光束整形系統(tǒng)異形元件的研制

付秀華，崔金迪，賈宗合

(長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春130022)

1 引言

非球柱面鏡與柱面鏡相比較具有改善成像質(zhì)量，提高光學(xué)特性，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，因此它被應(yīng)用在很多領(lǐng)域中，如強(qiáng)激光系統(tǒng)，傳真機(jī)和印刷排版的掃描成像系統(tǒng)，以及條形碼掃描，全息照明等方面［1］。

柱面鏡的加工技術(shù)近幾年有了一定的發(fā)展，如計算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)，光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，計算機(jī)數(shù)控單點金剛石技術(shù)等［2］。目前，國際上像美國Rochester大學(xué)和德國optotech公司等利用計算機(jī)自動控制技術(shù)，實現(xiàn)柱面的快速精密銑磨成型，并且能夠保證光學(xué)零件具有較高的面型精度［3］。國內(nèi)也取得了很大進(jìn)展，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所從1992年開始就開展了基于柱面數(shù)控加工技術(shù)的研究，并研制了第1代，第2代和第3代非球面數(shù)控光學(xué)加工中心［4-7］。

但非球柱面鏡的加工和檢測都有一定的難度，首先異形元件的兩個表面的柱線必須互相垂直，其次由于異形元件面型是由非球面與柱面鏡復(fù)合而成，所以無法利用干涉儀檢測。針對以上問題，本文將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于非球柱面鏡的加工中，建立了光束整形系統(tǒng)。討論了銑磨過程中各銑磨參數(shù)的影響因素。針對非球柱面鏡面型難以控制的問題設(shè)計了拋光模結(jié)構(gòu)［8］，并優(yōu)化了加工工藝流程。實驗證明數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于非球柱面鏡加工，在保證圖紙精度要求的同時，有著快速、高效、準(zhǔn)確、操作簡便、可靠性高等特點，解決了非球柱面鏡面型難以控制的加工技術(shù)難題［9］。

2 光束整形原理

兩柱面鏡組成一維整形系統(tǒng)，如圖1所示，尺寸為15 mm×5 mm×5 mm，第1面為非球面柱面鏡，頂點曲率半徑R為32.873 mm，曲線常數(shù)K=－1，第2面為柱面鏡，半徑為37.09 mm，非球柱面鏡與柱面鏡的柱線相互垂直。光線通過第1面非球柱面鏡后平行光束變?yōu)榫€光斑，通過第2面柱面鏡后線光斑變?yōu)榉焦獍撸鐖D2所示。

圖1 工件模擬示意圖Fig.1 Schematic diagram of odd-form component

圖2 光線經(jīng)過光學(xué)元件后方光斑示意Fig.2 Square spot observed for light passing through the odd form component

3 非球面柱面鏡的研制

非球柱面鏡的加工可以采用計算機(jī)數(shù)控和古典工藝銑磨成型，古典工藝加工非球柱面鏡需先加工成柱面鏡，在柱面鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研磨拋光，制造工藝復(fù)雜。計算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)相比傳統(tǒng)加工工藝，節(jié)省時間和人力，且面型精度更高［10］。本實驗采用計算機(jī)數(shù)控銑磨成型。

3.1 DIFFSYS Version軟件的模擬仿真

DIFFSYS Version軟件是專門用于平面、球面、非球面仿真模擬軟件，并且可以與其他計量儀器一起對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正(Taylor Hobson輪廓儀)［11］。根據(jù)頂點曲率半徑、非球面系數(shù)等參數(shù)，由軟件計算得出的邊緣高度(Edge sag)、最佳擬合半徑(Best fit rad)、最大非球面度(Max dev)模擬優(yōu)化加工工藝過程。并調(diào)試不同參數(shù)磨輪、進(jìn)及路徑，確保數(shù)控研磨高效、穩(wěn)定的進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 模擬加工圖Fig.3 Simulation for component processing

3.2 數(shù)控銑磨成型

計算機(jī)控制表面成形技術(shù)是一個反復(fù)迭代的過程，而銑磨參數(shù)的選擇和設(shè)置都會對最后加工結(jié)果產(chǎn)生影響，所以在實際加工中需要考慮砂輪的選擇、進(jìn)給量的大小，再到工件軸及工具軸的轉(zhuǎn)速和拋光液的濃度等［12］。

(1)砂輪的選擇

砂輪的濃度和粒度對元件的磨削效率和表面粗糙度均有一定的影響，濃度越大，金剛石顆粒的密度就越大，銑磨后元件的粗糙度越小。粒度越大，金剛石顆粒的尺寸就越大，磨削效果越明顯。根據(jù)非球柱面鏡尺寸的參數(shù)要求，對磨輪的選擇如表1。

表1 磨輪規(guī)格表Tab.1 Wheel sizes

(2)進(jìn)給量

隨著工件主軸進(jìn)給量和砂輪進(jìn)給量的增大，加工效率會提高。但對于平凸非球面光學(xué)元件來說，越靠近工件邊緣越薄;隨著進(jìn)給量的增加，工件邊緣承受的壓力就會成倍增大，這樣會加劇銑磨過程中“崩邊”現(xiàn)象的產(chǎn)生。如圖4所示，由此可以看出隨著砂輪進(jìn)給量的增加，“崩邊”面積逐漸成上升的趨勢。

圖4 崩邊面積與進(jìn)給量的關(guān)系Fig.4 Relationship between feed rate and damage area

(3)工件軸的轉(zhuǎn)速

工件軸轉(zhuǎn)速越大，砂輪磨粒對工件表面面形精度越差;而工具軸則剛好相反，在一定范圍內(nèi)，隨著工具軸轉(zhuǎn)速的增加，工件表面的面形P-V值隨之降低，但是超過一定范圍后，面形變化就不再明顯了。試驗過程中，工件軸轉(zhuǎn)速分別選取20～50 rad/min，工具軸的轉(zhuǎn)速分別選取 5 000～8 000 rad/min，結(jié)果如圖5所示。

圖5 工件軸轉(zhuǎn)速與面形關(guān)系Fig.5 Relationship between workpiece axis rate and surface error

圖6 工具軸轉(zhuǎn)速與面形關(guān)系Fig.6 Relationship between tool axis rate and surface error

(4)研磨液的濃度

數(shù)控銑磨加工過程中，研磨液主要具有冷卻、潤滑、清洗的作用，在高壓高速的加工條件下，工件會產(chǎn)生大量的磨削熱量，其溫度的不斷升高會引起加工零件和工具的熱變形，為了延長磨具的使用壽命，必須選擇的研磨液來降低產(chǎn)生的熱量，同時需要潤滑磨具與工件的接觸表面，及時清除碎屑。研磨液濃度高會使磨粒增多，可以提高銑磨效率;但隨著研磨液濃度升高，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后，工件表面粗糙度反而會隨著研磨液濃度的增大而減小，使拋光效率降低。因此選擇適中的拋光液濃度，既能保證面形精度，又能保證表面粗糙度。

非球柱面鏡數(shù)控加工與普通非球面透鏡的數(shù)控加工不同，普通非球面透鏡以光軸旋轉(zhuǎn)對稱銑磨加工，而非球柱面鏡是以柱線對稱銑磨加工而成的，而非旋轉(zhuǎn)對稱。在加工非球柱面鏡過程中，銑磨砂輪的行走軌跡也是與加工普通非球面不同的。數(shù)控加工非球柱面鏡時工件軸是隨著非球柱面鏡面型沿Z軸方向做上下往復(fù)運動的。在經(jīng)過多次銑磨參數(shù)的調(diào)試后，最終確定的OptoTech ASM100CNC數(shù)控銑磨機(jī)的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)控銑磨工藝參數(shù)Tab.2 CNC milling process parameters

3.3 拋光模的設(shè)計和面型檢測

因非球柱面鏡具有特殊面型，在拋光模的設(shè)計上應(yīng)考慮面型的收斂情況，非球柱面鏡在銑磨后經(jīng)輪廓儀測量截面形檢測圖如圖7所示，而理想條件下的面型分析圖近似應(yīng)為“W”型，和圖7對比看出，中心和邊緣去除量小而中間區(qū)域應(yīng)去除量大。

圖7 拋光前非球柱面鏡截面型檢測圖Fig.7 Testing of aspheric cylindrical surface beforepolishing

在拋光模設(shè)計時，對應(yīng)理想“W”面型分析圖，用小刀在瀝青拋光膠上劃出菱形的溝槽，凸起的菱形中心對應(yīng)“W”圖中低點處，使得中間區(qū)域相較于中心和邊緣去除量大，使面形逐步收斂。很好的保證了面型的精度及表面光潔度。拋光模結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，黑色為用刀劃掉的部分。

圖8 拋光模結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural diagram of polishing disk

在拋光過程中對拋光時間和拋光盤凸起菱形大小對面型變化的影響進(jìn)行對比，如圖9所示，在相同時間內(nèi)使用1，2，3種拋光盤，非球面柱面鏡半徑和面型精度變化量如表3所示。

表3 不同拋光盤下半徑及面型精度變化量Tab.3 Diversification of surface error precision in different kinds of polishing disks

圖9 模擬拋光盤對比圖Fig.9 Contrasting diagram of polishing disks

經(jīng)過多次面形檢測及面形修正后，結(jié)合拋光時間，考慮面型精度與半徑變化的速度，及在修拋過程中根據(jù)面型收斂情況拋光盤可修改的空間，采用第二種瀝青拋光盤。

檢測時因不能利用干涉儀進(jìn)行檢測且相對復(fù)雜，實驗采用Taylor Hobson PGI-1240輪廓儀檢測面形，該輪廓儀是通過鉆石探針接觸工件表面，通過光柵傳感器檢測探針在X軸方向上的位移，完成對待測工件輪廓面型數(shù)據(jù)的采集，并通過計算機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得離散矢高值。檢測完成后，計算機(jī)會將采集到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到實際面型輪廓圖，再與理想輪廓面型比較，得出輪廓殘余誤差面型圖指導(dǎo)加工［13］。用輪廓儀可以測量非球柱面截面的曲率半徑及面形誤差。最終非球截面型檢測圖如圖10，球截面面型檢測圖如圖11所示。此時曲率半徑R為33.26 mm，面形誤差P-V值為0.848 7 μm。

圖10 非球截面分析圖Fig.10 Testing of aspheric cylindrical surface shape

圖11 球截面分析圖Fig.11 Testing of cylindrical surface shape

4 柱面鏡的研制及柱線調(diào)整

4.1 柱面鏡研磨與拋光

柱面鏡的研制采用古典工藝研磨制成，流程圖如圖12所示，最終經(jīng)輪廓儀檢測柱面截面形檢測圖如圖13，此時曲率半徑R為37.06 mm，面形誤差P-V值為0.089 9 μm。

圖12 柱面鏡加工過程及檢測方法流程圖Fig.12 Flow chart of processing and testing for cylindrical mirror

圖13 柱面截面面形檢測圖Fig.13 Testing of cylindrical surface shape

4.2 柱線的調(diào)整與檢測

在加工上下表面時，如何保證柱線相互垂直成為加工難點，若柱線不相互垂直，形成的光斑不為方光斑，發(fā)生偏移。在非球柱面鏡銑磨成型后，非球柱面鏡與玻璃粘條用松香蠟緊密粘合。而每一非球柱面鏡與其他非球柱面鏡之間也不留空隙。然后進(jìn)行第二面柱面鏡的研磨，如圖14所示，修正過程中，使用千分表測量4角的4個點，若等厚公差小于0.01 mm，證明柱面鏡柱線3垂直。把玻璃粘條與垂直的墻面貼合，非球柱面鏡的柱線2與墻面1垂直，柱面鏡柱線3也與墻面1垂直。故可說明非球柱面鏡的柱線2與柱面鏡的柱線3垂直。因為柱線2和柱線3位于零件中心，根據(jù)數(shù)據(jù)計算，得到柱線2與柱線3的垂直度小于0.005mm。

圖14 研磨成型柱線檢驗原理圖Fig.14 Schematic diagram of testing cylinder＇s generatrix in griding

在非球柱面鏡及柱面鏡拋光過程中，通過平面樣板來觀測柱線是否垂直。檢測原理圖如圖15所示，干涉條紋越直說明柱線越好［14］。

圖15 拋光成型柱線檢驗原理圖Fig.15 Schematic diagram of testing cylinder＇s generatrix in polishing

5 結(jié)論

本文采用古典與現(xiàn)代制造技術(shù)相結(jié)合的加工工藝研制的光束整形元件，光束通過該元件變?yōu)檎斩染鶆虻姆焦獍撸褂糜嬎銠C(jī)數(shù)控銑磨提高了面型精度，深入研究了銑磨參數(shù)，優(yōu)化加工工藝流程。設(shè)計的拋光模解決了非球柱面鏡面型難以控制的難題。使用輪廓儀進(jìn)行檢測提高了檢測的精度。實驗結(jié)果表明:非球柱面鏡的面型精度為0.848 7 μm，曲率半徑為33.26 mm。柱面鏡曲率半徑為37.06 mm基本滿足使用要求，對非球柱面鏡的批量生產(chǎn)和推廣有著重要意義。

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