级别甚至更高的调节精度，其与数字水平仪配合使用实 现了将被加工的大尺寸光学元件的平面度误差控制在聚变系统要求的范围内；本发明的方 法实现了平面度误差的控制，该控制原理简单，操作安全，结果可靠，且因可避免对大尺寸 光学元件U的反复加工而使加工效率得以提高，对ICF工程具有重要意义。
图1是本发明的一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制 方法的流程图，图2是现有的加工机床的结构示意图，图3是现有的加工机床中的每个楔形 球面支撑体的结构示意图，图4是图3的主视图；图5是本发明中检测到的大尺寸光学元件U的平面度形貌为凹面的示意图，图6是本发明中检测到的大尺寸光学元件U的平面度形貌 为凸面的示意图；图7是本发明中飞刀盘4的结构示意图；图8是本发明中机座1与大尺寸 光学元件U的位置示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一根据说明书附图1、2、3、4、5、6、7和8具体说明本实施方式，本 实施方式所述的一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法，它是 基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座1、飞刀盘支架2、两个数字水平仪3和飞刀盘 4，所述飞刀盘4固定在飞刀盘支架2的中心位置，所述两个数字水平仪3位于飞刀盘支架 2上表面，所述两个数字水平仪3用于标定飞刀盘4的水平位置，还用于测量所述飞刀盘4 的偏转角度，所述飞刀盘支架2底部与机座1之间固定有第一楔形球面支撑体2-1、第二楔 形球面支撑体2-2和第三楔形球面支撑体2-3，所述第一楔形球面支撑体2-1、第二楔形球 面支撑体2-2和第三楔形球面支撑体2-3用于支撑飞刀盘支架2，还用于微调所述飞刀盘支 架2的倾斜角度，所述第一楔形球面支撑体2-1的中心、第二楔形球面支撑体2-2的中心和 第三楔形球面支撑体2-3的中心连线组成等腰三角形，其中第三楔形球面支撑体2-3的中 心为该等腰三角形的顶点，该等腰三角形的中心点位于飞刀盘4的旋转轴线上，所述三个 楔形球面支撑体的结构相同，所述每个楔形球面支撑体包括L形支撑板2-11、移动板2-12、 球形支撑板2-13、楔形块2-14、调整螺栓2-15和调整螺母2-16，球形支撑板2_13位于移动 板2-12上，并且该球形支撑板2-13的球面嵌入移动板2-12内，所述移动板2-12位于L形 支撑板2-11上，并且所述移动板2-12的一端与L形支撑板2-11的竖板相邻，所述移动板 2-12的底面与L形支撑板2-11的横板之间形成楔形空间，楔形块2-14嵌入在该楔形空间 内，所述调整螺栓2-15穿过L形支撑板2-11的竖板后与楔形块2-14的小端螺纹连接，位 于L形支撑板2-11外的调整螺母2-16与调整螺栓2-15螺纹连接，所述控制方法的具体过 程为
步骤一利用干涉仪检测机座1上的大尺寸光学元件U的平面度形貌及平面度误差 A，所述平面度形貌为凹面或凸面；
步骤二 根据平面度误差A计算飞刀盘轴线倾角
,其中，
R为飞刀盘4的半径，B为大尺寸光学元件U的一条边的边长，并且该条边长与机座1进给 方向垂直；
步骤三判断步骤一中检测获得的平面度形貌是否为凹面，如果是，则执行步骤四，否 则执行步骤五；
步骤四通过旋进第二楔形球面支撑体2-2的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌 入量或旋出第一楔形球面支撑体2-1的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量，以实 现飞刀盘4偏转5角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体2-3的调整螺栓以消除或减小 飞刀盘4沿垂直机座1进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；
步骤五通过旋进第一楔形球面支撑体2-1的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌 入量，或旋出第二楔形球面支撑体2-2的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量以实 现飞刀盘4偏转0角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体2-3的调整螺栓以消除或减小飞刀盘4沿垂直机座1进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；
步骤六利用步骤四或步骤五调整后获得的机床对大尺寸光学元件U进行二次超精密 加工，再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件U的平面度形貌及平面度误差△，并判 断检测获得的平面度误差△是否满足聚变系统要求，如果是，则执行步骤七，否则返回步 骤二，进行再次调整加工；
步骤七完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件U的平面度误差控制。本实施方式中，所述聚变系统要求为大尺寸光学元件U的最大射波前误差< \ /6， 其中，X表示入射激光波长。本实施方式中，用来测定元件面形精度的干涉仪为美国ZYG0公司生产的激光数 字干涉仪，其利用干涉方法实时快速检测平面、球面面形，光学部分采用菲索干涉原理，数 字处理部分采用位相法和条纹法两种方法进行干涉图判读，重复精度可达1/100波长峰谷
值 干涉仪的镜头选用可参考
其中，D为镜头有效径(riOOmm)，,为焦
距(focallength)，R为待测面曲率半径，d为测试范围直径，F= / /D为镜头参数，F值可以 选择 0. 75,1. 5,3. 3 或 7. 2。本实施方式中，所检测的平面(实际为凹面或凸面)曲率半径非常大，可能要远远 大于被测面尺寸，故应选用较大F值的镜头。另外，ZYG0干涉仪对震动非常敏感，实际测量 时需采取相关隔震措施。本实施方式中，利用数字水平仪的微机接口，通过监控软件可以清楚地了解飞刀 盘4的轴线与机座1水平工作台的垂直状况，并可以秒级精度调整飞刀盘4的偏转角度。本实施方式中的相互垂直布置的两个数字式数字水平仪3的型号为DL11，该型号 数字水平仪最高测量精度为0. 001mm/m，其结果还可以角度(秒)为单位输出，并且配备标准 RS232接口，可与计算机连接实时监控飞刀盘支架2水平状态，即获取飞刀盘4的水平状态。本实施方式中的每一个楔形球面支撑体也可以采用申请号为201010195838. 2的 中国专利中的调整机构。
权利要求
一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法，所述控制方法是基于加工机床实现的，所述加工机床包括机座(1)、飞刀盘支架(2)、两个数字水平仪(3)和飞刀盘(4)，所述飞刀盘(4)固定在飞刀盘支架(2)的中心位置，所述两个数字水平仪(3)位于飞刀盘支架(2)上表面，所述两个数字水平仪(3)用于标定飞刀盘(4)的水平位置，还用于测量所述飞刀盘(4)的偏转角度，所述飞刀盘支架(2)底部与机座(1)之间固定有第一楔形球面支撑体(2-1)、第二楔形球面支撑体(2-2)和第三楔形球面支撑体(2-3)，所述第一楔形球面支撑体(2-1)、第二楔形球面支撑体(2-2)和第三楔形球面支撑体(2-3)用于支撑飞刀盘支架(2)，还用于微调所述飞刀盘支架(2)的倾斜角度，所述第一楔形球面支撑体(2-1)的中心、第二楔形球面支撑体(2-2)的中心和第三楔形球面支撑体(2-3)的中心连线组成等腰三角形，其中第三楔形球面支撑体(2-3)的中心为该等腰三角形的顶点，该等腰三角形的中心点位于飞刀盘(4)的旋转轴线上，所述三个楔形球面支撑体的结构相同，所述每个楔形球面支撑体包括L形支撑板(2-11)、移动板(2-12)、球形支撑板(2-13)、楔形块(2-14)、调整螺栓(2-15)和调整螺母(2-16)，球形支撑板(2-13)位于移动板(2-12)上，并且该球形支撑板(2-13)的球面嵌入移动板(2-12)内，所述移动板(2-12)位于L形支撑板(2-11)上，并且所述移动板(2-12)的一端与L形支撑板(2-11)的竖板相邻，所述移动板(2-12)的底面与L形支撑板(2-11)的横板之间形成楔形空间，楔形块(2-14)嵌入在该楔形空间内，所述调整螺栓(2-15)穿过L形支撑板(2-11)的竖板后与楔形块(2-14)的小端螺纹连接，位于L形支撑板(2-11)外的调整螺母(2-16)与调整螺栓(2-15)螺纹连接，其特征在于所述控制方法的具体过程为步骤一利用干涉仪检测机座(1)上的大尺寸光学元件(U)的平面度形貌及平面度误差Δ，所述平面度形貌为凹面或凸面 ；步骤二根据平面度误差Δ计算飞刀盘轴线倾角，其中，R为飞刀盘(4)的半径，B为大尺寸光学元件(U)的一条边的边长，并且该条边长与机座(1)进给方向垂直；步骤三判断步骤一中检测获得的平面度形貌是否为凹面，如果是，则执行步骤四，否则执行步骤五； 步骤四通过旋进第二楔形球面支撑体(2-2)的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入量或旋出第一楔形球面支撑体(2-1)的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量，以实现飞刀盘(4)偏转角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体(2-3)的调整螺栓以消除或减小飞刀盘(4)沿垂直机座(1)进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；步骤五通过旋进第一楔形球面支撑体(2-1)的调整螺栓来增加该支撑体的楔形块的嵌入量，或旋出第二楔形球面支撑体(2-2)的调整螺栓来减少该支撑体的楔形块的嵌入量以实现飞刀盘(4)偏转角度，同时通过调整第三楔形球面支撑体(2-3)的调整螺栓以消除或减小飞刀盘(4)沿垂直机座(1)进给方向上的倾斜量，然后执行步骤六；步骤六利用步骤四或步骤五调整后获得的机床对大尺寸光学元件(U)进行二次超精密加工，再利用干涉仪重新检测所述大尺寸光学元件(U)的平面度形貌及平面度误差Δ，并判断检测获得的平面度误差Δ是否满足聚变系统要求，如果是，则执行步骤七，否则返回步骤二，进行再次调整加工；步骤七完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件(U)的平面度误差控制。931347dest_path_image001.jpg,811578dest_path_image002.jpg,249512dest_path_image002.jpg
全文摘要
一种单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制方法，它涉及大尺寸脆性光学元件超精密加工领域。它解决了现有的SPDT法在加工大尺寸光学元件时平面度误差大、面形精度难以保证的问题，本发明首先利用干涉仪检测机座上的大尺寸光学元件的平面度形貌及平面度误差Δ，然后根据平面度误差Δ计算飞刀盘轴线倾角，再根据检测获得的平面度形貌调整三个楔形球面支撑体，以实现飞刀盘偏转角度，最后利用调整好的机床对光学元件进行二次超精密加工，再利用干涉仪重新检测平面度形貌及平面度误差Δ，当平面度误差Δ满足聚变系统要求时，完成单点金刚石铣削法加工大尺寸光学元件的平面度误差控制。本发明适用于大尺寸光学元件的面形加工。
文档编号B23Q15/013GK101870002SQ20101022128
公开日2010年10月27日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者孙雅洲, 张飞虎, 张龙江, 李明全, 梁迎春, 王键, 许乔, 陈明君 申请人:哈尔滨工业大学