非球面聚焦透镜数控加工技术研究

　　国内现有的高功率固体激光装置所使用的非球面聚焦透镜都是用传统方式手工加工而成的。通常聚焦透镜的一面是非球面,另一面是平面或球面。加工精度要求一般为弥散源0.010.02mm,其作用是将平行光汇聚到一个点上。由于采用手工的加工方式,加工的精度和进度对人的依赖性很大,这势必影响大批量制造时的工程进度和加工质量的稳定性。而采用新兴的小磨头数控加工技术则可以避免这些缺点。现在国内已有采用数控小磨头加工平面和反射式非球面的研究,但用于加工透射式的非球面聚焦透镜在此之前还没有尝试。本文介绍将小磨头数控加工技术用于非球面聚焦透镜加工中的各项技术和实验情况。

    1　数控光学加工技术简介

　　数控小磨头抛光技术(CCOS,computer controlled optical surfacing)是采用小磨头对工件表面局部误差进行加工的技术,它有加工定位准确,误差面型收敛快而稳定的优点[1]。数控抛光的工作流程如图1所示[2]。

　　实验使用从俄罗斯引进的AD250型数控抛光机,AD250机床有5个坐标轴,可使工具主轴(z轴)沿x,y坐标移动,工具可沿z轴移动,装夹工件的台面还可以做圆周转动(轴)和倾斜(b轴)。工具在x,y,z三个坐标方向上的移动速度和距离及装夹台面的转动和倾斜都可通过计算机来控制。

　　该机床的工具绕z轴作圆环摆动(公转),同时在摩擦力的作用下,工具又有自转运动。工具的自转中心到z轴的距离(偏心距)手动可调,圆环摆动速度(工具主轴转速)可通过计算机控制。机床的运动示意图见图2。

　　机床加于工具上的压力采用气动加压,压力的大小可视工件材料、尺寸及去除量进行手动调节(在一个加工循环中,压力是恒定的)。

    2　机床加工方式选择

　　针对机床的运动方式,结合传统加工非球面的经验,选择了两种加工驻留方式来适应不同的加工需求。具体如下:(1)当所加工的带是环带对称时,采用c轴高速旋转,控制磨头在不同环带位置的停留时间的方法来实现不同环带的修整;(2)当所加工环带不是对称的,或加工方型元件的角部,不允许连续整周加工时,采用c轴低速旋转,由其转速来控制磨头在同一环带上不同部分的停留时间,以实现同一环带上不同位置的修整。

　　将这两种加工方式有效地结合,理论上即可处理加工中出现的各种误差。

　　此外为了实现加工环带时磨头在环带上的定位,必须考虑坐标点的定位和b轴的角度定位相配合,实现磨头压力垂直于工件切向。

　　如图3,O1为b轴的转动中心,工件为一凹球面,O1到凹球面最低点的距离为a,凹球面半径为r,球心在O点。现要加工半径为h的一个环带。为了在加工此环带时压力垂直于表面切向,则须将工件移动到如图3右侧图所示的位置。即假如顶针位置不变,则工件应向右移动x0的距离,并使b轴转动角度α。