基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

　　0　引　言

　　在光学系统中应用非球面可以减少光学元件的数量和重量,缩小系统的尺寸,降低成本并改善像质等。随着现代科技的发展,在军工及高科技民用产品中,如办公自动化设备和照相机变焦镜等领域,对中小口径非球面的需求越来越大[1,2]。

　　计算机控制小磨头抛光技术在国内外已有成功的应用,但由于采用小尺寸磨头进行局部研磨来产生非球面面形,相对于大尺寸高陡度的非球面元件,加工效率低而且容易形成局部的高频残差,将对最终的光学系统质量产生影响[3]。

　　基于能动抛光盘的计算机控制抛光技术,在抛光运动过程中随时自动改变抛光盘的形状以适应所到之处的镜面面形。实验证明可以加工出很好的镜面。但这种可变形抛光盘只适用于大镜面,因为使抛光盘变形的执行机构较大,没有足够的空间就无法实现[4]。

　　基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘[5],为中小口径非球面镜提供了一种新的工具。其基本原理是:当被加工非球面工件以旋转轴为中心旋转,能动抛光盘在工件表面沿径向相对工件进行移动;根据能动抛光盘与被加工非球面工件的相对位置,控制PZT压电陶瓷驱动器变形,按规定改变能动抛光盘的面形,从而使能动抛光盘能够在任意时刻和位置产生理想非球面镜的局部表面形状,将工件加工为非球面。

　　由基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘的基本原理可知,其适用范围,主要由PZT压电陶瓷驱动器的变形范围决定。目前试制成功的19单元直径110mm的非球面能动抛光盘,其PZT压电陶瓷驱动器的变形能力为80μm,因此只能用于最大非球面量小于80μm的非球面镜。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。为基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘结构设计提供指导。

　　1　能动抛光盘基本结构

　　基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,由底座、压电陶瓷驱动器、基盘、极头和导线插座组成,如图1所示。底座上表面是球面,压电陶瓷驱动器沿径向安装在底座上表面上;基盘是铝制球面薄板,压电陶瓷驱动器通过极头与基盘连接;每一个压电陶瓷驱动器上都有一路加载在其上的数控电压源,各压电陶瓷驱动器通过导线插座与各自的数控电压源相联接。