能动抛光磨盘的有限元法分析

    随着空间光学、天文观测、强激光应用等技术的不断发展,对大尺寸高陡度非球面光学元件的加工技术提出了更高的要求[1]。非球面光学元件的传统加工方法是将光学元件加工为球面以后再用小尺寸磨头进行局部修磨来产生非球面面形,不仅效率低而且容易形成局部带差,影响最终的光学系统质量。小磨头计算机控制抛光技术,在国外有成功的应用,但在加工大尺寸高陡度的非球面元件时存在的局限性:加工中产生较大的高频、中频残差;面形收敛效率相对较低。因而难于满足加工技术需要。

    能动磨盘的计算机控制抛光技术,是将能动光学器件技术应用于非球面光学抛光,使磨盘具有能动可控变形的特点。根据加工中磨盘的偏心量和旋转角度改变量,控制磨盘表面产生不同的变形以实时形成旋转对称或离轴的非球面轮廓[2~4],与所需求的被加工表面实现良好吻合,加工过程中不断改善被加工元件的面形,从而克服以上局限性。

  1  能动磨盘基本工作原理

    能动磨盘的工作原理如图1所示。图1(a)中,加工过程中被加工件与能动抛光磨盘分别以不同角速度旋转,同时能动磨盘从被加工件中心连续地逐渐向边缘移动。能动地控制均布在磨盘背面的多组弯矩驱动器施加不同的弯矩于磨盘上图1(b),使磨盘产生与加工件相同表面形状,以保证在任一瞬间、任一位置同被加工非球面吻合。能动磨盘表面受力变形的规律可由图1(c)所示的位移传感器阵列来标定。

    能动磨盘与非球面完全吻接的表面形状是一个离轴量不断变化的离轴非球面。在大尺寸接触情况下,通常抛光磨盘尺寸越大,覆盖加工元件区域面积越大,收敛效率越高,加工中出现的中、高频残差越小,面形的光滑连续度得到提高和改善。但过大的磨盘尺寸使表面结构和变形控制的复杂度将大大提高。仿真计算结果表明,合理的能动磨盘直径约为被加工工件直径的l/5~l/3。

   2  能动磨盘变形过程与其离轴量的关系

    采用能动磨盘的抛光过程如图2所示,磨盘从工件中心向边缘移动,表面形状的变化为从轴对称的表面轮廓向由不同离轴量和旋转角度决定的非轴对称曲面逐渐变化。

   在此以抛光一块抛物面反射主镜为例进行计算和说明。设基本物理参数为:

   工件直径为D=1.5m;工件表面形状为抛物面Zpara=(X2+Y2)/2p,p为抛物面原点处曲率半径;相对孔径A=D/f=1/2。能动磨盘的基本物理参数为:

    磨盘口径为d=0.5m,弯矩驱动器数量为12。