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
技術領域：
本發明涉及空間光學系統的制造技術領域，具體涉及空間光學系統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：
離軸非球面反射鏡是空間光學系統不可或缺的核心光學元件。由三片離軸非球面反射鏡構建的離軸三反消像散系統(TMA, Three-Mirror-Anastigmat),具有可消除像散、無中心遮攔、長焦距、大視場、寬波段、可有效抑制雜光、成像清晰等特點。因而，使用離軸三反系統已經成為當今空間光學系統的主流設計思想。為了保證可見光波段的成像質量，空間光學系統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對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對稱特性，是一種典型的自由曲面光學元件。由于離軸非球面不僅形狀復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長期任務。現有加工離軸非球面反射鏡要經歷四個主要的工藝過程毛坯制備、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行加工。銑磨完成后，需要依靠長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，但當鏡面的非球面度較大時，最接近球面與設計鏡面的偏差量很大，一般在數百個微米、甚至到毫米量級。因此必須通過很長的研磨周期(幾個月甚至半年)才能修正如此大的面形偏差量。本發明提出了不再沿用原有的按最接近球面進行銑磨成型的方法，而是按設計非球面直接銑磨成型，盡可能縮短后續精密研磨加工周期。現有方法提出將光學元件擺放在離軸位置，使離軸非球面的加工變為軸對稱的非球面加工問題，這種方法僅適用小離軸量、小口徑光學元件的加工，對大離軸量(300 mm以上)及大口徑(I米量級)的光學元件，如果再采用上述辦法，不僅因為機床空走刀時間巨大導致加工效率很低，而且要求機床必須具有長行程和大直徑轉臺，這樣的機床造價昂貴，實際加工中很難實現。

發明內容
本發明為解決現有將光學元件擺放在離軸位置進行加工時存在機床空走刀時間長，導致加工效率很低，并且此方法要求機床必須具有長行程和大直徑的轉臺，從而導致機床造價昂貴的問題，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現步驟一、建立離軸非球面反射鏡的CAD模型；
步驟二、對步驟一建立的CAD模型生成優化加工軌跡；步驟三、生成五軸聯動數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床轉臺上；步驟四、調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床轉臺的回轉中心重合，然后將被加工的離軸非球面反射鏡固定在機床轉臺上；步驟五、采用超聲波振動輔助五軸聯動斜軸定角度加工方式驅動機床，按照步驟二所述的加工軌跡對被加工的離軸非球面反射鏡進行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。本發明的有益效果一、本發明所述的銑磨加工方法，將工件定位于轉臺中心，并按照設計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，可最大程度發揮機床的加工能力；同時由于不再具有空走刀時間，總的加工時間大幅度減小，可實現高效率加工。二、本發明所述方法采用五軸聯動斜軸定角度加工方式；加工過程中砂輪軸的傾斜角度隨著被加工光學元件表面曲率變化而變化，這樣可以使砂輪上的磨削點在加工過程中始終不變，省去了程序補償刀具點變動的工作，有利于實現高精度加工。三、本發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方法加工時螺旋中心處殘留的A字形凸臺，或是V字形凹坑，加工表面質量一致性好。四、本發明使用45度斜置擺頭實現了三維斜角磨削方式，有別于傳統方法使用垂直擺頭產生的二維磨削方式。并且把超聲振動輔助加工方法引入到五軸聯動加工領域。


圖1為本發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)是傳統的螺旋式加工路徑，(b)為本發明所述的螺旋中心在被加工光學元件外的螺旋式加工路徑。圖4為本發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元件擺放在機床轉臺上示意圖；圖5為本發明采用超聲波振動輔助五軸聯動斜軸定角度加工方式示意圖；圖6為本發明所述的是通過三坐標機測量的加工表面面形誤差分布圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本實施方式，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點云數據擬合而成的近似模型。b、對步驟一建立的CAD模型進行優化，獲得優化后的加工軌跡；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殘留A字形凸臺，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，生成五軸聯動數控加工程序。并將所述的數控加工程序輸入到機床的對應程序中；所述機床具有45度傾斜擺頭的非正交機床。這樣的好處在于加工中實現了三維斜角磨削方式，有別于傳統的二維直角磨削方式。使用后處理軟件ICAM-P0ST開發了該機床的后置處理程序，并基于該程序將刀軌文件轉化為機床可以識別的高質量五軸加工程序。d、將被加工的離軸非球面反射鏡放置在機床的轉臺上，調整被加工的離軸非球面反射鏡的幾何中心與轉臺的回轉中心重合，并固定。e、采用超聲波振動輔助五軸聯動斜軸定角度加工方式，按照設計好的加工軌跡進行加工，獲得非球面反射鏡。本實施方式所述的加工方式可以確保加工過程中，工件表面磨削點處的法線與砂輪的軸線保持固定角度。這樣可以帶來兩點好處一是加工高陡度自由曲面時不容易產生刀具與工件的干涉；二是在加工過程中砂輪上的磨削點始終不變，不需要通過程序補償刀具點變動量，同時使得砂輪磨損引起的工件形狀誤差容易通過補償加工消除。 本實施方式還包括采用高精度三坐標機測量反射鏡表面的面形誤差。
具體實施方式
二、結合圖1至圖6說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
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施例本實施例的具體步驟為一、應用計算機輔助設計(CAD)軟件建立三維解析模型；對于旋轉對稱的非球面，設光軸為z軸(光軸方向)，以非球面頂點為坐標原點，則非球面方程可表達為下式
權利要求
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現 步驟一、建立離軸非球面反射鏡的CAD模型； 步驟二、對步驟一建立的CAD模型生成優化加工軌跡； 步驟三、生成五軸聯動數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床轉臺上； 步驟四、調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床轉臺的回轉中心重合，然后將被加工的離軸非球面反射鏡固定在機床轉臺上； 步驟五、采用超聲波振動輔助五軸聯動斜軸定角度加工方式驅動機床，按照步驟二所述的加工軌跡對被加工的離軸非球面反射鏡進行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。
2.根據權利要求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模型需要的參數具體包括，非球面反射鏡的系數、反射鏡的外輪廓尺寸以及離軸量和離軸角。
3.根據權利要求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，步驟五中對被加工的離軸非球面反射鏡進行加工的過程中，被加工的離軸非球面反射鏡表面磨削點處的法線與砂輪的軸線保持固定角度。
4.根據權利要求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機測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，涉及空間光學系統的制造技術領域，解決現有將光學元件擺放在離軸位置進行加工時存在機床空走刀時間長，導致加工效率很低，并且此方法要求機床必須具有長行程和大直徑的轉臺，從而導致機床造價昂貴的問題，建立離軸非球面反射鏡的CAD模型并生成優化加工軌跡；生成五軸聯動數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床轉臺上；調整被加工的離軸非球面反射鏡并固定在機床轉臺上；采用超聲波振動輔助五軸聯動斜軸定角度加工方式驅動機床，按照加工軌跡對被加工的離軸非球面反射鏡進行加工；獲得大口徑離軸非球面反射鏡。本發明方法加工效率高。
文檔編號B24B13/01GK103056731SQ20121056284
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者張志宇, 鄭立功 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所