大气等离子体加工大口径非球面光学元件的对刀方法与流程

本发明属于光学加工领域，具体涉及一种大气等离子体加工大口径非球面光学元件的对刀方法。

背景技术：

大气等离子体加工技术是近年来光学加工领域发展起来的一项创新技术，特别针对硬脆材料(如：熔石英、碳化硅等)光学元件的加工有极其重要的价值。其加工原理是：利用常压条件下等离子体激发产生的高密度、高反应活性原子与材料表面原子发生的化学反应，生成具有挥发性的反应产物，从而实现材料的高效去除。等离子体加工过程属于非接触式的化学加工，不会引入亚表面损伤，在光学元件加工中具有独特的优势。

在非球面加工过程中，元件对刀包括元件姿态调整和空间坐标值的确定，对刀方法对等离子体加工面形精度和生产效率有着极其重要的决定作用。目前，等离子体加工非球面元件采用传统的顶针装调方式，工件装调过程主要由操作人员移动工作台，眼睛观察顶针与工件的位置，手动记录工件边缘位置坐标，并计算工件坐标位置。该方法严重依赖操作人员的经验和熟练程度，受人为影响较大，并且存在对刀精度和质量难以保证，操作耗时较长等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度的大气等离子体加工大口径非球面光学元件的对刀方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：大气等离子体加工大口径非球面光学元件的对刀方法，先进行光学元件侧边平行于水平坐标轴的调节，然后对光学元件表面沿中心轴线对称坐标位置的Z向进行调平，最后再通过两边对刀确定光学元件的中心坐标，以及等离子体炬管中心和光学元件中心的位置，从而完成对刀。

进一步的，所述方法包括以下步骤：

1)打开计算机，开启空气压缩机，使出口气体压力维持在0.5～2Mpa，压缩气体通过气管进入储气罐稳压，保持出口压力在0.7～1Mpa；

2)对光学元件进行装夹，使装夹后的光学元件的非球面表面沿中心轴线呈对称状态；

3)将二维调节平台放置在工作台上，将装夹后的光学元件放置在二维调节平台上，并使光学元件的中心在触发测头下方0～50mm范围内；

4)通过计算机控制触发测头向下运动，并依次触碰光学元件沿X方向或Y方向侧边上的两个点，通过比较两个点的X或Y坐标值，相应调整光学元件的位置，再次控制触发测头向下运动，确保触发测头碰触光学元件相同边上的两个点的X或Y坐标值误差小于10μm；

5)通过计算机控制Z轴导轨竖直运动，带动触发测头向上运动至光学元件上方，然后以2～5mm/s的速度向下运动依次碰触光学元件沿中心对称的四个点的位置，通过比较四个点的Z向坐标值，再通过二维调节平台调节光学元件的姿态，然后再次运行进行检验，最后确保触发测头碰触光学元件的表面上沿中心对称的四个点的Z向坐标值误差小于10μm；

6)通过计算机控制触发测头快速第一次碰触光学元件的两对平行侧边，运动速度为10～20mm/s，并大致确定平行于Y轴两条侧边的X坐标值X1’、X2’，以及平行于X轴两条侧边的Y坐标值Y1’、Y2’；然后慢速第二次碰触光学元件的两对平行侧边，运动速度为1～5mm/s，并精确得到平行于Y轴两条侧边的X坐标值X1、X2，以及平行于X轴两条侧边的Y坐标值Y1、Y2,通过运算(X1-X2)/2和(Y1-Y2)/2得到光学元件中心的精确X、Y坐标值；

7)计算机根据标定的等离子体炬管与触发测头之间的相对位置ΔX和ΔY，计算出光学元件的中心与等离子体炬管的中心之间的坐标位置(X+ΔX，Y+ΔY)，并通过计算机控制工作台运动使光学元件运动至其中心与等离子体炬管中心重合，对刀完成。

进一步的，所述触发测头通过数据线与数据采集卡连接，数据采集卡通过数据线与计算机连接。

进一步的，步骤4)、5)、6)所述光学元件与触发测头接触后，触发测头会产生触发通断信号，触发通断信号经过数据采集卡处理后传送至计算机，计算机内的控制软件读取触发信号。

进一步的，所述触发测头设置在等离子体炬管的侧方，且运动方向与等离子体炬管相同。

进一步的，所述储气罐对空气压缩机产生的气体进行能量储存并稳定气压，所述过滤器滤去气管内的微颗粒杂质。

进一步的，所述触发测头的运动方向和运动速率通过电磁阀和调速阀调节。

本发明的有益效果是：本发明综合考虑对刀效率和对刀精度两个方面的因素，采用高精度的触发测头替代传统固定式顶针头，对刀时先通过光学元件快速运动与触发测头接触产生触发信号来确定光学元件的坐标范围，然后减小光学元件与触发测头的相对运动速率，进一步精确定位光学元件的坐标。对刀完成后，根据触发测头与等离子体炬管标定的相对位置，计算机自动补偿计算出等离子体炬管与光学元件的相对位置坐标。本发明减小了操作人员的经验、观察角度等人为因素的影响，极大地提高了光学元件的对刀精度和装调质量，提高了操作的便利性和对刀效率，有利于提高加工质量以及工艺稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的工作示意图。

图3是本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明由空气压缩机1、储气罐2、过滤器3、电磁阀4、调速阀5、触发测头6、气动滑台7、支撑架10、转接板11、Z轴导轨8、夹具13和二维调节平台14构成。空气压缩机1、储气罐2、过滤器3、电磁阀4、调速阀5和气动滑台7之间依次通过气管连接，储气罐2对空气压缩机1产生的气体进行能量储存并稳定气压，过滤器3滤去气体管道内的微颗粒杂质，气动滑台7安装在支撑架10上，气动滑台7端部连接三向高精度的触发测头6，触发测头6的上下运动由气动滑台7带动，且运动方向和运动速率可以通过电磁阀4和调速阀5调节。

等离子体加工机床17包括等离子体炬管9、工作台15和计算机16。等离子体炬管9是产生等离子体射流的装置。

触发测头6和等离子体炬管9都设置在支撑架10上，触发测头6设置在等离子体炬管9的侧方，且运动方向与等离子体炬管9相同。L形转接板11的一端通过轴承与Z轴导轨8的端部连接，并由安装在转接板11上的电机驱动可绕Z轴旋转，使等离子体炬管9和触发测头6也可绕Z轴旋转。L形转接板11的另一端也通过轴承与支撑架10连接，并由安装在转接板11上的另一电机驱动可绕X轴转动，使等离子体炬管9和触发测头6也可绕X轴转动，用于等离子体炬管9加工时与光学元件12的法线垂直。其中，本发明所述Z轴是指竖直轴，X轴是垂直于纸面的轴，Y轴是水平轴，如图1所示，以下同。

光学元件12通过夹具13定位夹紧，一起放置于二维调节平台14上，并位于触发测头6下方，二维调节平台14放置于等离子体加工机床17的工作台15上。光学元件12的运动由计算机16控制，并且运动速率连续可调。触发测头6通过数据线与数据采集卡连接，数据采集卡又通过数据线与计算机16连接。光学元件12与触发测头6接触后，触发测头6会产生触发通断信号，触发通断信号经过数据采集卡处理后传送至计算机16，计算机16内的控制软件读取触发信号。

本发明采用三向高精度的触发测头6并结合数控程序对光学元件12进行姿态调整和空间坐标值确定。对刀时，先进行光学元件12侧边平行于水平坐标轴的调正，然后对光学元件12表面沿中心轴线对称坐标位置的Z向进行调平，最后再通过两边对刀确定光学元件12的中心坐标，以及等离子体炬管9中心和光学元件12中心的位置，从而完成大口径非球面光学元件12的高精度快速对刀。

如图3所示，本发明的自动对刀方法包括以下步骤：

1)打开等离子体加工机床17的计算机16，使等离子体加工机床17的各电机处于待工作状态，开启空气压缩机1，使出口气体压力维持在0.5～2Mpa，压缩气体通过气管进入储气罐2进行稳压，保持出口压力在0.7～1Mpa；

2)通过夹具13对光学元件12进行装夹，使装夹后的光学元件12的非球面表面沿中心轴线呈对称状态；

3)将二维调节平台14放置在等离子体加工机床17的工作台15上，将装夹后的光学元件12放置在二维调节平台14上，并目测使光学元件12的中心在触发测头6下方0～50mm范围内；

4)通过计算机16控制触发测头6向下运动，并依次触碰光学元件12沿X方向或Y方向侧边上的两个点，通过比较两个点的X或Y坐标值，相应调整光学元件12的位置，再次控制触发测头6向下运动，最后确保触发测头6碰触光学元件12相同边上的两个点的X或Y坐标值误差小于10μm；

5)通过计算机16控制Z轴导轨8竖直运动，带动触发测头6向上运动至光学元件12上方，然后以2～5mm/s的速度向下运动依次碰触光学元件12沿边界对称的四个点的位置，通过比较四个点的Z向坐标值，再通过二维调节平台14来调节光学元件12的姿态，然后再次运行进行检验，最后确保触发测头6碰触光学元件12的表面上沿边界对称的四个点的Z向坐标值误差小于10μm；

6)首先，通过计算机16控制触发测头6快速第一次碰触光学元件12的两对平行侧边，运动速度为10～20mm/s，并基本(大致)确定平行于Y轴两条侧边的X坐标值X1’、X2’，以及平行于X轴两条侧边的Y坐标值Y1’、Y2’；然后慢速第二次(再次)碰触光学元件12的两对平行侧边，运动速度为1～5mm/s，并精确得到平行于Y轴两条侧边的X坐标值X1、X2，以及平行于X轴两条侧边的Y坐标值Y1、Y2,计算机16通过运算(X1-X2)/2和(Y1-Y2)/2得到光学元件12中心的精确X、Y坐标值；

7)计算机16根据标定的等离子体炬管9与触发测头6之间的相对位置ΔX和ΔY，计算出光学元件12的中心与等离子体炬管9的中心之间的坐标位置(X+ΔX，Y+ΔY)，并通过计算机16控制工作台15运动使光学元件12运动至其中心与等离子体炬管9中心重合，对刀完成。

对刀完成后，触发测头6由气动滑台7带动向上运动并收起。本发明采用触发式测头结合等离子体机床及其运动数控程序对非球面光学元件实现自动对刀操作，对刀精度高。