大偏离量非球面加工系统的精度标定

　　1　引　言

　　近年来,随着现代先进制造技术与计算机软硬件技术的快速发展,光学制造技术与光学设计软件得到了长足的进步,特别是空间光学的快速发展,要求空间遥感器的分辨率越来越高、视场角越来越大[1~4]。因此新一代的空间相机一般通过采用轻质大尺寸的非球面光学元件来提高系统的成像质量,以降低系统复杂性。

　　然而,对于红外侦察、预警相机中的非球面,直径大于500mm的非球面的偏离量大约为200μm以上(PV值)。如果从最接近球面开始修磨,则工作量较大,工作周期较长。另外目前的发展趋势是非球面偏离量还会继续加大,有时甚至可达到毫米级,这样一来将会严重影响加工效率。在这种情况下,开展大偏离量非球面反射镜的快速加工研究,实现光学加工过程专业化、集成化及高效化,就显得尤为迫切。

　　数控机床作为发展现代先进光学制造技术的基础设施[5],其控制精度及加工方式的合理性是实现加工有效去除的关键。我们在原有的数控模型基础上,优化了机床的运动形式,增加了磨头加工自由度,实现了对复杂光学非球面,尤其是大偏离量或者接近半球型元件的快速加工。

　　2　相关控制参数的确定

　　针对大偏离量非球面的加工,工件上各加工点的法向角变化较大,如果磨头在加工过程中始终保持同一加工姿态,则易造成实际加工位置与目标位置间偏差过大,最终难以对整个加工过程进行准确地预测与控制。为此,设计中增加了磨头沿辅轴的摆动,使加工矢量与加工点法向一致,实现了按非球面法线方向进行加工的目的。

　　对于曲面上任一加工点P(x0,y0,z0)(直角坐标系下)或P(c0,y0,z0)(极坐标系下),按下述方法确定辅轴的Y向位移、Z向微位移及摆角α(与Z轴夹角)。

　　(1)将工件沿X轴平移x0(直角坐标系下)或绕Z轴转一角度c0(极坐标系下),将加工点移入yoz平面,得曲线方程

　　(4)工件坐标系下,y向定步长进给,即Δy =yi-yi-1=const。则辅轴的Y向位移ΔYi、Z向微位移ΔZi及摆角αi确定如下

　　3　误差标定及补偿策略

　　大偏离量非球面快速加工时,机床的系统误差及随机误差对加工精度的影响占主导地位[6]。因此,准确地标定并分离出误差是提高系统加工精度的关键。

　　在该系统中,可以通过提高系统刚度,选用低膨胀系数的花岗岩材料,振动融离,内部减振及环境温度控制等措施来使随机误差尽可能降低,另外,借鉴德国LOH公司的做法,即将粗加工检测结果反馈输入CNC系统,对原始加工参数做进一步修正后,指导下一步加工,达到消除随机误差的目的。对于系统误差,重点分析其对确定工件加工矢高的影响。