非球面加工技术.docx

非球面加工技术1. 引言1.1意义 非球面是光电系统的基本元件，与球面光学元件相比，使用非球面元件有许多优越性首先，非球面可以获得球面元件无可比拟的成像质量，它可以有效矫正多种象差其次，一 个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重 量以星载成像光学系统为例，使用非球面元件可以减轻20%—30%的重量；而每减轻1千 克的重量，其发射的成本相应可降低5万元人民币非球面元件能够达到甚至采用多球面元 件组也无法达到的设计要求正因为非球面有诸多的优点，所以得到了越来越广泛的应用， 具体表现在如下几方面:(1) 军事方面：如卫星红外望远镜、导弹导引头、夜视仪器、导航装备等如由于导弹 导引头需要高品质、高成像质量和高可靠性，导弹导引头往往设计成非球面轮廓2)民用光电产品：如摄影镜头和取景器、变焦镜头、电影放影镜头、录像机镜头、CD/DVD 的读取头、数码相机、光纤通信的光纤接头、医疗上的内窥镜等1.2难点 非球面零件有诸多的优点，但是它在加工中存在着许多困难，主要有以下几点：(1) 非球面的面形比较复杂，表面各点的曲率不同，抛光模与加工表面无法很好的吻合，故抛光 时表面难以修正；(2)非球面对其另一个平面或球面的偏斜无法用磨边来纠正，不能用定心 的方法保证光学表面的同轴性；(3)非球面的检验也不能用传统的球面检验方法，需要专门 的辅助设备。

这些问题增加了非球面零件的制造难度，限制了非球面零件的应用非球面可分为旋转对称型非球面和自由曲面两种，使用最多的是旋转对称型非球面， 常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等2. 非球面零件的概念及应用 所谓的非球面光学元件是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的曲率半径均不同 的光学元件目前光学系统应用最广泛的旋转对称型非球面，其最基本的面形是二次曲面， 若选光轴为Z轴，非球面的顶点为坐标原点，则该二次曲面可表示为：R + JR2 - (1 + K)h2 •式中，R是非球面顶点处的曲率；h表示非球面上任一点到光轴Z的距离；K是二 次曲面系数，它与二次曲面的离心率e有关，K值的不同则表示不同形状的非球面，如图 1.2当K=0时，表示为7图1二次曲线个圆，如图当K>0时，表示椭圆如图1.2中曲线2； 当-1WK〈0时，表示抛物线如图1.2中曲线3；当K<-1时，表示双曲线的一支如图1.2中曲线4将它们分别绕光轴Z旋转，就可以得到不同形状的非球面面形偏离二次曲面的非球面则是高次非球面实际应用最多的是偶次非球面，它的方程可表示为R + Jr2 - (1+ K)h2(1.2)+ Ah 4 + A h6 + A h8 + L4 6 83. 非球面的加工非球面光学零件的加工可简单分为铣磨成型和精密抛光两个阶段。

第一阶段，铣磨成型 这一阶段要能保证光学零件具有较高的面形精度（P-V ：1〜2^m）；第二阶段，精密抛光 由于第一阶段零件的面形精度已得到了保证，所以精密抛光中只需去除精磨后表面的破坏 层，达到规定的表面粗糙度的要求这一阶段关键在于不改变面形，也就是要求均匀抛光—-形磨iirT^ P►-光11测需样件糯密抛光」图2 加工简单流程3.1 铣磨加工原理 3.1.1球面铣削原理球面铣削加工原理如图3所示金刚石磨轮刃口通过工件顶点，磨轮轴线和工件轴线相 交于0点，并且两轴夹角为a,磨具绕自身轴高速旋转，工件绕自身轴低速转动，这种运动 轨迹的包络面就形成球面图3球面铣削加工原理2.2.2非球面铣磨原理非球面的铣磨原理与球面铣磨有很大的差别，非球面的铣磨采用的是金刚石单点车削方 法实现的该技术由美国国防科研机构于60年代率先开发、80 年代得以推广应用的非球面 光学零件加工技术在超精密数控车床上，通过计算机加工参数的精确控制，直接利用金刚石刀具单点车削 加工出符合光学质量要求的非球面光学零件该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的光 学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好采用该项金刚石车削技术加工出来 的直径120mm以下的光学零件，面形精度达1/2〜1九，表面粗糙度的均方根值为0.02〜 0.06mm。

非球面进行单点车削加工的基本原理如图4所示，工件通过真空吸附安装在工件轴上作 回转运动，安装在固定支架上的杯状磨轮以一定角度作回转运动，通过数控系统控制工件轴 实现X、Y方向的进给运动实际加工中，磨轮的磨削轨迹是一系列的同轴圆，当磨轮磨削轴 对称非球面上某一点时，由于工件轴的回转运动形成圆周磨削，经过一定时间的数控进给运 动，回转磨轮的表面所形成的包络面即为要加工非球面该技术可以加工出符合光学质量要求的非球面光学零件，主要用于加工中小尺寸、中等 批量的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好采用该项技术，可以加工 ©120mm以下的光学零件，面形精度达1/2〜1九，表面粗糙度的均方根值为0.3〜O.lum目 前实验室非球面铣磨采用德国LOH公司的设备,该设备精度高，细磨后,面形精度可达lum， 粗糙度RMS小于200nm3.2非球面抛光方法在长期的科学研究和生产实践中，人们发明了许多抛光方法来实现非球面抛光目前， 常用的非球面抛光方法主要有以下几种：3.2.1研磨抛光法常用的研磨抛光包括古典的低速抛光和现代的高速抛光［12］，是最古老的目前仍在广泛 采用的一种抛光方法它是在被抛光工件表面和抛光盘之间加入抛光液，利用抛光盘与工件 表面的相对滑动，借助抛光液与工件表面机械化学和物理作用实现对工件表面的抛光。

非球面的研磨抛光是采用机修与手修结合的方法，特别是在最后的面形修抛阶段更是 完全依靠加工者的经验进行手修这种传统的非球面抛光工艺不仅周期长，劳动强度大，效 率低而且手修的过程不容易控制，抛光精度取决于技术人员的经验，对加工者的个人经验 和能力要求很高3.2.2射流抛光法射流抛光技术［13-15］ （Fluid Jet Polishing，简称FJP）是近几年来刚刚提出用于先进 光学制造业的新方法，是在磨料射流技术的基础上发展起来的集流体力学、光学制造、表面 技术于一体的先进光学加工工艺，属于非接触式抛光方法它是利用由小喷管喷出的混有磨 料粒子的高速抛光液作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞剪切作用达成材料去除 的目的通过控制液体喷射的压力、方向及驻留时间等来定量的修正被加工工件面形的光学 加工工艺图1.3为液体喷射抛光的实验原理图混有磨料粒子的抛光液经高压泵加速后， 以极高的速度从喷管喷出射向工件表面，与工件发生碰撞，对工件表面进行抛光碰撞结束 后，磨料粒子随水流回流到收集器，循环往复，可对工件进行连续抛光在喷射抛光过程中， 高速磨料粒子如同一把把微小的柔性车刀，对工件表面进行切削、刻划加工。

图1.3 液体喷射抛光的实验原理图目前国内外在这方面的研究还处于起步阶段荷兰Delft大学的O.W. Fahnle和H.van Brug等人曾进行过实验研究，利用液体喷射抛光技术，使得平面样板玻璃BK7的表面粗糙 度Ra由初始的475nm降到5nm，并且对于已抛光的样板玻璃（初始表面粗糙度Ra=1.6nm）， 经过该技术的作用后，表面粗糙度没有增加2.3计算机控制抛光技术计算机控制小工具抛光技术（Compu ter con trolled op tical surfacing,简称CCOS ）是 20世纪70年代发展起来的一项新型光学加工技术［16-18］在大口径、高精度非球面（特别是 离轴非球面）的加工中，这项技术有着非常重要的作用和地位计算机控制小工具抛光技术 的发展可以追溯到20世纪60〜70年代美国Itek公司最早提出了利用计算机控制一个小 型加工工具进行光学加工的技术思想，即CCOS并在控制软件、机床设备和检测方法等方 面做了大量的工作随后，诸如Tinsley公司、Perkin-Elme公司、美国的亚里桑那大学光 学科学中心、法国空间光学制造中心、德国蔡司公司、俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究所等在 该领域开展了深入的研究。

CCOS技术根据定量的面形检测数据，用计算机控制一个小磨头（直径通常小于工件直径 的 1/4）对光学元件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及磨头与工件之 间的相对压力来控制材料的去除量在加工过程中，由于小磨头能够比较有效的跟踪非球面 表面各点曲率半径的变化，因而能与非球面的面形良好的吻合，从而获得很高的加工精度 它充分发挥了计算机执行速度快，记忆准确等优势，因而使加工的重复精度及效率大幅度提 高计算机控制抛光（CCOS）基本原理是建立在描述材料去除量与其影响因素之间关系的数 学模型 Pres ton方程的基础上的Pres ton方程描述如下：dZ = kPV （1.4）式碍dt单位时间材料去除量；dtk ——与加工条件及材料性能有关的系数；P ——磨头与工件间的相对压力；V ——磨头与工件间的相对运动速度计算机控制抛光技术的实质和目的是把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，从 而控制抛光模对光学表面进行加工与传统经典的抛光相比，计算机控制抛光技术对工件面 形的判断更加准确；抛光过程的控制更加可靠；使大口径非球面光学元件的加工效率和加工 精度得到了大幅度的提高虽然计算机控制小工具抛光技术发展得比较早，但是这项技术真正取得突破性发展却是 在20世纪80年代中期。

70年代初至80年代中前期，CCOS技术尚处于初始阶段当时由于 受计算机技术和精密测量技术的制约，CCOS还没有做到完全实用化这期间美国Itek公司 的Ronald和Arizona大学的R.E. Wagner等人对CCOS的数学模型和研磨阶段的材料去除机 理作了开创性的研究1977年R.AJones在Ronald所作CCOS数学模型的基础上，提出了 一种采用卷积迭代法计算小工具驻留时间的模型［19］这一数学模型在以后几十年里一直是 CCOS 技术最重要的理论依据此外他还对不同运动方式下小工具的加工效果进行了大量研 究，得出CCOS过程中面形误差收敛的条件是小工具去除函数趋于高斯分布要产生这样的 去除函数，小工具除自转外还需要一个公转运动，这种双旋转小工具到目前为止仍被CCOS 工艺广泛采用在此基础上，R.A.Jones设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机床跑21］， 并为美国空军加工出一块①500mm, F3.5的抛物面反射镜，面形精度为RMS 0.04pm，表而 粗糙度小于5nm，总加工周期为3个月，这一效率要明显高于手工加工到了 80年代中后期，随着计算机和精密测量技术的飞速发展，CCOS技术也得到了进一 步的完善。

Itek公司对9台CCOS设备的数控单元进行了改造，采用了直流伺服加位置反馈 控制技术，前台操作采用VAX- II小型机联网管理并配有与CAD系统的接口［22,23］改造后 的CCOS系统的计算速度和精度都得到了大幅度提高从长远观点来看，Itek公司此举的目 的是要把CCOS发展成为CAD/CAM 一体化、非专家可操作的先进光学制造系统但到目前为 止，这一目标还没有实现，最大障碍是由于光学制造工艺的复杂性使得建立准确、全面描述 加工过程的数学模型变得异常困难国内从20世纪80年代后期开始进行CCOS技术的研究，南京紫金山天文台、北京理工 大学、清华大学等单位分别研制了 p-e型和X-Y型实验机床，开展了一些计算机控制抛光 的原理性研究1997年浙江大学进行了光学非球面自动加工的研究［24］，取得了较好的结果 此后长春光机所研制成功FSGJ-1。