摘 要:用于红外侦察、预警相机中的非球面,当直径大于500mm时,非球面的偏离量大约为200μm以上(PV值),目前的发展趋势是非球面偏离量还会继续加大。如果从最接近球面开始修磨,则工作量较大、工作周期较长。所述加工系统基于直接成型非球面的思想进行开发,通过精度标定,借助于误差补偿手段保证了系统的加工精度,实现了非球面快速铣磨成型的目的。
1 引 言
近年来,随着现代先进制造技术与计算机软硬件技术的快速发展,光学制造技术与光学设计软件得到了长足的进步,特别是空间光学的快速发展,要求空间遥感器的分辨率越来越高、视场角越来越大[1~4]。因此新一代的空间相机一般通过采用轻质大尺寸的非球面光学元件来提高系统的成像质量,以降低系统复杂性。
然而,对于红外侦察、预警相机中的非球面,直径大于500mm的非球面的偏离量大约为200μm以上(PV值)。如果从最接近球面开始修磨,则工作量较大,工作周期较长。另外目前的发展趋势是非球面偏离量还会继续加大,有时甚至可达到毫米级,这样一来将会严重影响加工效率。在这种情况下,开展大偏离量非球面反射镜的快速加工研究,实现光学加工过程专业化、集成化及高效化,就显得尤为迫切。
数控机床作为发展现代先进光学制造技术的基础设施[5],其控制精度及加工方式的合理性是实现加工有效去除的关键。我们在原有的数控模型基础上,优化了机床的运动形式,增加了磨头加工自由度,实现了对复杂光学非球面,尤其是大偏离量或者接近半球型元件的快速加工。
2 相关控制参数的确定
针对大偏离量非球面的加工,工件上各加工点的法向角变化较大,如果磨头在加工过程中始终保持同一加工姿态,则易造成实际加工位置与目标位置间偏差过大,最终难以对整个加工过程进行准确地预测与控制。为此,设计中增加了磨头沿辅轴的摆动,使加工矢量与加工点法向一致,实现了按非球面法线方向进行加工的目的。
对于曲面上任一加工点P(x0,y0,z0)(直角坐标系下)或P(c0,y0,z0)(极坐标系下),按下述方法确定辅轴的Y向位移、Z向微位移及摆角α(与Z轴夹角)。
(1)将工件沿X轴平移x0(直角坐标系下)或绕Z轴转一角度c0(极坐标系下),将加工点移入yoz平面,得曲线方程
(4)工件坐标系下,y向定步长进给,即Δy =yi-yi-1=const。则辅轴的Y向位移ΔYi、Z向微位移ΔZi及摆角αi确定如下
3 误差标定及补偿策略
大偏离量非球面快速加工时,机床的系统误差及随机误差对加工精度的影响占主导地位[6]。因此,准确地标定并分离出误差是提高系统加工精度的关键。
在该系统中,可以通过提高系统刚度,选用低膨胀系数的花岗岩材料,振动融离,内部减振及环境温度控制等措施来使随机误差尽可能降低,另外,借鉴德国LOH公司的做法,即将粗加工检测结果反馈输入CNC系统,对原始加工参数做进一步修正后,指导下一步加工,达到消除随机误差的目的。对于系统误差,重点分析其对确定工件加工矢高的影响。
加工矢高直接影响到加工工艺参数的修订。在实际加工中,希望得到的是加工矢高的三维空间坐标,这些参量的大小以及分布才是指导计算机控制光学表面成型(CCOS)过程的CAD和CAM数据来源。
3.1 摆角α引入矢高误差
对于大偏离量非球面的快速加工,为了及时响应工件面形曲率变化,增加了磨头沿辅轴的摆动,下面基于图2,借助于变量δ,分析摆角精度Δα引入矢高偏差ΔΖ1
式中L为表示刀具主轴的长度。
3.2 直行定位误差引入矢高误差
在机床坐标系下,磨头主轴沿横梁的Y向进给运动通过电机转动丝杠实现。假定丝杠的定位精度为δy,则反映在工件矢高上的误差可以根据图3所示的关系,利用变量ε按照(6)式进行求解
3.3 磨头半径引入矢高误差
加工中,磨头运动位置参考点为其半球形切削刃球心。图4表示包含被加工点法线且与加工平面垂直的平面内,磨头与被加工曲面间的位置关系。假定Pi(yi,zi)为目标加工点,实际加工中,由于成型阶段的去除量较大,所以,磨头半径r对加工去除偏差的影响不可忽略。此时,实际被加工点为Pi(Δyi+yi,zi)。由此引入的矢高误差ΔZ3可以借助于变量ζ,利用式(7)计算
在实际加工中,综合上述误差,将各个加工位置的误差值预置于控制程序当中,并与进给量合成,改变实际进给量,形成补偿策略。
4 精度分析
为了考察上述误差标定及补偿方法的精度,下面选取一非球面进行分析。
该例中,顶点曲率半径R0=1800mm,反射镜口径D=610mm,二次曲面系数k=-0.921,磨头半径r=4mm。对于最终加工精度要求(PV<10μm)而言,各轴的运动误差控制范围:Δα≤1′;δy≤0.01mm。
根据(5)、(6)、(7)式得到各对应的矢高误差关系如图5所示。
其中各种误差量值范围(单位:μm)如下
由图5可以看出,刀具主轴的摆角误差所引入的矢高偏差占主导地位。因此,要求尽可能地提高主轴的装配精度。
5 结束语
对大偏离量非球面快速加工系统进行了误差标定。同时,运用实例,分离出了系统误差引入的矢高偏差,为软件补偿提供了参考数据,实现了以较低的成本大幅度地提高系统加工精度的目的。
参考文献:
[1] Korsch D. Three mirror sPACe telescope[J]. Opt Eng, 1975, 14(6): 533—535
[2] Tohn W F. Development of a three-mirror wide-field sensor frompaper design to hardware[J]. Proc SPIE, 1989,1113:126—133
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[4] Cook L G. Three-mirror anastigmat used off-axis in aperture andfield[J]. Proc SPIE, 1979,183:207—211
[5]杨力.先进光学制造技术[M].北京:科学出版社, 2001.
[6]张国雄.三坐标测量机[M].天津大学出版社, 1999:479
收稿日期: 2002-04-227;收到修改稿日期: 2002-05-28
基金项目:国家自然科学基金(No. 60178037);国家杰出青年基金(No. 69925512)
作者简介:程灏波(1975-),男,吉林市人,中科院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生,从事先进光学加工及检测技术研究。
