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光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术

于秋跃 郭文 王经华 栗孟娟 吕天斌 于长锁 李依伦 赵子跃

于秋跃, 郭文, 王经华, 栗孟娟, 吕天斌, 于长锁, 李依伦, 赵子跃. 光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220711. doi: 10.3788/IRLA20220711
引用本文: 于秋跃, 郭文, 王经华, 栗孟娟, 吕天斌, 于长锁, 李依伦, 赵子跃. 光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220711. doi: 10.3788/IRLA20220711
Yu Qiuyue, Guo Wen, Wang Jinghua, Li Mengjuan, Lv Tianbin, Yu Changsuo, Li Yilun, Zhao Ziyue. Edge effect control technology of CCOS in the grinding stage for optical mirrors[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220711. doi: 10.3788/IRLA20220711
Citation: Yu Qiuyue, Guo Wen, Wang Jinghua, Li Mengjuan, Lv Tianbin, Yu Changsuo, Li Yilun, Zhao Ziyue. Edge effect control technology of CCOS in the grinding stage for optical mirrors[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220711. doi: 10.3788/IRLA20220711

光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术

doi: 10.3788/IRLA20220711
详细信息
    作者简介:

    于秋跃,女,工程师,硕士,主要从事结构设计、光学加工和检测等方面的研究

  • 中图分类号: TH706

Edge effect control technology of CCOS in the grinding stage for optical mirrors

  • 摘要: 计算机控制光学表面成形技术(CCOS)广泛应用于反射镜的研抛过程,其去除函数通常选用去除效率高、去除稳定的近高斯形函数,但在加工过程中容易出现边缘翘边现象,严重影响反射镜的加工效率和面形收敛率。针对CCOS研磨过程中出现的边缘效应问题,提出一种应用于多自由度机械手的无偏心加工技术,对无偏心工具头的去除函数进行了分析,采用控制变量法研究加工压力、磨头转速和驻留时间等工艺参数对去除效率的影响,并对无偏心盘修边效果进行了试验验证。结果表明,通过对加工压力、磨头转速、磨盘悬挂比以及加工区域等加工参数进行合理调控,无偏心盘可以对翘边进行有效去除,且加工后面形平坦,可以很好地解决边缘效应问题。最后,针对研磨阶段提出了新的工艺流程:采用有偏心修形和无偏心修边相结合的工艺加工方式,可以快速提高反射镜面形加工的收敛效率,实现高效、高精度加工。
  • 图  1  单因素定点点坑试验流程图

    Figure  1.  Flow chart of single factor fixed point pit test

    图  2  (a) 无偏心工具头;(b)去除函数图

    Figure  2.  (a) Non-eccentric tool; (b) The removal function

    图  3  压力与去除体积效率之间的关系曲线

    Figure  3.  Relation curve between force and removal volume rate

    图  4  转速与去除体积效率之间的关系曲线

    Figure  4.  Relation curve between rotational speed and removal volume rate

    图  5  驻留时间与去除体积之间的关系曲线

    Figure  5.  Relation curve between dwell time and removal volume

    图  6  (a)、(c)、(e)、(g) 有偏心加工面形的测试结果;(b)、(d)、(f) 无偏心加工翘边的测试结果

    Figure  6.  (a), (c), (e), (g) Test results of eccentric tool to process the mirror surface; (b), (d), (f) Test results of non-eccentric tool to process the warping edge

    图  7  悬挂比和F数之间的关系

    Figure  7.  The relationship between suspension ratio and F-number

    图  8  反射镜研磨阶段加工工艺流程图

    Figure  8.  Process flow chart of mirror grinding stage

    表  1  工艺试验参数及相应的去除体积结果

    Table  1.   Process test parameters and corresponding removal volume values

    GroupForce/NRotational
    speed/rpm
    Dwell
    time/s
    Value of the removal
    volume/mm3
    113190600.10642
    217190600.21801
    321190600.30778
    425190600.41728
    529190600.41537
    621130600.25753
    721160600.27179
    821190600.30778
    921210600.34472
    1021240600.39063
    1121190600.30778
    1221190900.5153
    13211901200.70356
    14211901500.90589
    15211901801.10345
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-08
  • 修回日期:  2023-03-20
  • 刊出日期:  2023-05-25

光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术

doi: 10.3788/IRLA20220711
    作者简介:

    于秋跃,女,工程师,硕士,主要从事结构设计、光学加工和检测等方面的研究

  • 中图分类号: TH706

摘要: 计算机控制光学表面成形技术(CCOS)广泛应用于反射镜的研抛过程,其去除函数通常选用去除效率高、去除稳定的近高斯形函数,但在加工过程中容易出现边缘翘边现象,严重影响反射镜的加工效率和面形收敛率。针对CCOS研磨过程中出现的边缘效应问题,提出一种应用于多自由度机械手的无偏心加工技术,对无偏心工具头的去除函数进行了分析,采用控制变量法研究加工压力、磨头转速和驻留时间等工艺参数对去除效率的影响,并对无偏心盘修边效果进行了试验验证。结果表明,通过对加工压力、磨头转速、磨盘悬挂比以及加工区域等加工参数进行合理调控,无偏心盘可以对翘边进行有效去除,且加工后面形平坦,可以很好地解决边缘效应问题。最后,针对研磨阶段提出了新的工艺流程:采用有偏心修形和无偏心修边相结合的工艺加工方式,可以快速提高反射镜面形加工的收敛效率,实现高效、高精度加工。

English Abstract

    • 光学反射镜是光学产品的重要组成部分,同时也是光学系统实现其性能的关键元件,反射镜面形的好坏将直接影响在轨光学遥感成像系统的成像质量[1-4]。随着需求的不断提升,反射镜的面形精度要求越来越高,但研制周期却越来越短,这就对反射镜的加工提出了更高的要求。目前反射镜的加工通常要经过镜坯成型、铣磨、研磨、抛光等一系列工艺流程[5],而研磨是反射镜光学加工流程中一个非常重要的工艺环节,它的作用是除去上一道铣磨工序留下的刀痕等亚表面损伤,同时让反射镜面形快速收敛至可进行抛光的精度,研磨阶段面形控制的好,将大大减少抛光阶段的加工时间,提高加工效率。

      计算机控制光学表面成形技术(CCOS) 自问世以来就广泛应用于研磨和抛光过程,该技术根据面形的数据测试结果,由计算机控制小磨头对工件表面进行定量研磨、抛光[6-7]。其中去除函数是 CCOS 中的关键参数,主要与磨头在工件表面的驻留时间、磨头转速、相对压力等工艺参数有关,其表征研磨工具头在单位时间内的材料去除轮廓与去除量[8]。获取具有回转对称形状、中央峰值去除以及稳定的去除函数是保证光学元件CCOS 确定性加工的关键[9-10]。目前的CCOS去除函数通常选用近高斯形的去除函数,去除效率高,去除稳定,但其在加工光学元件边缘时,由于高副连接使得研磨盘不能移出工件表面太多,且在边缘时也会产生严重的压强变化,从而出现边缘翘边现象,即边缘效应[11-13]。一般要通过手修的方式将翘边去除,这种方式不但需要大量的人力成本,还严重影响加工精度的快速提升。反射镜的口径越大,所需要加工的边缘区域就越大,如果不对边缘进行合理控制,将严重影响反射镜的加工效率、加工收敛率以及面形的误差梯度和中高频误差,边缘效应已经成为制约大口径反射镜生产效率的主要瓶颈问题。

      目前CCOS研磨过程中使用的工具头是有偏心盘,其去除函数为高斯形,中间去除率最高,加工面形收敛率快,但容易加工出边缘效应,为此提出一种应用于多自由度机械手的无偏心工具头加工技术,区别于目前所使用的高斯形去除函数,无偏心加工的去除函数为倒“V”形,盘中心去除量最小,边缘去除量最大,这种倒“V”形去除函数可以很好地进行反射镜边缘修形。文中对无偏心工具头的去除函数进行了分析,研究了相关工艺参数对去除效率的影响,并通过工艺参数调控,对无偏心盘修边效果进行了实验验证。

    • 光学元件在加工过程中受多种的因素的影响,物理过程十分复杂。多年来,描述研磨过程中的材料去除模型最成功的还是Preston假设[14-15]

      $$ \frac{{\rm{d}}h}{{\rm{d}}t}=KPV $$ (1)

      式中:h 为工具头与加工元件接触区域中某点单位时间内的材料去除量;比例常数K与加工过程有关,如温度、研磨颗粒等;P表示工具头与加工元件之间的压强;V为工具头与加工元件之间的瞬时相对速度。

      当无偏心盘以角速度ω转动时,盘上任意一点的线速度V为:

      $$ V=\omega r $$ (2)

      式中:r为盘上任意一点到盘中心的距离。

      由公式(2)可知,无偏盘中心位置转速为0,随着r的增大,相应线速度不断增加,边缘线速度达到最大。在理论分析中,一般假设压力是平均分布的,故无偏心盘的边缘去除量应该最大,中间最小。

      由理论模型分析可知,研磨阶段的去除效率主要与磨头转速、相对压力以及磨头在工件表面的驻留时间等工艺参数有关,必须对相关参数进行研究。

    • 针对目前使用的多自由度机械手研抛设备,利用现有的工具头相关接口,设计无偏心工具头,采用单因素定点点坑工艺试验对无偏心工具头的去除函数进行提取,单因素定点点坑试验流程如图1所示。试验前,使用轮廓仪先对试验工件进行加工前的面形检测,试验时保持研磨盘与试验工件的位置相对不变,通过研磨盘在工件定点上加工出一个去除坑点,再通过轮廓仪测量加工出点坑后的面形数据,前后两次面形数据相减,即可获得该参数条件下的去除形貌。

      图  1  单因素定点点坑试验流程图

      Figure 1.  Flow chart of single factor fixed point pit test

      无偏心工具头具体形式和某参数条件下的去除函数如图2所示,可见无偏心工具头的去除函数为倒“V”形,盘中心去除量最小,边缘去除量最大,与理论分析相符合。

      图  2  (a) 无偏心工具头;(b)去除函数图

      Figure 2.  (a) Non-eccentric tool; (b) The removal function

      为了更加准确地研究相关工艺参数对去除函数的影响,采用控制变量法,研究加工压力、磨头转速以及驻留时间对材料去除效率的影响,各工艺试验参数及相对应的去除体积结果见表1

      表 1  工艺试验参数及相应的去除体积结果

      Table 1.  Process test parameters and corresponding removal volume values

      GroupForce/NRotational
      speed/rpm
      Dwell
      time/s
      Value of the removal
      volume/mm3
      113190600.10642
      217190600.21801
      321190600.30778
      425190600.41728
      529190600.41537
      621130600.25753
      721160600.27179
      821190600.30778
      921210600.34472
      1021240600.39063
      1121190600.30778
      1221190900.5153
      13211901200.70356
      14211901500.90589
      15211901801.10345

      对试验结果进行分析,各工艺参数对去除效率的影响曲线如图3图4图5所示。图3为压力与去除体积效率之间的关系曲线,拟合方式为指数拟合,拟合系数R为0.98769,从图中可以看出,压力值在21 N以内,去除效率随加工压力的增大而增加,当力大于21 N后,去除效率有降低趋势,这是由于压力太大导致研磨液不能顺利进入,从而影响去除效率;磨头转速与去除体积效率之间的拟合曲线为多项式拟合,拟合系数R为0.99691,见图4,随着转速的增加,去除效率明显增大;图5给出驻留时间与去除体积之间的关系曲线,拟合方式为线性拟合,拟合系数R为0.99979,可见随着驻留时间的增加,去除体积线性增加,即加工压力、磨头转速等工艺参数确定后,去除效率是恒定的,不随驻留时间变化。

      图  3  压力与去除体积效率之间的关系曲线

      Figure 3.  Relation curve between force and removal volume rate

      图  4  转速与去除体积效率之间的关系曲线

      Figure 4.  Relation curve between rotational speed and removal volume rate

      图  5  驻留时间与去除体积之间的关系曲线

      Figure 5.  Relation curve between dwell time and removal volume

    • 为了验证无偏心盘是否可以有效控制边缘效应,选取一块口径Ø407 mm/曲率半径R=1000 mm的球面反射镜进行加工,先用正常的有偏心盘进行面形加工,当加工出翘边后再使用无偏心盘进行边缘修形。根据无偏心盘工艺参数的验证情况,无偏心盘加工时选择的加工参数为加工压力21 N,转速190 rpm,因转速过高,在研磨头移动加工过程中容易造成研磨液甩出过快,影响加工效率和安全,故这里选用转速190 rpm。有偏心加工面形和无偏心加工翘边的试验测试结果如图6所示,其中有偏心盘和无偏心盘选择的口径都是Ф40 mm。采用无偏心盘修边时,盘的悬挂比和盘的加工区域这两个参数选择也尤为关键,只有选择合适的悬挂比和加工区域才能有效去除边缘翘边,针对Ø407 实验镜来说,盘的悬挂比为35%,加工区域从距离翘边沟底边缘1/3高度处开始加工效果最佳。从理论上来说,每块镜子因为F数不同,研磨盘在反射镜边缘的去除状态也不相同,悬挂比也随之改变,通过对多个反射镜边缘进行加工,总结出最佳悬挂比和F数之间的对应关系,如图7所示,可见反射镜越陡,悬挂比越小。

      图  6  (a)、(c)、(e)、(g) 有偏心加工面形的测试结果;(b)、(d)、(f) 无偏心加工翘边的测试结果

      Figure 6.  (a), (c), (e), (g) Test results of eccentric tool to process the mirror surface; (b), (d), (f) Test results of non-eccentric tool to process the warping edge

      图  7  悬挂比和F数之间的关系

      Figure 7.  The relationship between suspension ratio and F-number

      从测试结果可知,用无偏心盘来加工翘边,有偏心盘加工面形,可以使反射镜面形PV值快速地从66 µm收敛至10 µm,与以往同类型只采用有偏心盘加工的反射镜相比,面形收敛效率可提高20%以上。虽然无偏心盘加工不对称的翘边时,偶尔容易产生边缘小碎带,即反射镜的边缘出现多个不连续的蓝色小坑,如图6(f)所示,但小碎带可通过有偏心加工掉,即用有偏心盘正常按面形测试结果进行加工即可,加工结果如图6(g)所示,从而实现加工工艺的连贯性。可见,通过采用无偏心加工技术对反射镜的局部进行加工,边缘效应问题得到了很好的解决,既解放了人力、节约了成本,又大大提高了反射镜的加工精度与效率,加工后,面形可以很快满足抛光工序要求。

      根据无偏心试验验证结果,对研磨阶段的加工工艺流程进行改进,改进后的工艺流程图如图8所示。即在研磨阶段采用有偏心修形+无偏心修边相结合的方式,实现全口径加工和局部修边相融合,从而提高加工效率。具体实现方式为:铣磨后的反射镜先用有偏心盘进行全口径面形加工,因有偏心盘是高斯形去除函数,中间加工效率最高,可对面形进行快速去除;当加工出翘边后,再采用无偏心盘进行局部修边,无偏心盘是倒“V”形的去除函数,盘中心去除量最小,边缘去除量最大,可快速去除翘边。通过有偏心修形和无偏心修边两者交替加工,使得反射镜的面形快速收敛,直至面形满足抛光要求,研磨过程结束。该工艺流程具有通用性,可适用于各类反射镜研磨阶段的加工。

      图  8  反射镜研磨阶段加工工艺流程图

      Figure 8.  Process flow chart of mirror grinding stage

    • 针对研磨过程中出现的边缘效应问题,文中提出一种应用于多自由度机械手的无偏心工具头加工技术。首先对无偏心工具头的去除函数进行了分析,采用单因素定点点坑工艺试验对无偏心工具头的去除函数进行提取,相比于偏心盘的高斯形去除函数,无偏心盘去除函数为倒“V”形,盘中心去除量最小,边缘去除量最大;之后采用控制变量法研究加工压力、磨头转速和驻留时间等工艺参数对去除效率的影响,从试验曲线图中可以看出,压力值在21 N以内,去除效率随加工压力的增大而线性增加,而当压力大于21 N后,去除效率有降低趋势,这是由于加工压力太大导致研磨液不能顺利进入,从而影响去除效率;随着磨头转速的增加,去除效率明显增大;而驻留时间对去除效率的影响为线性的。通过对加工参数进行合理调控,包括加工压力、转速,磨盘悬挂比以及加工区域等,对无偏心盘修边效果进行了试验验证,结果表明无偏心盘可以对翘边进行有效去除,且加工后面形平坦,可以很好地解决边缘效应问题;最后针对研磨阶段提出了新的工艺流程:采用有偏心修形和无偏心修边相结合的工艺加工方式,实现全口径加工和局部修边相融合,反射镜面形加工收敛效效率可提高20%以上,实现高效、高精度加工。

参考文献 (15)

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