超精密磨削光学非球曲面用中心高微调机构

　　随着科学技术的日益发展,光学非球曲面器件在各种关键设备中起着十分重要的作用,在航空、航天及军用设备等方面更为明显。如侦察卫星用的摄像头、天体观测用的望远镜、反光镜及医学用的显微镜等,它们都需要高精度的非球曲面光学器件[1、2]。但是,高精度非球曲面器件的加工相当困难。为此各国都在致力于非球曲面光学器件超精密加工的研究[3]。本文从理论上分析了中心高微调机构对光学零件加工精度所产生的影响,并设计研制了一套微调机构。最后在超精密磨削非球曲面时用该微调机构对光学器件的中心高实现了很精确的微调,达到了预期的设计效果。

　　1　超精密非球曲面磨削系统结构简图

　　我们自行研制了一台超精密光学非球曲面磨床(图1)。这台机床的横溜板、纵溜板均采用气体静压结构,其直线位移是由1024000步/r的高分辨率伺服电动机直接拖动精密滚珠丝杠来实现的,位移分辨率可达0.02μm;工件主轴采用气浮轴承结构,其回转精度为0.05μm;磨头采用空气轴承空气驱动形式,其最高转速为80000r/min,回转精度为0.1μm;工件通过过渡盘由真空吸盘夹紧。在加工非球曲面时,由数控系统控制纵溜板及横溜板作相应的纵向和横向进给,即可实现非球曲面的超精密磨削加工。

　　2　中心高微调机构对零件加工精度的影响

　　图2所示为砂轮与工件磨削时的接触情况。当砂轮的磨削点与工件的回转中心不在同一水平面内时,就会出现图2所示的两种情况。加工后会在工件表面出现一个未磨削到的小圆锥,它将直接影响被加工零件的加工精度。图3a为磨削时中心高微调误差ΔY<0的情况,图3b是中心高微调误差ΔY>0的情况。

　　从图2b可以看出,中心高微调机构的精度不够在被磨削工件表面残留小圆锥的直径为d,高度为Δh。很显然

式中ΔY———中心高微调误差

　　α———砂轮与工件之间的夹角

　　中心高微调机构有微调误差ΔY,会使加工零件表面产生较大的轮廓误差。设砂轮与工件之间的夹角α为45°,要使得已加工零件的轮廓精度达到Δh=0.2μm,其中心高微调机构的微调精度ΔY必须小于0.2μm。在光学非球曲面的磨削过程中,零件的轮廓精度还受到数控插补算法、机床导轨本身运动精度的影响。因此,实际磨削加工时中心高微调机构的微调精度应达到0.1μm。

　　3　中心高微调机构的设计及标定

　　3·1　中心高微调机构的设计

　　本文所设计的中心高微调机构如图4所示,它主要运用了斜楔移动产生微位移的原理[4]。斜楔与水平方向有一个很小的夹角,本微调机构的斜楔夹角为6°。微调杆Ⅰ或Ⅱ采用的是螺旋千分尺,且对它原有的刻度再次进行了细分。螺旋千分尺每回转一小格,斜楔在水平方向将产生Δx=1μm的微位移,在垂直方向的微位移为