用于加工全频段高精度非球面光学元件的柔性抛光小工具的制作方法

本申请是申请号201510149320.8、申请日为2015年4月1日、发明名称为“全频段高精度非球面光学元件的加工方法”的发明专利申请的分案申请

本发明属于非球面光学元件的数控加工领域，具体涉及一种非球面光学元件的全频段误差控制的方法。

背景技术：

随着现代光学元件加工技术的发展，传统的手工加工非球面的方法已经逐步被有着以“确定性加工”为标志的现代先进制造技术——计算机控制光学表面成形(ccos)技术所取代。ccos技术是一种利用计算机控制小工具实现确定区域的确定量加工的技术，其实现材料去除的理论基础是preston方程，它是一种依靠正压力实现材料有效去除的加工方法。典型的小工具结构是在一个金属底盘上覆盖一层沥青，由于整个小工具的刚度较大，所以通常被称为刚性盘。在小工具抛光范围内，材料的去除可以宏观的表现为去除函数，通常形状为类高斯型。另外小工具在抛光的过程中，材料的去除遵循“高点优点去除”原则，即当小工具在加工时，首先是与工件表面的高点区域发生接触，然后沥青材料会在正向压力的作用下发生微观形变，以适应工件表面微观结构，因为高点区域所受的压力比其他区域大，所以造成的材料去除量也大，这和preston方程也是相吻合的。由于使用的小工具尺寸一般都远远小于工件尺寸，因此在实现低频面形误差确定收敛的同时，越来越多的小尺度误差也在随之产生。另外，由于传统小工具是刚性抛光盘，它无法满足非球面表面各处的曲率变化，因此，给非球面制造带来了许多困难，尤其是非球面表面的中高频误差控制。

为了有效抑制这些中高频误差，越来越多的数控机床组合加工非球面的方法被提出。组合加工的思想是结合不同加工方式的优点，分阶段的将待加工元件分配给不同的加工方式，最终得到一个高精度的光学表面。例如，国防科大提出了一种采用数控小工具、磁流变加工和离子束加工相结合的方法来控制中高频误差。这种加工方式先使用数控小工具对低频面形精度达标的非球面表面进行平滑，然后利用磁流变抛光技术的柔性抛光原理，来抑制数控小工具抛光所产生的周期性环带误差，之后又再次使用数控小工具快速平滑磁流变加工所产生的小尺度误差，最后使用离子束抛光技术来提高最终的面形精度。该方法虽然有效的抑制了加工过程中所产生的中高频误差，实现了高精度的非球面元件的加工，但是，该方法的加工过程过于繁琐，需要使用到三台精密数控机床，加工成本极高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种低成本、易实现且加工效率高的全频段高精度非球面加工方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明提出的技术方案是一种全频段高精度非球面加工的方法，其包括以下步骤：

步骤1)将待加工非球面元件铣磨成形后，用干涉仪测量非球面面形误差；

步骤2)根据测得的面形误差，选择口径大小不大于该非球面直径1/4的柔性抛光小工具，再根据该小工具在不同公自转速度条件下的去除函数的形状，选择类高斯型去除函数，确定数控机床的加工参数；

步骤3)将待加工非球面元件放置在机床的加工平台上，将加工参数输入到机床控制中心，按变步距螺旋加工路径进行抛光工艺；

步骤4)一个周期抛光结束后，对待加工非球面元件进行面形检测，根据面形误差数据的反馈情况，重复步骤2、3、4直至非球面的低频面形精度达标；

步骤5)对低频面形精度达标的面形数据进行功率谱密度(powerspectraldensity,psd)分析，根据psd曲线确定的中高频误差频率分布特征，选择口径大小不小于非球面直径1/3的大口径柔性抛光小工具，再对非球面元件进行光顺工艺加工，重复数次直至中高频误差得到有效控制。

上述全频段高精度非球面加工方法中，所述的柔性抛光小工具包括金属底盘、发泡硅胶板和沥青抛光层，其可以通过机床提供的压力，实现抛光小工具与非球面表面的实时吻合。所述的发泡硅胶板置于所述的金属底盘和抛光胶之间。

上述全频段高精度非球面加工方法中，所述的光顺工艺是小工具采用单自转运动方式并匀速平滑待加工面的工艺，能在保证低频面形的同时，有效的平滑待加工面，提高表面质量。

上述全频段高精度非球面加工方法中，所述的加工方法仅使用一台ccos数控小磨头机床就实现了非球面光学元件的全频段高精度加工。

与现有的加工技术相比，本发明的优点在于：本发明所使用的柔性抛光小工具能够通过机床提供的正向压力，而实现抛光小工具自适应非球面表面面形，在保证低频面型的同时，能够有效的抑制由于抛光盘无法与非球面表面吻合所产生的中高频误差；本发明所述的光顺工艺采用小工具单自转运动方式并匀速平滑待加工面，较行星运动方式，更能有效的抑制中高频误差，提高光学表面质量；本发明仅使用ccos数控小磨头机床就加工出了全频段高精度非球面表面，找到了一种低成本、易实现且高效的加工方法。

附图说明

图1是本发明全频段高精度非球面加工方法的流程图。

图2是本发明实施例中柔性抛光小工具的结构示意图。

图3是本发明实施例中抛光和光顺阶段所使用的等步距螺旋加工路径示意图。

图例说明：

1、金属底盘；2、发泡硅胶板；3抛光胶

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例加工方法的加工对象为一块200mm，顶点曲率半径1700mm的凸非球面镜。参阅图1，本实施例全频段高精度非球面加工方法的操作步骤如下：

步骤1)将待加工非球面元件铣磨成形后，用干涉仪测量此时非球面面形误差。

步骤2)根据测得的面形误差数据，选择口径大小不大于非球面直径1/4的柔性抛光小工具，再根据该小工具在不同公自转速度条件下的去除函数的形状，选择最优的类高斯型去除函数，并由此确定出数控机床的加工参数，包括公自转速度、偏心距、正向压力等。

步骤3)将待加工非球面元件放置在机床的加工平台上(待加工面朝上放置)，并将加工参数输入到机床控制中心，按变步距螺旋加工路径进行抛光工艺。

步骤4)一个周期抛光结束后，对加工元件进行面形检测，根据面形误差数据的反馈情况，重复步骤2、3、4直至非球面的低频面形精度达标。

步骤5)对低频面形精度达标的面形数据进行psd分析，根据psd曲线确定的中高频误差频率分布特征，选择口径大小不小于非球面直径1/3的大口径柔性抛光小工具，再对非球面元件进行光顺工艺加工，重复数次直至中高频误差得到有效控制。

进一步的，参阅图2，图2为本实施例中所选用的柔性小工具的结构示意图，其主要包括金属底盘1、发泡硅胶板2和沥青抛光层3。在抛光阶段所选用的柔性抛光小工具尺寸大小为30mm，发泡硅胶层厚为7mm，沥青抛光层厚为3mm；在光顺阶段所选用的小工具尺寸大小为80mm，发泡硅胶层厚为10mm，沥青抛光层厚为3mm。

进一步的，参阅图3，图3为本实施例中抛光和光顺阶段所使用的等步距螺旋加工路径示意图。

进一步的，本实施例中光顺工艺所使用的加工参数为：机床提供的正向压力为150kpa，柔性小工具自转速度为50rpm，小工具的平滑速度为500mm/min，小工具的自转方向与加工路径方向相反。经过本实施例加工方法加工后的非球面表面最终面形，面形误差pv＝0.18λ，中高频波段的rms＝1.5nm。

本发明一种全频段高精度非球面加工方法简单又高效，并且实现了仅使用ccos数控小磨头机床便能加工出全频段高精度的非球面表面。