计算机控制光学表面成形驻留时间算法研究

　　一、引言

　　在光学系统中使用非球面零件,可以明显改善像质、消除球面光学零件很难去除的球差、像差,提高光学特性,减少光学系统中光学零件数目,从而简化系统结构、减小系统体积、减轻系统重量。但是,光学非球面一般制造困难,价格昂贵,因此其应用受到很大的限制。长期以来非球面的使用只限于天文望远镜等一些特殊的领域。近年来,随着科学技术的发展,对光学仪器提出了更高的要求,如成像质量好、光能损失少、仪器小型化、轻量化等[1~3]。使用球面光学零件的组合难以达到上述要求,这都需要大量使用非球面光学零件,传统的光学制造方法是依靠高级光学加工技术人员采用手工修磨方法制造非球面,精度的稳定性差,加工效率极低,很难满足生产的要求。计算机控制光学表面成形技术(Computer-Controlled Optical Surfacing, CCOS)是本世纪70年代提出的一种加工非球面光学零件的方法,使得加工周期大大缩短,加工费用大大减低。现在,发达国家已经成功的用于制造大型天文望远镜非球面镜的生产,国内仍然采用传统的手工修研方法进行非球面的生产,效率极低[4]。

　　二、计算机控制光学表面成形原理

　　计算机控制光学表面成形(CCOS)是用一个比加工件小的多的研磨抛光工具(以下称磨头),在计算机的控制下,以特定的路径、速度和一定压力下在光学表面运动,通过控制每一区域内的研磨抛光时间(称驻留时间)、接触压力等参数,可以精确地控制工件材料的去除量,达到修正误差、提高精度的目的。为了简化控制,一般往往采用固定的压力和磨头运转速率而只控制驻留时间。其加工流程原理框图如图1所示[5,6]。首先对加工件表面进行形面测量,与理想数据比较,得到加工面的形面误差,与上一次加工前的预测值比较,确定下一步研磨加工的主要工艺参数。对研磨过程进行仿真,修改研磨工艺,使得下一步的研磨抛光后的形面误差最小。然后生成研磨加工的数控加工代码,在研磨机床上进行研磨加工,去除存在的形面误差。这个过程不断地进行下去,使得形面误差不断地减小,直到符合工件的形面误差要求。

　　光学表面的研磨过程是一个复杂的工艺过程,在CCOS过程中,一般认为Preston假设成立,即在一定的工艺参数范围内,某一点的去除量和磨头与工件的相对运动速度、接触压力、加工时间成正比,即

　　式中h是点(x,y)处的研磨去除量;p是该点在研磨时的正压力;v是该点磨头与工件的相对运动速度;这些量都与时间t有关。k是与工件材料、研磨工具材料、研磨磨料有关的比例系数,在CCOS中一般假定为常数。在实际应用中,一般保持压力p(x,y,t)、速度v(x,y,t)恒定,可以定义磨头在单位时间内的材料去除量,即磨头单位去除函数为