专利名称：对轻质反射镜压印效应误差的修正方法
技术领域：
本发明属于精密光学加工技术领域，主要涉及一种修正轻质反射镜“压印效应”误差的射流抛光修正方法。
背景技术：
近几年，随着航天技术的发展，具有高强度、低变形、高反射率的功能材料(如熔石英、ULE、微晶、SiC等)在该领域得以迅速应用。为追求光学系统的集光能力和分辨能力， 并节约制造与发射成本，一般通过采用轻质大尺寸非球面光学元件来提高系统成像质量， 且镜面的厚度越来越薄，即主镜的径厚比越来越高。轻质结构反射镜轻量化的形式主要有三角形、扇形、蜂窝形、圆形及异性孔形等。不同的轻量化结构对轻质镜的减重程度、结构刚度、转动惯量、温度特性、材料去除率及自重变形等特征产生不同的影响。受大口径非球面更高轻量化趋势的影响，轻质镜的装卡与高精度加工方法成了亟待解决的问题。目前，高精度轻质反射镜的光学加工方法主要有数控小工具(CCOS)、能动磨盘 (CCAL)等抛光技术。由于轻质反射镜的口径较大，采用数控小工具和能动磨盘抛光时，磨盘口径都大于或不小于轻质反射镜内部筋孔口径，在加工过程中，轻质镜反射面承受的压强P 主要为磨盘压力。相对于CCOS抛光技术，采用CCAL技术抛光时，镜面承受压力更大，弹性变形更为明显。镜面在磨头压力及重力作用下，结构内部筋支撑区域镜面的弹性变形较孔区域镜面的弹性变形较低，因此，筋支撑区域的镜面去除量较孔区域镜面更多。当镜面外力释放后，筋支撑区凹陷下去，孔区域凸起，当抛光镜面面形达到较高精度时，镜面呈现波浪形。 在外加压力作用下，由于轻质镜镜面各点弹性变形不一致而导致抛光后高精度面形呈现波浪形的现象称之为“压印效应”。重力及磨头压力所引入的“压印效应”已成为轻质结构反射镜高精度加工的技术壁垒。目前消除轻质反射镜“压印效应”的设计方法主要有内腔充气式与浸入充气式。
发明内容
为了解决目前大口径、高量化，高径厚比的轻质反射镜高精度抛光时外加压力引入的“压印效应”误差问题，本发明的目的是提供一种对轻质反射镜压印效应误差的修正方法。为实现本发明的目的，本发明提供对轻质反射镜压印效应误差的修正方法，其修正步骤如下步骤Sl 使用干涉仪检测轻质反射镜，确定轻质反射镜压印效应的误差分布数据，把轻质反射镜对准安装在抛光机床上，根据轻质反射镜口径大小、误差分布间距和安装位置，对应确定轻质反射镜在抛光机床坐标系上的误差分布的位置；步骤S2 从误差分布的位置数据中，获得射流抛光轻质反射镜材料的去除函数和去除函数数据；步骤S3 根据压印效应的误差分布数据和去除函数数据，计算射流抛光过程中的驻留时间分布；步骤S4 根据轻质反射镜压印效应误差位置的分布情况，根据轻质反射镜单元内腔筋孔的形状，采用轨迹规划程序规划射流抛光误差修正过程中的射流抛光运动轨迹；步骤S5 基于驻留时间分布和射流抛光运动轨迹，生成相应的抛光机床数控代码；步骤S6 开启射流抛光系统和机床数控系统，射流抛光头在数控机床的控制下， 冲击射流对准轻质反射镜上不同点进行材料去除加工，从而实现轻质反射镜全口径或局部的误差修正。本发明与现有技术相比的优点在于本发明通过射流抛光循环系统的增压装置对混有磨料粒子的抛光液加速，射流从射流抛光头高速射出，通过轰击轻质反射镜产生“压印效应”误差的区域，实现误差的去除修正。在现有方法抛光过程中，外加压力引起轻质镜内腔孔对应镜面与筋粘接镜面弹性变形不连续而导致高精度抛光后，面形呈现波浪形的“压印效应”已成为轻质结构反射镜高精度加工的技术壁垒。本发明公开的射流抛光“压印效应”修正方法，通过具有柔性的射流进行材料去除加工，射流头远小于轻质镜内腔孔面区域，修正过程中不产生二次压印效应，从而实现大口径，高轻量化反射镜的“压印效应”误差修正和高精度加工。本发明采用的方法是一种柔性加工方法，在定量修正轻质反射镜“压印效应”误差的过程中，不产生二次“压印效应”，能有效地修正轻质反射镜“压印效应”误差，提升轻质反射镜的面形精度。采用射流抛光修正轻质反射镜“压印效应”误差的方法，该方法控制简单、 操作方便，能够实现大口径、高轻量化、高径厚比反射镜的“压印效应”误差的修正。
图1是本发明采用射流抛光修正轻质反射镜“压印效应”误差的方法流程图；图2是本发明“压印效应”误差有限元分析具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提出采用射流抛光方法修正轻质反射镜面形误差，达到消除“压印效应”的目的。射流抛光方法是一种柔性加工方法，通过射流抛光循环系统的增压装置对混有磨料粒子的抛光液加速，射流从射流抛光头高速射出，通过轰击轻质反射镜产生“压印效应”误差的区域，实现误差的去除修正。由于射流抛光头远小于轻质镜内腔孔面区域，射流冲击冲击压力和作用区域都很小，在误差修正过程中不产生二次“压印效应”，从而实现大口径，高轻量化反射镜的“压印效应”误差修正和高精度加工。在轻质反射镜抛光机床上加装一个射流抛光头，射流抛光头通过软管与射流抛光系统连接，通过射流抛光系统的控制系统控制射流的压力、流速，通过数控机床的数控系统控制射流抛光头距轻质反射镜的距离、冲击方向、坐标位置、驻留时间和运动轨迹，实现轻质反射镜表面“压印效应”误差的定量去除。术语说明本发明所指的坐标位置即固定在机床上的轻质反射镜的“压印效应”误差分布坐标位置；术语说明本发明所指的驻留时间即射流作用于轻质反射镜的某个“压印效应”误差坐标位置的时间，即在该点位置的抛光时间；术语说明本发明所指的运动轨迹，是指射流抛光头从一个误差坐标位置运动到另一个误差坐标位置所经过的每个误差位置连接形成的路径信息；采用射流抛光修正轻质反射镜“压印效应”误差的方法，通过在轻质反射镜抛光机床上加装一个射流抛光头，射流抛光头由喷嘴和喷嘴控制装置构成，射流抛光头通过软管与射流抛光系统连接，射流抛光系统包括抛光液循环系统和抛光液增压系统，抛光液循环系统包括回收泵和回收容器，其中回收泵可采用气动隔膜泵，回收容器配有搅拌器，防止抛光液中磨粒沉降；抛光液增压系统包括增压泵和管路控制和监测装置，增压泵可采用液压隔膜计量泵，如prominent Makro/5M5HaH250562型号的隔膜计量泵，通过射流抛光系统的控制系统控制射流的压力、流速，通过数控机床的数控系统控制射流抛光头距轻质反射镜的距离、冲击方向、坐标位置、驻留时间和运动轨迹，实现轻质反射镜表面“压印效应”误差的定量去除。采用射流抛光方法修正轻质反射镜“压印效应”误差的步骤为步骤Sl 采用干涉仪(如Zygo干涉仪)检测轻质反射镜，确定轻质反射镜“压印效应”误差分布数据，把轻质反射镜对准安装在抛光机床上，根据轻质反射镜口径大小、误差分布间距和安装位置，确定轻质反射镜在抛光机床坐标系上的误差分布的位置；步骤S2 从误差分布的位置数据中，获得射流抛光轻质反射镜材料的去除函数和去除函数数据；采用一块与轻质反射镜相同材料的平面镜，检测和保存该平面镜的初始面形数据，然后在射流抛光设备上对该平面镜进行定点材料去除，记录材料去除的时间，然后把材料去除后的平面镜进行面形检测，保存去除后的面形数据，把定点材料去除后的面形数据一一对应地减去初始面形数据，然后除以材料去除的时间，即获得材料去除区域单位时间内的去除函数数据；步骤S3 根据干涉仪检测的“压印效应”误差分布数据和去除函数数据，计算射流抛光过程中的驻留时间分布；采用zernike多项式对误差进行拟合，依次提取轻质反射镜上的各个内腔孔面区域上的“压印效应”误差，拟合离散成与去除函数离散间距一致的“压印效应”误差数据阵列，然后进行驻留时间计算，获得各个内腔孔面区域上的驻留时间分布；由于轻质反射镜口径较大，采用干涉仪检测轻质反射镜“压印效应”误差，受CCD 像素大小的限制，检测结果的“压印效应”误差点的坐标位置间距会很大，甚至超过去除函数的口径范围，在计算驻留时间时会存在数据不匹配或去除函数离散范围太大数据失真， 从而导致驻留时间计算不准确。针对这个问题本发明根据“压印效应”误差分布数据采用 zernike多项式对压印效应误差分布数据和去除函数数据进行拟合，依次提取轻质反射镜上的各个内腔孔面区域上的“压印效应”误差，拟合离散成与去除函数离散间距一致的“压印效应”误差数据阵列，然后射流抛光过程中的驻留时间进行计算，获得各个内腔孔面区域上的驻留时间分布。步骤S4 根据轻质反射镜“压印效应”误差分布位置的情况，根据轻质反射镜单元内腔筋孔的形状，采用轨迹规划程序规划射流抛光误差修正过程中的运动轨迹；
射流抛光运动轨迹与轻质反射镜单元内腔筋孔的形状一致，即当轻质反射镜的内腔筋孔为三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔体等形状时，在修正该内腔筋孔对应的“压印效应”误差区域坐标位置时，使射流抛光运动轨迹与轻质反射镜单元内腔筋孔的形状一致，即当轻质反射镜的内腔筋孔为三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔体的形状时，在修正该内腔筋孔对应的压印效应误差区域坐标位置时，射流抛光运动误差修正轨迹为相应的三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形或异性孔体等形状的环带进行逐一修正，直至不同口径的三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔等形环带遍历该内腔筋孔对应的面形区域误差坐标位置，然后射流抛光头快速运动到下一单元内腔筋孔对应存在 “压印效应”误差的区域坐标位置进行修正抛光。步骤S5 基于驻留时间分布和射流抛光运动轨迹，生成相应的抛光机床的数控代码；步骤S6 开启射流抛光系统和机床数控系统，射流抛光头在数控机床数控代码的控制下，冲击射流对准轻质反射镜上不同误差位置坐标点进行材料去除加工，从而实现轻质反射镜各个内腔孔面区域上的“压印效应”误差修正。图2是本发明采用磨盘抛光轻质反射镜的“压印效应”误差分布有限元分析图，当磨盘施加的压强为1.510 时，轻质反射镜的“压印效应”误差PV值达到155nm，RMS值达到 87nm ；以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
权利要求
1.一种对轻质反射镜压印效应误差的修正方法，其特征在于，所述修正步骤如下 步骤Sl 使用干涉仪检测轻质反射镜，确定轻质反射镜压印效应的误差分布数据，把轻质反射镜对准安装在抛光机床上，根据轻质反射镜口径大小、误差分布间距和安装位置， 对应确定轻质反射镜在抛光机床坐标系上的误差分布的位置；步骤S2 从误差分布的位置数据中，获得射流抛光轻质反射镜材料的去除函数和去除函数数据；步骤S3 根据压印效应的误差分布数据和去除函数数据，计算射流抛光过程中的驻留时间分布；步骤S4 根据轻质反射镜压印效应误差分布位置的情况，根据轻质反射镜单元内腔筋孔的形状，采用轨迹规划程序规划射流抛光误差修正过程中的射流抛光运动轨迹； 步骤S5 基于驻留时间分布和射流抛光运动轨迹，生成相应的抛光机床数控代码； 步骤S6 开启射流抛光系统和机床数控系统，射流抛光头在数控机床的控制下，冲击射流对准轻质反射镜上不同点进行材料去除加工，从而实现轻质反射镜全口径或局部的误差修正。
2.根据权利要求1所述的对轻质反射镜压印效应误差的修正方法，其特征在于，采用 zernike多项式对压印效应误差分布数据和去除函数数据进行拟合，依次提取轻质反射镜上的各个内腔孔面区域上的压印效应误差，拟合离散成与去除函数离散间距一致的压印效应误差数据阵列，然后对射流抛光过程中的驻留时间进行计算，获得各个内腔孔面区域上的驻留时间分布。
3.根据权利要求1所述的对轻质反射镜压印效应误差的修正方法，其特征在于，在修正局部压印效应误差时，使射流抛光运动轨迹与轻质反射镜单元内腔筋孔的形状一致，即当轻质反射镜的内腔筋孔为三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔体的形状时，在修正该内腔筋孔对应的压印效应误差区域坐标位置时，射流抛光运动误差修正轨迹为相应的三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔体形状的环带进行逐一修正，直至不同口径的三角形体、扇形体、蜂窝形体、圆形体或异性孔体的形环带遍历该内腔筋孔对应的面形区域误差坐标位置，然后射流抛光头运动到下一单元内腔筋孔对应存在压印效应误差的区域坐标位置进行修正抛光。
全文摘要
本发明是一种对轻质反射镜压印效应误差的修正方法，是确定轻质反射镜压印效应的误差分布数据，把轻质反射镜对准安装在抛光机床上，确定轻质反射镜在抛光机床坐标系上的误差分布的位置；获得射流抛光轻质反射镜材料的去除函数和去除函数数据；根据压印效应的误差分布数据和去除函数数据，计算射流抛光过程中的驻留时间分布；根据轻质反射镜压印效应误差位置的分布情况，规划射流抛光误差修正过程中的射流抛光运动轨迹；基于驻留时间分布和运动轨迹，生成相应抛光机床的数控代码；开启射流抛光系统和机床数控系统，射流抛光头在数控机床的控制下，冲击射流对准轻质反射镜上不同点进行材料去除加工，从而实现轻质反射镜全口径或局部的误差修正。
文档编号B24C1/08GK102501180SQ20111032985
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者万勇建, 伍凡, 张亮, 徐清兰, 施春燕, 范斌 申请人:中国科学院光电技术研究所