影响方形非球面光学元件加工精度的工艺研究

    王毅 许贵阳

    摘 要：本文主要对方形非球面光学元件的再加工检测过程中进行了试验和研究，并且分析了影响到加工精度产生误差的原因。对于方形非球面光学元件的精密磨削过程来说，是能够检测出工程技术的关键步骤，是直接关系着方形非球面光学元件精度，能够体现工程的好坏。本文通过对方形非球面光学元件在加工中各个工件旋转轴（A，B，X，Y，C）等不同轴的速度与位置进行了精确的检测，并且对以上轴速与轴距做出了一定的调整，目的是为了更好更加顺利的完成对方形非球面光学元件的加工与检测，对工艺的改造不仅能够实现方形非球面光学元件的精密磨削，还能够满足设计提出的相关要求，更好的提升元器件的精密品质。

    关键词：方形非球面;磨削精度;影响;工艺研究

    0 引言

    虽然近年来我国市场经济一直处于高速发展的阶段，但是我国对于方形非球面光学元件的加工起步较晚，工艺依然只是处于初级阶段，在工艺技术上还无法与国外起步较早的国家相提并论，且自身存在着加工精度低，生产效率低等影响。对于整个加工方形非球面光学元件的加工精度的主要影响因素就是在生产过程中的检测问题。对于方形非球面的加工过程一般是有三个步骤即：元件成型、元件精磨、元件抛光。在这三个步骤中尤其是在精磨阶段的时候，需要对其精度有着严格的把控这样才能够制作成精磨的元件。因此需要在精磨的过程中需要加入数据测量来对其进行指导补偿加工，需要反复的进行加工——检测——再加工——再检测，才能够达到最终精密的加工要求。

    1 对于方形非球面系统的加工原理介绍

    对于在非球面光学元件的高精度加工磨削过程中，可以使用圆弧砂轮、平面砂轮、球面砂轮等砂轮进行加工。但是对于各个砂轮有着不同的应用，如平面砂轮只能够加工凸面非球面光学元件，如果在凹面非球面加工过程中使用的是平面砂轮那么会对生产的精度产生一定的影响与干涉，最终造成对生产精度影响，致使工程制作达不到标准。对于凹面非球面光学元件的加工只能使用圆弧砂轮来对其进行打磨。并且在打磨过程中还需要注意圆弧砂轮的弧度半径必须要大于光学元器件的弧度半径。但是因为以上三种砂轮机对光学元器件的修整作用精度有限，而且修正花费的时间较长，因此会对后续测量部分造成困难，也会对生产后的精度有影响。想要降低方形非球面光学元件的精度影响，可以在加工选择上针对不同的光学元器件来选取不同的砂轮机，当然原则上最优选取平面砂轮加工。另外对于提升加工精度方面可以在加工的时候，对方形非球面光学元件轴对称的中心为起点，向着轴对称非球面母线沿着加工点运动精磨，与此同时还需要工件绕着运动方向旋转轴进行旋转，这样做就会有加工痕迹在工件表面上形成螺旋状，对于后续的加工有着精密的指导作用，能够提高对光学元件的精度。

    2 对于补偿加工的作用与原理

    在非球面光学元件高精度的加工过程中，如果只是对其进行一次加工显然无法满足设计上的精度要求，因此需要补偿加工。在补偿加工之前，首先需要对光学元件初次砂轮机的加工轨迹，来拟出一条合理的连续的误差曲线，然后再用误差曲线与理想曲线对比，对于各个值之间进行求和平均，最终得到实际的补偿加工量，按照补偿加工量的曲线进行实际的操作加工。然受使用传感器测量的出初始加工曲面与理想加工曲面之间的误差，对于误差数据的处理首先要去除粗大误差这样是为了保持误差能在一定的精度内，抛弃偏离过大的误差，并还需要根据实测数据来拟定出能够叠加在轴对称的非球面母线上的误差连续曲线，然后根据加工所需生成能够补偿的数据。将生成的数据送入到加工系统中生成NC数据系统，并且还需要进行多次反复的补偿加工，这样才能够保证最终的成品能够达到精度的要求。

    3 在伺服系统中的速度和位置检测

    对于大口径非球面光学元件的加工方法是使用伺服电机使得机床五轴震动的，而对伺服电机的控制则是利用数控系统来完成的。在此过程中为了能够保证砂轮对工件的精准工作和能够实现限位控制。想要保证加工精度就需要在此过程中对工件和砂轮直线位移进行实时的检测，并且同时能够对数控系统有反馈信息，另外还需要能够可控制砂轮和工件的给进速度。基于此，对于此过程中不仅需要控制工件平移轴（X轴）还需要对砂轮平移轴（Y轴）以及控制工作台的水平位移做出良好精准的移动，除此之外还需要控制电机转速，通过这样多重的控制才能够实现位置与速度实现良好的双闭环控制。在对于工件轴，回转轴以及砂轮轴来说，需要能够对其角度转速有着精准的控制，并且还能够对其的位移量有着实时的检测，同时还能够将检测到的数据反馈给数控系统，让数控系统能够随时掌握，避免数据偏差对工程造成影响，以及能够第一时间做出调整。

    4 结束语

    综上所述，本文主要根据测量非球面光学元件的加工过程以及对选择原则和系统控制精度等方面有着详细的描写，分别对光学元件加工过程中的各个轴的速度测量以及位置需要选取不同型号的测量元件，并在加工过程中需要针对不同的光学元件选取不同的加工型号设备。并在加工过程中，对目前存在对方形非球面光学元件加工精度的一些影响给出了相应的解决办法，能够在一定程度上增强在加工过程中的精度。并且对于三种不同的系统给出了详细的原理解释和各自不同的性能阐述，并且对于以上建议的可行性已经在一定程度上得到了验证，且成果相对较为不错，希望本文能夠对实现非球面光学元件提高加工精度有一定的帮助与参考的价值。

    参考文献：

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    [2]罗松保，张建明.非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术[J].光学精密工程，2013（01）.

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