FSGJ-1非球面自动加工及在线检测系统

　　1　引　　言

　　在光学系统中应用非球面可以减少光学元件的数量和重量,缩小系统的尺寸,降低成本并改善像质等。但由于检测及加工的难度使其长期不能应用于高质量的成像系统中。同时随着现代科技的发展,非球面在高科技民用领域,如办公自动化设备和照相机变焦镜等方面的应用也日益广泛。这些都促使高精度非球面的加工及检测成为亟待解决的问题。

　　当前国际上以美国为首的一些发达国家利用数控技术及在线测量技术已经实现了大口径非球面的自动加工,最大加工直径为4 m,面形精度为λ/20 rms,并且加工周期大幅度缩短,以Itek公司为代表的一些制造商已经建成了数控光学加工中心,并声称将在下一世纪完全取代手工加工。而在“八五”期间我国光学加工仍以传统的手工加工为主,靠加工技师的经验来保证质量,劳动强度大。这显然不符合国际上光学加工的发展潮流。长春光机所经过三年的努力,终于设计并加工出了国内乃至世界上首台集铣磨成形、精细磨、抛光及在线检测于一体的四轴联动非球面加工机床FSGJ-1,见图1。在该机床上可以完成从铣磨成形、内孔磨边、倒角、粗细磨直到抛光的一整套加工过程。其铣磨精度为±0.02 mm,抛光精度为:面形误差小于λ/20 rms。

　　2　FSGJ-1研制过程中的技术难点及解决方案

　　2.1　面形误差向终极目标收敛的最佳方案研究

　　本项目的核心技术是计算机控制光学抛光技术(Computer-Controlled Optical Polishing,简称CCOP),其基本原理是采用计算机控制一个比工件尺寸小得多的小磨头,按一定轨迹在其表面上移动来完成抛光。材料的去除量决定于抛光液的浓度、磨头与工作件间压力、相对运动速度、磨头的停留时间以及磨头与工件的吻合度等因素。在研究过程中,我们经过理论分析及试验研究,决定采用控制磨头在工件表面不同区域的停留时间,而保持其他参数不变以达到定量控制去除量的方案。这样做机床的结构相对简单,同时由于控制量单一,容易控制。目前国际上一些先进国家的CCOP加工大都采用这一方案。

　　众所周知,光学加工的实践性非常强,加工过程受工艺条件、环境等因素的影响较大,因此与理论模型往往存在很大差距,面形误差的收敛速度不是像预计的那样快,有时在一定阶段收敛过程会停止不前,这是影响计算机控制抛光技术可靠性的一大障碍。我们在大量工艺实验的基础上,提出了CCOP工艺参数的优化方案,对理论控制模型进行了合理的修正,使加工精度及效率以大幅度提高。具体内容包括:

　　2.1.1　精磨后工件的表面质量研究

　　精磨后工件表面质量的好与坏将直接影响到抛光过程的效率及精度。一般采用散粒磨料精磨后都会在被加工工件的下表面留下一定深度的破坏层(Subsurface Damage Layer),必须在抛光阶段予以去除,但破坏层过深将大大延长抛光周期,降低其效率;另外利用该方法精磨后的工件表面光洁度往往较低,不能直接进行干涉计量,这给定量控制抛光带来了困难,经过工艺实验,我们决定采用固着金刚石磨料(Bound Diamond Abrasives Grinding,BDAG)而不是传统的散粒磨料(Losse Diamond Abrasives Grinding,LDAG)进行精磨,不但使下表面破坏层深度降到最低,而且大大提高了表面光洁度,使精磨表面可直接进行干涉计量,这一结果大大提高了加工精度及效率。其结果见图2。