离轴非球面加工、检测轨迹优化研究

　　1　引　言

　　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展。这些底层支撑技术的快速发展为光学设计人员提供了充分的想像空间,使其能够设计出更为精巧、像质更高、能够满足某些特殊要求的光学系统。特别是空间光学的快速发展,要求空间传感器的分辨率越来越高,视场角也要求越来越大[1~4]。但是对于红外侦察、预警相机中的非球面来说,直径大于500mm的偏离量大约为200μm以上(PV值)。针对这类大偏离量、高陡度离轴非球面的快速加工,笔者展开了研究,在原有的FSGJ-Ⅰ(非球面数控光学加工中心)模型基础上,研制成功了具有两种运动方式、双磨头姿态的六轴联动型非球面数控光学加工中心FSGJ-Ⅱ,并且利用CCOS(Computer Controlled Optical Surfacing)技术指导了加工。

　　严格来讲,在CCOS加工过程中,工具与被加工工件之间的面形吻合程度是影响加工精度的关键因素之一。特别是在研磨阶段,由于研磨盘变形较小(如铝质消音板),其与工件之间能否达到满意的吻合,在很大程度上受工具的运动轨迹的影响。此外,对非球面面形变化比较快或者非回转对称(例如:矩形、扇形、八角形等)加工表面而言,为了获取指导非球面研磨阶段加工的全口径离散型数据,同时为了降低加工过程中边缘效应的影响,接触式轮廓检测头的探测模式以及小磨头的运行轨迹也有待优化[5~8]。因此,合理的选择加工、检测路径并设置相应的轨迹参数,对于非球面元件的快速加工是十分必要的。

　　2　回转对称非球面构建轨迹

　　对于回转对称非球面元件来说,为了避免因运动步距不规则而导致的去除不均匀现象以及运动方向变换频繁而引入的重复去除问题,经常选择的运动轨迹为同心圆和连续型螺旋线结构:

　　(1)同心圆轨迹。如图1所示,在该运动方式下,可以推导出轨迹方程如下:

　　式中,Ri代表轨迹上i点的径向距离;Δθi代表第i条轨迹线上的步距角;S代表轨迹间距,取常量;L为运动步长(弧长),需参考非球面元件的口径以及工件转台的角分辨率而定,取常量。

　　(2)螺旋线轨迹。在大多数情形下,为了保证加工、检测过程的连续性,常采用如图2所示的圆形螺旋线运动轨迹。

　　磨头(检测头)从工件中心出发,按照规定参数的螺旋线轨迹移动。在整个运动过程中,磨头的旋转方向相同。具体轨迹方程如下

　　在实际应用中发现,对于某些非圆回转对称非球面(例如:椭圆形非球面)来说,可以通过对式(2)进行变换,椭圆形螺旋线运动方式可以达到较好的加工、检测效果,即