平面元件数控加工技术研究

　　1　引　言

　　经过多年的发展,我国在光学元件冷加工方面形成了一定的科研加工能力,积累了较多的经验和技术。但是这些经验和技术对于承担高功率固体激光装置 中光学元件的冷加工任务来说,尚有很大差距。其关键就是要解决大尺寸光学元件的批量化精密加工问题。从国外经验来看,计算机控制抛光技术是解决这一问题比 较有效的方法。

　　2　数控抛光的基本原理

　　计算机控制抛光是70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件小得多的研磨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、压力及磨头在表面某一区域的停留时间来实现对材料去除量的控制。

　　根据Preston假设,在很大的数值范围内,抛光可以表示为一个线性方程

　　式中K为与加工条件及材料性能有关的系数;P为磨头与工件表面某一点(x,y)在瞬间t时的压力,P=P(x,y,t); V为磨头与工件表面该点(x,y)在瞬间t时的相对运动速度, V=V(x,y,t)。

　　因此,当我们知道了某一点的速度和压力,以及作用的时间t,就可以计算出表面材料的去除量ΔZ

　　式中Z0(x,y)是时间t=0时的表面高度,Z(x,y)是时间为t时的表面高度。

　　我们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

　　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,当考虑到小磨头与工件表面吻合良好且加工过程中不超出工件边缘时压力P(X, Y)为常量P,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

　　从上式可以看出材料的去除量为磨头的工作函数与驻留时间函数的二维卷积,(5)式即为计算机模拟的最重要的理论依据。

　　如果面形的修改与抛光模在工件表面不同位置处的压力有关,那么上述方程应写为

　　式中Pc(x,y)是抛光模作用在工件表面位置为(x,y)处的压力。

　　3　工艺实验

　　3·1　设备简介

　　成都精密光学工程研究中心从俄罗斯引进了2台AD-1000数控研磨抛光机,机床外形如图1所示。

　　该机床在整体结构上采用龙门架方式具有较强的刚度,特别是在抛光头的设计上有很大的灵活性,可以使抛光头在抛光过程中与加工件间保持很好的吻 合。在控制上采用加测速机的直流伺服电机,因而在抛光过程中可保持运动更加平稳,为避免产生“波纹度”误差提供了硬件保证。在软件上采用DOS操作系统具 有一定的灵活性,较一般的数控机床具有更高的灵活性和操作简单性。该数控机床由计算机控制四台自流伺服电机分别驱动抛光头沿X轴、Y轴、Z轴作线性运动, 并使抛光头绕Z轴旋转,带动抛光头上的抛光盘在工件表面按预定轨道运动。这2台数控机床加工的光学元件基板口径为Φ300mm ~Φ1000mm。由其特点可知它适合加工大口径平面、低陡度非球面及长焦距球面。