光学自由曲面计算机控制加工中的形面检测研究

　　1　引　　言

　　在光学系统中,为了实现一些特殊成像效果,需要采用复杂的自由曲面光学零件。例如,在彩色显像管的生产中,为了使光线模拟电子束的运行轨迹,需 要使用自由曲面光学透镜[1]。另外,在一些短波应用领域中,也需要采用光学自由曲面[2]。自由曲面是一类复杂的不规则的非回转型曲面,一般很难采用统 一的数学方程描述,通常采用一系列离散型值点表示。由于自由曲面各型值点间没有任何几何约束,所以在设计中采用光学自由曲面会给光学设计人员提供很大的设 计自由度。但是光学自由曲面的加工远比普通光学球面和光学非球面加工困难,这大大地限制了光学自由曲面的广泛应用。

　　随着计算机辅助制造技术(CAM)和数控加工技术(NC)的发展,可以在数控机床上加工出自由曲面的基本形面,然后对自由曲面的基本形面进行研 磨和抛光,就可以得到光学自由曲面。图1表示了光学自由曲面的计算机控制加工方法流程图。数控磨削是加工光学自由曲面的基础,需要在能够做连续曲面控制的 数控磨床上进行。通过数控磨削可以得到呈明显的“峰-谷”相间结构的自由曲面基本形面。采用数控研磨工艺可以均匀地去除“峰-谷”层和磨削微裂纹层,降低 表面粗糙度,并保持数控磨削的形面精度。由于机床精度的限制,数控磨削的精度不能满足光学自由曲面的形面精度要求,需要通过修正研磨工艺提高自由曲面形面 精度。它是利用自由曲面的形面数据与要求的曲面数据比较,得到修研数控程序,进行修研加工,减小形面误差。修正研磨加工与形面测量两个过程结合起来反复进 行,就可以不断地提高自由曲面的形面精度,满足光学零件的需要。数控抛光可以进一步降低自由曲面表面粗糙度并消除研磨过程的破坏层,达到光学零件的要求。

　　2　光学曲面计算机控制加工中的形面检测

　　光学平面和球面的形面测量可以采用光学干涉方法进行,与球面偏离较小的非球面也可以采用光学方法通过测量与球面的差值进行精确地测量[3] [4](可以达到λ/50或更高,λ600nm),一些特殊非球面,如抛物面和双曲面等,可以通过设计特殊检测光路完成形面测量[3-6]。由于自由曲面 的复杂性和多变性,采用光学方法测量有很多困难,目前广泛应用的方法是坐标测量方法。

　　坐标测量是一种通用数字化间接测量技术,是以空间直角坐标为参考系,检测零件轮廓上各被测点的坐标值,并对其数据群进行处理,求得零件各几何元 素形位尺寸的检测方法。实施设备一般为三坐标测量机[7]。在具有扫描功能的测量机上,可以对曲面进行扫描,得到的测量结果是一系列的离散坐标值,只是比 单点测量时测点密集、测量速度快,但是一般测量机在扫描测量方式时测量精度比单点测量方式精度低。目前,生产型坐标测量机的综合测量精度已经达到了 0.6-0.7μm[8],而日本的Cannon公司为了加工高精度光学非球面开发了CSSP机床,附带的坐标测量装置测量精度可达10nm[9],采用 了扫描方式测量。自由曲面形面的高精度测量是影响其最终加工精度的一个决定性因素。