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计算机控制光学加工过程中的技术难点及解决方法

计算机控制光学加工过程中的技术难点及解决方法 2011： 　计算机控制表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing,简称CCOS)是七十年代初发展起来的一门新兴光学加工技术，它利用计算机控制一个比被加工工件小得多的研磨头或抛光头在工件表面上移动，通过控制磨头与工件间的相对运动速度，压力以及磨头在表面某一区域的停留时间实现对材料去除量的控制。由于计算机数据处理速度快、控制准确、记忆可靠，因此，可以极大提高工作效率及加工质量，降低对操作人员技术的依赖性，所以具有广阔的发展前景。目前国外应用这一技术已经加工出各种大口径精密光学表面，包括手工难以加工的对称或非对称的非球面。　　应用该技术形成一个高精度的光学表面的原理框图。如图1所示。图1 CCOS加工流程示意图1 CCOS的基本原理　　描述材料去除量与其影响因素之间关系的数学模型是Preston方程：(1)式中 ——单位时间材料去除量；K——与加工条件及材料性能有关的系数；P——磨头与工件间的相对压力；V——磨头与工件间的相对运动速度。　　定义磨头的工作函数R(x,y)为磨头覆盖区域内材料去除量的分布函数：R(x,y)=K∫TOV(x,y,t)·P(x,y,t)dt，式中 T——加工周期。若考虑压力P为常量，则t式变为：　　R(x,y)=KP∫TOV(x,y,t)dt定义D(x,y)为磨头中心在表面任一点(x,y)周围区域的驻留时间函数，并考虑当小磨头与工件表面吻合良好且加工过程中不露出工件边缘时压力P为常量，这样在工件表面上移动磨头并在每一区域停留相应的时间，然后将各区域材料去除量叠加起来即可确定整个表面的材料去除量，它是磨头的工作函数与驻留时间的卷积，即：Z(x,y)=R(x,y)**D(x,y)　　　　(2)式中 **——两维卷积。设原始表面误差为W0(x,y)，则加工后表面误差W(x,y)为：W(x,y)=W0(x,y)-NR(x,y)**D(x,y)　　　　(3)N为加工次数，(3)式就是计算机模拟的最重要的理论依据。2 CCOS加工中的关键问题及解决方法　　一般光学加工的基本步骤为：成形粗磨、精磨抛光，衡量每一过程加工质量的指标是：面形误差的收敛速度；下表面破坏层深度的控制；边缘磨削量的控制，即边缘效应的去除。上述环节解决的好坏将直接影响到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注〔１〕。　　本文在理论分析及工艺实验的基础上做了以下研究。图2 下表面结构示意图　　2.1 微量磨削技术(Microgrinding)的研究　　传统的抛光工序一般在被加工表面RMS误差为1～3μm时开始，这时研磨工序在工件下表面留下一个裂纹层，称之为破坏层，其深度可达几个微米甚至更多，如图2所示。它的存在会严重影响光学零件的表面质量，必须抛掉，但由于抛光工艺的加工效率较低，要抛去这一破坏层需要好几个加工周期，加工效率极大降低；另外由于传统研磨后工件的表面质量很差，不能进行定量的干涉测量，从而也就不能提供数据指导CCOS加工。这一直是CCOS过程中急待解决的问题。　　本文提出用固着金刚石丸片为磨头，在细磨和抛光工序之间加入微量磨削工序，通过大量工艺实验获得了最佳工艺参数组合〔２〕，加工后的工作表面可直接进行干涉计量，并使下表面破坏层深度降至最低。如图3所示，这一结果提高了细磨和抛光阶段的加工及检测效率，使CCOS技术前进了一步。(a)微量磨削后可直接进行干涉计量的表面 (b)裂纹层深度已降低，包含在表面粗糙度起伏当中(1000×)图3 固着金刚石丸片微磨削结果　　2.2 边缘效应的消除　　本文提到的CCOS技术，保持压力恒定靠控制磨头在工件表面的驻留时间来控制去除量，所以当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时间小于中间区域，则去除量减少，工件发生“翘边”；反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生“塌边”。这两种现象都使工件边缘去除量难以控制，严重阻碍面形误差收敛，称之为边缘效应。我们通过理论计算及实验研究，确定了磨头在工件边缘区域运动时的修正函数，经修正使边缘误差得以收敛，从而消除了边缘效应〔３〕。　　该方法的基本思路是：设工件边缘面形误差函数为E(x,y)，而磨头露边后由于压力P不恒定，则工作函数的修正函数为：Rm(x,y)=R(x,y)·P(x,y,n)式中 P(x,y,n)——边缘区域磨头与工件间的相对压力；n——与露边程度等因素有关的变量。这样利用

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