專利名稱：大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間光學(xué)系統(tǒng)的制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及空間光學(xué)系統(tǒng)中的大口徑離軸非球面反射鏡的精密銑磨加工方法。
背景技術(shù)：
離軸非球面反射鏡是空間光學(xué)系統(tǒng)不可或缺的核心光學(xué)元件。由三片離軸非球面反射鏡構(gòu)建的離軸三反消像散系統(tǒng)(TMA, Three-Mirror-Anastigmat),具有可消除像散、無(wú)中心遮攔、長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)、寬波段、可有效抑制雜光、成像清晰等特點(diǎn)。因而，使用離軸三反系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今空間光學(xué)系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)思想。為了保證可見(jiàn)光波段的成像質(zhì)量，空間光學(xué)系統(tǒng)所需的離軸非球面元件不僅要求具有3 nm以下的表面粗糙度，更是對(duì)其形狀精度提出了極高的要求，一般要保證在1/50A RMS ( A =632. 8 nm)以下。離軸非球面是按照給定幾何形狀及尺寸從回轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面母鏡上截取下的一部分。因此離軸非球面本身不再具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，是一種典型的自由曲面光學(xué)元件。由于離軸非球面不僅形狀復(fù)雜而且形狀精度要求極高，因而加工異常困難。加工大口徑的離軸非球面則更是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)?，F(xiàn)有加工離軸非球面反射鏡要經(jīng)歷四個(gè)主要的工藝過(guò)程毛坯制備、銑磨加工、精密研磨、精密拋光。在銑磨加工階段，通常是首先計(jì)算出離軸非球面的最接近球面半徑，然后按照最接近球面進(jìn)行加工。銑磨完成后，需要依靠長(zhǎng)期的精密研磨工藝不斷修正最接近球面與理論離軸非球面的誤差量。這種方法雖然可行，但當(dāng)鏡面的非球面度較大時(shí)，最接近球面與設(shè)計(jì)鏡面的偏差量很大，一般在數(shù)百個(gè)微米、甚至到毫米量級(jí)。因此必須通過(guò)很長(zhǎng)的研磨周期(幾個(gè)月甚至半年)才能修正如此大的面形偏差量。本發(fā)明提出了不再沿用原有的按最接近球面進(jìn)行銑磨成型的方法，而是按設(shè)計(jì)非球面直接銑磨成型，盡可能縮短后續(xù)精密研磨加工周期?，F(xiàn)有方法提出將光學(xué)元件擺放在離軸位置，使離軸非球面的加工變?yōu)檩S對(duì)稱的非球面加工問(wèn)題，這種方法僅適用小離軸量、小口徑光學(xué)元件的加工，對(duì)大離軸量(300 mm以上)及大口徑(I米量級(jí))的光學(xué)元件，如果再采用上述辦法，不僅因?yàn)闄C(jī)床空走刀時(shí)間巨大導(dǎo)致加工效率很低，而且要求機(jī)床必須具有長(zhǎng)行程和大直徑轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣的機(jī)床造價(jià)昂貴，實(shí)際加工中很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有將光學(xué)元件擺放在離軸位置進(jìn)行加工時(shí)存在機(jī)床空走刀時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致加工效率很低，并且此方法要求機(jī)床必須具有長(zhǎng)行程和大直徑的轉(zhuǎn)臺(tái)，從而導(dǎo)致機(jī)床造價(jià)昂貴的問(wèn)題，提供一種大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法。大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、建立離軸非球面反射鏡的CAD模型；
步驟二、對(duì)步驟一建立的CAD模型生成優(yōu)化加工軌跡；步驟三、生成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的后處理軟件，并將被加工的離軸非球面反射鏡放置在所述的機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上；步驟四、調(diào)整步驟三所述的被加工的離軸非球面反射鏡的幾何中心與機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心重合，然后將被加工的離軸非球面反射鏡固定在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上；步驟五、采用超聲波振動(dòng)輔助五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式驅(qū)動(dòng)機(jī)床，按照步驟二所述的加工軌跡對(duì)被加工的離軸非球面反射鏡進(jìn)行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。本發(fā)明的有益效果一、本發(fā)明所述的銑磨加工方法，將工件定位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，并按照設(shè)計(jì)的離軸非球面鏡面形狀直接銑磨成型。采用該方法可加工的最大工件尺寸，不再受工件離軸量大小的影響，可最大程度發(fā)揮機(jī)床的加工能力；同時(shí)由于不再具有空走刀時(shí)間，總的加工時(shí)間大幅度減小，可實(shí)現(xiàn)高效率加工。二、本發(fā)明所述方法采用五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式；加工過(guò)程中砂輪軸的傾斜角度隨著被加工光學(xué)元件表面曲率變化而變化，這樣可以使砂輪上的磨削點(diǎn)在加工過(guò)程中始終不變，省去了程序補(bǔ)償?shù)毒唿c(diǎn)變動(dòng)的工作，有利于實(shí)現(xiàn)高精度加工。三、本發(fā)明采用了螺旋中心在工件外的螺旋式加工路徑，采用該路徑加工的工件表面不存在螺旋中心，因而也就不存在傳統(tǒng)方法加工時(shí)螺旋中心處殘留的A字形凸臺(tái)，或是V字形凹坑，加工表面質(zhì)量一致性好。四、本發(fā)明使用45度斜置擺頭實(shí)現(xiàn)了三維斜角磨削方式，有別于傳統(tǒng)方法使用垂直擺頭產(chǎn)生的二維磨削方式。并且把超聲振動(dòng)輔助加工方法引入到五軸聯(lián)動(dòng)加工領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法的流程圖；圖2為本發(fā)明所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法中步驟一所述的建立的離軸非球面模型；圖3中(a)是傳統(tǒng)的螺旋式加工路徑，(b)為本發(fā)明所述的螺旋中心在被加工光學(xué)元件外的螺旋式加工路徑。圖4為本發(fā)明所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法中被加工光學(xué)元件擺放在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上示意圖；圖5為本發(fā)明采用超聲波振動(dòng)輔助五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式示意圖；圖6為本發(fā)明所述的是通過(guò)三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量的加工表面面形誤差分布圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，該方法包括以下步驟a、精確建立離軸非球面的CAD模型；根據(jù)非球面方程、離軸非球面的幾何量(包括離軸量、離軸角及鏡體邊緣輪廓)建立的理論模型，而不是按照其最接近球面建立的近似模型或是通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合而成的近似模型。b、對(duì)步驟一建立的CAD模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的加工軌跡；所建立的加工軌跡為螺旋式加工路徑，而且螺旋中心在被加工的離軸非球面反射鏡外。使用該加工路徑，在被加工的離軸非球面反射鏡的表面中心處不會(huì)殘留A字形凸臺(tái)，或是V字形凹坑，可以獲得均勻一致的加工表面。C、制作后處理軟件，生成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序。并將所述的數(shù)控加工程序輸入到機(jī)床的對(duì)應(yīng)程序中；所述機(jī)床具有45度傾斜擺頭的非正交機(jī)床。這樣的好處在于加工中實(shí)現(xiàn)了三維斜角磨削方式，有別于傳統(tǒng)的二維直角磨削方式。使用后處理軟件ICAM-P0ST開(kāi)發(fā)了該機(jī)床的后置處理程序，并基于該程序?qū)⒌盾壩募D(zhuǎn)化為機(jī)床可以識(shí)別的高質(zhì)量五軸加工程序。d、將被加工的離軸非球面反射鏡放置在機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整被加工的離軸非球面反射鏡的幾何中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心重合，并固定。e、采用超聲波振動(dòng)輔助五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式，按照設(shè)計(jì)好的加工軌跡進(jìn)行加工，獲得非球面反射鏡。本實(shí)施方式所述的加工方式可以確保加工過(guò)程中，工件表面磨削點(diǎn)處的法線與砂輪的軸線保持固定角度。這樣可以帶來(lái)兩點(diǎn)好處一是加工高陡度自由曲面時(shí)不容易產(chǎn)生刀具與工件的干涉；二是在加工過(guò)程中砂輪上的磨削點(diǎn)始終不變，不需要通過(guò)程序補(bǔ)償?shù)毒唿c(diǎn)變動(dòng)量，同時(shí)使得砂輪磨損引起的工件形狀誤差容易通過(guò)補(bǔ)償加工消除。 本實(shí)施方式還包括采用高精度三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量反射鏡表面的面形誤差。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖1至圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為具體實(shí)施方式
一所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法的實(shí)施例本實(shí)施例的具體步驟為一、應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件建立三維解析模型；對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面，設(shè)光軸為z軸(光軸方向)，以非球面頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則非球面方程可表達(dá)為下式
權(quán)利要求
1.大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、建立離軸非球面反射鏡的CAD模型； 步驟二、對(duì)步驟一建立的CAD模型生成優(yōu)化加工軌跡； 步驟三、生成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的后處理軟件,并將被加工的離軸非球面反射鏡放置在所述的機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上； 步驟四、調(diào)整步驟三所述的被加工的離軸非球面反射鏡的幾何中心與機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心重合，然后將被加工的離軸非球面反射鏡固定在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上； 步驟五、采用超聲波振動(dòng)輔助五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式驅(qū)動(dòng)機(jī)床，按照步驟二所述的加工軌跡對(duì)被加工的離軸非球面反射鏡進(jìn)行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，其特征在于，步驟一所述的建立離軸非球面反射鏡的CAD模型需要的參數(shù)具體包括，非球面反射鏡的系數(shù)、反射鏡的外輪廓尺寸以及離軸量和離軸角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，其特征在于，步驟五中對(duì)被加工的離軸非球面反射鏡進(jìn)行加工的過(guò)程中，被加工的離軸非球面反射鏡表面磨削點(diǎn)處的法線與砂輪的軸線保持固定角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，其特征在于，在步驟五之后，還包括采用高精度三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量被加工的離軸非球面反射鏡表面的誤差。
全文摘要
大口徑離軸非球面反射鏡的五軸精密超聲銑磨加工方法，涉及空間光學(xué)系統(tǒng)的制造技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有將光學(xué)元件擺放在離軸位置進(jìn)行加工時(shí)存在機(jī)床空走刀時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致加工效率很低，并且此方法要求機(jī)床必須具有長(zhǎng)行程和大直徑的轉(zhuǎn)臺(tái)，從而導(dǎo)致機(jī)床造價(jià)昂貴的問(wèn)題，建立離軸非球面反射鏡的CAD模型并生成優(yōu)化加工軌跡；生成五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的后處理軟件，并將被加工的離軸非球面反射鏡放置在所述的機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上；調(diào)整被加工的離軸非球面反射鏡并固定在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上；采用超聲波振動(dòng)輔助五軸聯(lián)動(dòng)斜軸定角度加工方式驅(qū)動(dòng)機(jī)床，按照加工軌跡對(duì)被加工的離軸非球面反射鏡進(jìn)行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。本發(fā)明方法加工效率高。
文檔編號(hào)B24B13/01GK103056731SQ20121056284
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者張志宇, 鄭立功 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所