基于误差递减修正法的非球面超精密加工

　　0　引　言

　　在现代光学中,光学非球面镜具有十分重要的作用。将非球面用于光学系统中,能够增加光学设计自由度,修正像差,提高光学系统成像质量,而且可以简化光学系统的结构。天文望远镜是应用非球面最早的领域,随着光学精密加工的发展,非球面越来越广泛地应用于各种光学系统中。目前,在高端的数码产品、光学测量仪器、扫描仪等越来越多的采用非球面。在医学上,非球面人工晶状体是目前临床上备受关注的一种新型人工晶状体,它具有减轻像差和提高白内障患者术后视觉质量等优点,较传统的球面人工晶状体更能满足人们对高质量视力的要求。除此之外,有许多优点的离轴非球面也应用广泛,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。

　　非球面的超精密加工技术是超精密加工中一个重要的方向,一般采用超精密研磨、抛光等技术,但加工效率较低。单点金刚石超精密车削技术(SP-DT)可避免反复磨削的后续工序,实现加工表面光学质量的一次成型、加工效率高,可实现铝、铜、塑料等材料或模具钢的加工。为了提高工件表面的面形精度,通常采用补偿加工的方法。利用磨削加工时,可以对砂轮和主轴进行修正;利用车削加工时,可以对非球面和其最接近球面中心之间的偏离进行修正,对刀具进行修正等。本文采用SPDT技术对非球面进行加工,对加工后的表面进行离线测量,根据对测量数据的处理完成加工路径的修正。经实验验证,这种方法不仅效率高、易实现、加工表面精度好,而且对可以实现某些离轴非球面的加工。

　　1　非球面的数学方程

　　非球面按照有无回转轴,大致可分为两种类型:轴对称非球面和非轴对称非球面。轴对称非球面具有一个回转轴,主要是二次曲面,例如抛物面、椭球面和双曲面。非轴对称非球面,例如离轴抛物面,虽然有回转对称轴,但不在其口径范围内,其加工方法可以借助特定的结构设计按照轴对称非球面进行加工。一般非球面的表示方法为[8]

　　式中R0为非球面顶点曲率半径;K为圆锥曲面常数;ai为非球面系数。此方法是目前较为通用的表示法,由方程易看出非球面相对于基准二次曲面的变形,尤其在非球面的光学测量中使用广泛。

　　2　整体加工方案

　　2.1　加工方案

　　因为超精密车削每次沿z轴方向的去除量很小(在几十微米以内),所以主要的去除量要借助于普通车床来完成,这样可以极大的提高加工效率,减少超精密车削时的刀具磨损。

　　图1是非球面的整体加工方案,先将毛坯在普通车床上加工出一个与所加工的非球面形状接近的球面,然后再去除这个球面的部分材料形成所需要的非球面,这个球面一般称为最接近球面。待加工的非球面与最接近球面的偏移量是制定加工工艺的重要依据。最大偏移量越大加工越困难,需要加工时间越长,所以选取合适的最大偏移量在非球面加工中也是非常重要的。