专利名称：基于热加速腐蚀的光学元件加工方法
技术领域：
本发明涉及ー种研磨、抛光机构，该装置适用于非球面光学元件的高效加工。
背景技术：
非球面光学元件具有矫正多种像差，改善成像质量，简化光学系统并扩大视场等诸多优点，在军用和民用领域众多的光电产品中已得到广泛应用。但非球面光学元件的加エ仍然存在设备昂贵、精度低、效率低下的等题，严重制约了相关产业和科研项目的发展。小磨头抛光技术是针对非球面的加工困难提出的ー种定量抛光技木。由于其加工的确定性和广泛性，目前该技术已成为各大光学加工车间主要的加工手段。小磨头的优点是基于高斯型的去除函数，容易实现定量控制，且有小的边缘效应。但其主要缺点是容易产生中高频误差、加工效率低且相关设备昂贵。基于大磨头的抛光技术，是显著提高非球面加工效率的有效方式。目前主要的大磨头技术包括应カ盘技术和应力镜技术，其中应カ镜技术采用球面整面抛光方法，具有更优的加工效率，但由于其弾性力学原理，改技术只能用于超薄反射镜的加工。
发明内容
本发明提供ー种基于热加速腐蚀的研抛方法，主要解决了现有光学元件，尤其是非球面光学元件加工时成本较高，加工效率较低的问题。本发明的具体技术解决方案是该基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，包括以下步骤I]确定加工的目标形状；2]根据确定的目标形状和被加工エ件形状确定被加工エ件表面各点需要去除的量;3]根据步骤2中确定被加工エ件表面各点需要去除的量，设定被加工エ件上各点腐蚀液的温度及腐蚀液需驻留时间；4]通过与被加工エ件相匹配的腐蚀液，依据步骤3中设定的被加工エ件上各点腐蚀液的温度及腐蚀液需驻留时间对被加工エ件进行腐蚀加工，腐蚀至步骤I中确定的加工形状。过程中可能需要多次迭代，最終收敛至一定精度范围内。上述步骤4过程中，还需对被加工エ件表面进行辅助机械抛光，以平滑腐蚀表面，具体可采用传统抛光盘抛光或气囊式机械抛光。上述步骤4中腐蚀加工具体是根据各点腐蚀液的温度建立温度场进行加工，确保生成需要的平衡温度场，将被加工エ件浸泡在温度场腐蚀液中完成，温度场采用电热丝生成，亦可以采用微波式或投影式辐射生成；或采用恒温腐蚀液，通过调整腐蚀时间来完成对被加工エ件表面不同点的腐蚀加工。上述步骤4中，腐蚀加工是在密闭环境中进行，避免了腐蚀液对加工者的影响。本发明的优点在于
I、效率更高。腐蚀液的引入及温度控制变量的引入，大幅提高了材料去除能力，可以实现非球面的铣磨。2、成本低廉。目前常用的CC0S、磁流变、离子束等设备价格昂贵。而该发明仅是常规的温度控制，把复杂精确的轨迹控制转化为相对低廉的温度控制。所需设备且商业可获得，不需要定制。
图I为实施例I原理示意图；图2为实施例2原理示意图；图3为实施例3原理示意图。
具体实施例方式以下给出三种实施例来说明本发明的加工方法。实施例I :如图I所示基于热加速腐蚀的射流研抛方法其中1为6轴エ业机器人，2为喷嘴，3为被加工件，4为密闭室，5为储液装置，6为过滤器，7为エ业机器人控制器，8为エ业PC，9为温度控制器，10为加热装置，11为泵。參照图1，基于热加速腐蚀的射流研抛方法采用将被加工件倒置并连至固定装置上，固定装置一侧设置被加工件，另ー侧与旋转主轴固定连接；腐蚀液可以实现闭环循环利用，在储液装置中倒入与被加工件适配的腐蚀液，经过过滤器、加热装置和泵后，通过喷嘴作用在被加工エ件上，然后腐蚀液夹杂被腐蚀掉的エ件材料重新落入到储液装置中。喷嘴的运动控制是通过エ业机器人来实现的。由于本发明的核心就是利用腐蚀液，因此应注意腐蚀液对其它部件的影响，包括エ业机器人、储液装置、管道等都要进行防腐蚀处理。另外应小心腐蚀液对加工者的影响，因此加工过程中，应使用密闭室来进行隔绝。在进行光学加工时，根据被加工元件的轮廓，计算出运动轨迹上各点的温度与驻留时间；然后生成机器人控制指令，对反射镜进行循环轮廓检测和磨料腐蚀液的射流研抛，直至面型精度RMS达到\ /10，再过渡到常规的磨料水射流，循环往复直至面型精度达到加工要求；同时，为了实现射流喷射到光学元件的温度恒定，要求腐蚀液流速恒定，且喷嘴到エ件表面的距离恒定；加工工程中光学元件固定不动，通过控制喷嘴的运动(要求五轴联动)对光学元件按事先规划的轨迹进行加工，通过控制腐蚀液的温度，及任一点的驻留时间，完成元件表面定量的材料去除；当被加工光学エ件腐蚀研抛达到一定精度后，过渡到常规的磨料水射流抛光，实现最終的面型和光滑表面。本实施方案克服了传统磨料水射流的缺陷，把化学腐蚀原理引入到射流光学加工中，并增加温度控制变量对化学腐蚀进行加速，实现高效的小磨头环带修抛；为了实现光滑的被加工表面，具体エ艺实施过程中，可将腐蚀射流逐渐过渡到磨料水射流。实施例2 如图2所示基于控制腐蚀的气囊式研抛方法其中I气囊式抛光头，2腐蚀液槽，3温控单片机，4计算机，5被加工エ件，6气泵。參照图2，基于控制腐蚀的气囊式研抛方法采用气囊式抛光头，，安装在单轴机上的腐蚀液槽、温控单片机、计算机、被加工エ件和气泵组成。针对被加工エ件不同的尺寸与形状，选择相应的气囊，安装在抛光头上，开动气泵至所需压力，使气囊与エ件接触良好。在腐蚀液槽中倒入与被加工エ件材料相匹配的腐蚀液。在气囊的内表面分布环形电热丝，外表面布置特殊形状抛光皮；在气囊式抛光头中引入电热丝实现所需的温度场，一次实现小口径非球面反射镜的整体材料去除；同时，机械抛光为气囊式，工具与エ件面型可以很好贴合，且采用条形抛光皮，可以获得エ件表面材料的均匀去除。在温度场计算基础上，对电热丝进行加热与保持，确保生成稳定的环带温度场，该部分功能主要是通过温控单片机完成的。エ业计算机提供面向加工者的操作界面，可以方便对温度场的计算及实时跟踪与控制。エ件置于腐蚀液槽中，安装固定好，エ件和腐蚀液槽随单轴机转动。气囊式抛光头安装在单轴机摆架上。在腐蚀液槽中倒入与被加工エ件相匹配的腐蚀液。应注意倒入腐蚀液容量，因为单轴机主轴转动过程中，腐蚀液在离心カ作用下会向周边聚集，应确保腐蚀液槽中间的腐蚀液能覆盖被加工エ件。开动气泵至一定压カ，使气囊与エ件接触良好，启动电 机1-2。依据エ件的面型误差，计算出固定时间内所需的温度场分布，通过温控单片机对电热丝进行温度施加。如此温度平衡一段时间后，放出腐蚀液(可过滤循环使用)，清洗并取下エ件，可以进行面型检测。根据温度分析结果，在气囊内表面分布4条环形电热丝(根据误差状况，可更多)，在气囊的外表面贴上特殊形状抛光皮，实现腐蚀表面的机械辅助平滑。本实施方案通过电热丝在气囊抛光头上施加温度场，可以实现小ロ径光学元件的高效腐蚀加工。采用气囊式的机械辅助使得抛光盘与被加工エ件更好贴合，可用于加工对称型的非球面。实施例3 如图3所示基于辐射温度场加速腐蚀的研抛方法其中1温度场生成设备，2控制器，3计算机，4透明磨具，5被加工エ件，6腐蚀液储液槽，7密闭环境。參照图3，承载机构使被加工元件全部浸泡在腐蚀液储液槽内，承载机构上还设置有透明磨具，抛光模为透明材质，与被加工エ件尺寸相当；温度场生成设备与控制机构连接；承载机构和腐蚀液储液槽均固定设置于旋转轴上。通过温度场生成设备实施确定的温度分布辐射；通过控制密闭环境7实现需要的平衡温度场，在腐蚀液中エ件将实现不同环带的材料去除；透明磨具与エ件轴相对转动及轻微摆动实现表面平滑，从而获得高质量的面型表面。被加工エ件置于腐蚀液储液槽中，安装固定好，被加工エ件和腐蚀液储液槽随单轴机主轴转动，透明磨具具置于被加工エ件上，由于要求磨具能透过辐射光线，要求磨具为透明材料。在腐蚀液储液槽中倒入与被加工エ件相匹配的腐蚀液。应注意倒入腐蚀液容量，因为单轴机主轴转动过程中，腐蚀液在离心力作用下会向周边聚集，应确保槽中间的腐蚀液能覆盖被加工エ件。依据エ件的面型误差，计算出固定时间内所需的温度场分布，通过温度场生成设备来进行施加，确保生成需要的平衡温度场。如此一段时间后，倒出腐蚀液(可过滤循环使用)，清洗并取下エ件，可以进行面型检测。本实施方案通过辐射(微波或投影)实现所需要的温度场，因此可进行大口径光学元件的腐蚀研抛 。使用传统抛光盘挤压实现腐蚀表面的平滑。
权利要求
1.ー种基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，其特征在于，包括以下步骤 1]确定加工的目标形状； 2]根据确定的目标形状和被加工エ件形状确定被加工エ件表面各点需要去除的量； 3]根据步骤2中确定被加工エ件表面各点需要去除的量，设定被加工エ件上各点腐蚀液的温度及腐蚀液需驻留时间； 4]通过与被加工エ件相匹配的腐蚀液，依据步骤3中设定的被加工エ件上各点腐蚀液的温度及腐蚀液需驻留时间对被加工エ件进行腐蚀加工，腐蚀至步骤I中确定的加工形状。
2.根据权利要求I所述的基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，其特征在于所述步骤4进行中，同时对被加工エ件表面进行机械辅助抛光，实现腐蚀表面的光滑；所述抛光是米用传统抛光盘抛光或气囊式机械抛光。
3.根据权利要求2所述的基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，其特征在于所述步骤4中腐蚀加工具体是根据各点腐蚀液的温度建立温度场进行加工，确保生成需要的平衡温度场，将被加工エ件浸泡在温度场腐蚀液中完成，温度场采用电热丝、微波式或投影式。
4.根据权利要求2所述的基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，其特征在于所述步骤4中腐蚀加工具体是采用恒温腐蚀液，通过调整腐蚀液对被加工エ件表面不同点的腐蚀时间来完成腐蚀加工。
5.根据权利要求I至4任一所述的热加速腐蚀的光学元件加工方法，其特征在于所述步骤4中，腐蚀加工是在密闭环境中进行。
全文摘要
本发明提供一种基于热加速腐蚀的研抛方法，主要解决了现有光学元件，尤其是非球面光学元件加工时成本较高，加工效率较低的问题。该基于热加速腐蚀的光学元件加工方法，包括以下步骤1、确定加工的目标形状；2、根据确定的目标形状和被加工工件形状确定被加工工件表面各点需要去除的量；3、根据步骤2中确定被加工工件表面各点需要去除的量，设定被加工工件上各点腐蚀液的温度及腐蚀液需驻留时间；4、腐蚀至步骤1中确定的加工形状。本发明效率高、成本低廉。
文档编号C23F1/08GK102828185SQ201210292350
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者马臻, 许亮, 丁蛟腾, 陈钦芳 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所