本申請是申請號201510149320.8、申請日為2015年4月1日、發明名稱為“全頻段高精度非球面光學元件的加工方法”的發明專利申請的分案申請

本發明屬于非球面光學元件的數控加工領域，具體涉及一種非球面光學元件的全頻段誤差控制的方法。

背景技術：

隨著現代光學元件加工技術的發展，傳統的手工加工非球面的方法已經逐步被有著以“確定性加工”為標志的現代先進制造技術——計算機控制光學表面成形(ccos)技術所取代。ccos技術是一種利用計算機控制小工具實現確定區域的確定量加工的技術，其實現材料去除的理論基礎是preston方程，它是一種依靠正壓力實現材料有效去除的加工方法。典型的小工具結構是在一個金屬底盤上覆蓋一層瀝青，由于整個小工具的剛度較大，所以通常被稱為剛性盤。在小工具拋光范圍內，材料的去除可以宏觀的表現為去除函數，通常形狀為類高斯型。另外小工具在拋光的過程中，材料的去除遵循“高點優點去除”原則，即當小工具在加工時，首先是與工件表面的高點區域發生接觸，然后瀝青材料會在正向壓力的作用下發生微觀形變，以適應工件表面微觀結構，因為高點區域所受的壓力比其他區域大，所以造成的材料去除量也大，這和preston方程也是相吻合的。由于使用的小工具尺寸一般都遠遠小于工件尺寸，因此在實現低頻面形誤差確定收斂的同時，越來越多的小尺度誤差也在隨之產生。另外，由于傳統小工具是剛性拋光盤，它無法滿足非球面表面各處的曲率變化，因此，給非球面制造帶來了許多困難，尤其是非球面表面的中高頻誤差控制。

為了有效抑制這些中高頻誤差，越來越多的數控機床組合加工非球面的方法被提出。組合加工的思想是結合不同加工方式的優點，分階段的將待加工元件分配給不同的加工方式，最終得到一個高精度的光學表面。例如，國防科大提出了一種采用數控小工具、磁流變加工和離子束加工相結合的方法來控制中高頻誤差。這種加工方式先使用數控小工具對低頻面形精度達標的非球面表面進行平滑，然后利用磁流變拋光技術的柔性拋光原理，來抑制數控小工具拋光所產生的周期性環帶誤差，之后又再次使用數控小工具快速平滑磁流變加工所產生的小尺度誤差，最后使用離子束拋光技術來提高最終的面形精度。該方法雖然有效的抑制了加工過程中所產生的中高頻誤差，實現了高精度的非球面元件的加工，但是，該方法的加工過程過于繁瑣，需要使用到三臺精密數控機床，加工成本極高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種低成本、易實現且加工效率高的全頻段高精度非球面加工方法。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明提出的技術方案是一種全頻段高精度非球面加工的方法，其包括以下步驟：

步驟1)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量非球面面形誤差；

步驟2)根據測得的面形誤差，選擇口徑大小不大于該非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據該小工具在不同公自轉速度條件下的去除函數的形狀，選擇類高斯型去除函數，確定數控機床的加工參數；

步驟3)將待加工非球面元件放置在機床的加工平臺上，將加工參數輸入到機床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進行拋光工藝；

步驟4)一個周期拋光結束后，對待加工非球面元件進行面形檢測，根據面形誤差數據的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標；

步驟5)對低頻面形精度達標的面形數據進行功率譜密度(powerspectraldensity,psd)分析，根據psd曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數次直至中高頻誤差得到有效控制。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的柔性拋光小工具包括金屬底盤、發泡硅膠板和瀝青拋光層，其可以通過機床提供的壓力，實現拋光小工具與非球面表面的實時吻合。所述的發泡硅膠板置于所述的金屬底盤和拋光膠之間。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的光順工藝是小工具采用單自轉運動方式并勻速平滑待加工面的工藝，能在保證低頻面形的同時，有效的平滑待加工面，提高表面質量。

上述全頻段高精度非球面加工方法中，所述的加工方法僅使用一臺ccos數控小磨頭機床就實現了非球面光學元件的全頻段高精度加工。

與現有的加工技術相比，本發明的優點在于：本發明所使用的柔性拋光小工具能夠通過機床提供的正向壓力，而實現拋光小工具自適應非球面表面面形，在保證低頻面型的同時，能夠有效的抑制由于拋光盤無法與非球面表面吻合所產生的中高頻誤差；本發明所述的光順工藝采用小工具單自轉運動方式并勻速平滑待加工面，較行星運動方式，更能有效的抑制中高頻誤差，提高光學表面質量；本發明僅使用ccos數控小磨頭機床就加工出了全頻段高精度非球面表面，找到了一種低成本、易實現且高效的加工方法。

附圖說明

圖1是本發明全頻段高精度非球面加工方法的流程圖。

圖2是本發明實施例中柔性拋光小工具的結構示意圖。

圖3是本發明實施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑示意圖。

圖例說明：

1、金屬底盤；2、發泡硅膠板；3拋光膠

具體實施方式

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。

本實施例加工方法的加工對象為一塊200mm，頂點曲率半徑1700mm的凸非球面鏡。參閱圖1，本實施例全頻段高精度非球面加工方法的操作步驟如下：

步驟1)將待加工非球面元件銑磨成形后，用干涉儀測量此時非球面面形誤差。

步驟2)根據測得的面形誤差數據，選擇口徑大小不大于非球面直徑1/4的柔性拋光小工具，再根據該小工具在不同公自轉速度條件下的去除函數的形狀，選擇最優的類高斯型去除函數，并由此確定出數控機床的加工參數，包括公自轉速度、偏心距、正向壓力等。

步驟3)將待加工非球面元件放置在機床的加工平臺上(待加工面朝上放置)，并將加工參數輸入到機床控制中心，按變步距螺旋加工路徑進行拋光工藝。

步驟4)一個周期拋光結束后，對加工元件進行面形檢測，根據面形誤差數據的反饋情況，重復步驟2、3、4直至非球面的低頻面形精度達標。

步驟5)對低頻面形精度達標的面形數據進行psd分析，根據psd曲線確定的中高頻誤差頻率分布特征，選擇口徑大小不小于非球面直徑1/3的大口徑柔性拋光小工具，再對非球面元件進行光順工藝加工，重復數次直至中高頻誤差得到有效控制。

進一步的，參閱圖2，圖2為本實施例中所選用的柔性小工具的結構示意圖，其主要包括金屬底盤1、發泡硅膠板2和瀝青拋光層3。在拋光階段所選用的柔性拋光小工具尺寸大小為30mm，發泡硅膠層厚為7mm，瀝青拋光層厚為3mm；在光順階段所選用的小工具尺寸大小為80mm，發泡硅膠層厚為10mm，瀝青拋光層厚為3mm。

進一步的，參閱圖3，圖3為本實施例中拋光和光順階段所使用的等步距螺旋加工路徑示意圖。

進一步的，本實施例中光順工藝所使用的加工參數為：機床提供的正向壓力為150kpa，柔性小工具自轉速度為50rpm，小工具的平滑速度為500mm/min，小工具的自轉方向與加工路徑方向相反。經過本實施例加工方法加工后的非球面表面最終面形，面形誤差pv＝0.18λ，中高頻波段的rms＝1.5nm。

本發明一種全頻段高精度非球面加工方法簡單又高效，并且實現了僅使用ccos數控小磨頭機床便能加工出全頻段高精度的非球面表面。