Способ формообразования оптических поверхностей

 

О П И С А Н И Е (11)87853О

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09.02.79 (21) 2722115/25-08 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.11.81. Бюллетень № 41 (45) Дата опубликования описания 07.11.81 (51) М. Кл.

В 24 В 37/00

Государственный комитет

СССР вв делам изобретений и открытий (53) УДК 621.923.04 (088.8) А. М. Прохоров, E В. Трушин, Э. А. Витриченко и ОлА..-Евсеев

Институт космических исследований АН СССР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ

Изобретение относится к технологии производства оптических деталей, а именно к управляемому формообразованию оптических поверхностей произвольной формы.

Известен способ формообразования оптических поверхностей произвольной формы, в соответствии с которым неподвижную обрабатываемую поверхность условно разделяют на ряд элементарных площадок, которые обрабатывают малым инструмен- 1о том, причем ему сообщается такая траектория движения по поверхности изделия, которая обеспечивает съем заданного количества материала (например стекла) на каждой из элементарных площадок (1). 15

Недостатками упомянутого способа являются низкая производительность технологического процесса на этапах получения асферических поверхностей с большим уклонением от ближайшей сферы, а также 20 устранение зональных уклонений на предварительно асферизованных изделиях.

Известен также способ обработки оптических деталей, при котором производят 25 разделение поверхности на ряд элементарных площадок с последующим осуществлением управляемого съема материала на них с помощью малого инструмента по заданной программе (2). 30

Недостатком этого способа является низкая производительность процесса.

Целью изобретения является повышение производительности технологического процесса на основе комплексного решения задачи управления формообразованием высокоточных оптических поверхностей произвольной формы.

Эта цель достигается, во-первых, благодаря распределению работы по формообразованию оптических поверхностей между двумя различными технологическими процессами: процесс с радиальным управлением съема материала и процесс с локальным управлением, во-вторых, благодаря применению геометрического дискретного метода контроля формы обрабатываемых изделий в двух модификациях: радиальной и полноразмерной, в-третьих, осуществлению взаимосвязи между параметрами управления упомянутых технологических установок, технологическими константами и данными контроля формы обрабатываемых поверхностей с помощью формализованного математического аппарата (алгоритмов).

На фиг. 1 изображена общая блок-схема; на фиг, 2 — схема радиального геометрического дискретного метода контроля (РГДМ); на фиг. 3 — типичный вид снимка

878530 после экспозиции; на фиг. 4 — принцип работы технологической установки с радиальным управлением (ТУРУ); на фиг. 5— принцип работы технологической установки с локальным управлением (ТУЛУ) .

Общая блок-схема, поясняющая данный способ, показана на фиг. 1, где начало 1 доводочного процесса, блок 2 контроля оптической поверхности методом РГДМ, проверка 3 условия: необходимо ли переходить на окончательную доводку, расчет4 режима для обработки ТУРУ, реализация 5

ТУРУ. Если в блоке 3 содержится рекомендация на окончательную доводку, то за этим блоком выполняется блок 6 — контроль формы поверхности методом ПГДМ, проверка 7 условия на окончание работы, расчет 8 технологического режима для

ТУЛУ, реализация 9 режима ТУЛУ, окончание 10 обработки оптической поверхности.

Одной из основных составных частей способа является расчет технологического режима (блоки 4 и 8 на фиг. 1). Пусть форма оптической поверхности уклоняется от требуемой по закону H=H(n), где H— нормальное уклонение, а — обобщенная координата на оптической поверхности.

Тогда технологический режим вычисляется как: Р(а) =ХО(а). Здесь P(a) — режим управляющих воздействий, например переменных усилий прижима инструмента к детали. Х вЂ” оператор, учитывающий технологические особенности оптического станка и материалов: детали, инструмента и абразива.

Блок контроля оптической поверхности

РГДМ представляет собой источник 11 света, помещенный в центре кривизны контролируемого изделия 12, перед которой установлена диафрагма 13.

Пучки света, пройдя через отверстия диафрагмы, отразившись от поверхности изделия, вновь проходят отверстия диафрагмы и собираются в центре кривизны, вблизи от источника 11, на некотором расстоянии от центра кривизны помещают светоприемное устройство 14 (например кассету с фотопластиной). На пластине остаются изображения следов пучков света, прошедших диафрагму. На фиг. Зпредставлен типичный вид снимка после экспозиции. Здесь изображены следы пучков света 15 от основных отверстий диафрагмы и след пучка 16 от отверстия, характеризующего ориентацию диафрагмы в контрольной схеме, Далее при помощи координатно-измерительного устройства определяют координаты Х, У центров пучков. Закон расположения отверстий на реальной диафрагме и их координаты известны заранее.

Обозначим их как Х» и У». Реально измеренные координаты обозначим как Х и

У. Тогда их разности уХ=Х вЂ” Х» и чУ=

=У вЂ” У» будут характеризовать оптиче5

25 зо

4 скую аберрацию для каждого пучка отдельно. Величины уХ и уУ используются для дальнейшего анализа, в результате которого определяют значения нормальных уклонений в местах проекции отверстий диафрагмы на контролируемое изделие.

Процесс измерения и обработки снимка производят автоматически при помощи сканирующего устройства, связанного с электронно вычислительной машиной. Благодаря дискретности РГДМ число одновременно анализируемых точек не более 10 .

Время обработки одного снимка не более

5 мин. Среднеквадратичная погрешность определения нормальных уклонений порядка 0,01 мкм.

Далее, на основании значений нормальных уклонений выполняют расчет технологического режима для технологической установки с радиальным управлением (ТУРУ) . При расчете режима учитывают технологические параметры ТУРУ и некоторые технологические константы. Более подробно алгоритм расчета изложен ниже.

Принцип работы ТУРУ представлен на фиг. 4. Обрабатываемое изделие 12 закрепляют на вращающейся планшайбе 17, малый инструмент 18 перемещается вдоль радиуса изделия 12 с переменной скоростью, что обеспечивает величину съема материала, независимую от расстояния, между осью вращения изделия и осью вращения инструмента. Кроме того, усилие прижима инструмента 18 к обрабатываемой поверхности изменяют при помощи силового устройства 19 по программе, которую задают на основании расчета технологического режима. Для определения относительных положений изделия и инструмента, а также величины рабочего усилия в процессе работы ТУРУ имеется система. датчиков обратной связи по положению 20, 21 и по усилию 22. Датчик 21 измеряет позиционный угол вращающегося изделия, благодаря чему на установке ТУРУ реализуют режим локального формообразования, например устранение астигматизма у обрабатываемого изделия.

Управление ТУРУ производят при помощи программного управляющего устройства 23.

Установка производит управляемый съем материала (например стекла) на ряде последовательно расположенных кольцевых зон по всей поверхности изделия. Например, для плавленного кварца съем составляет около 0,1 мкм(ч.

Обработку изделий на ТУРУ производят последовательно, чередуя контроль поверхности РГДМ, расчет режима обработки и осуществление режима на ТУРУ. Последовательные сеансы обработки продолжают до тех пор, пока качество обрабатываемой поверхности не будет соответствовать определенному математическому критерию, на878530

5 пример, А(Зо. где А — максимальная амплитуда нормального профиля усредненного по нескольким радиусам, cr — средняя среднеквадратичная ошибка. Это условие позволяет оценить, превосходят ли зональные ошибки по амплитуде локальные. В случае его выполнения считают, что возможности

ТУРУ исчерпаны и переходят к локальной обработке (ретуши) поверхности на технологической установке с локальным управлением (ТУЛУ).

Изделие, радиальная обработка которого завершена, помещают в схему контроля полноразмерным геометрическим дискретным методом (ПГДМ). Принцип работы схемы ПГДМ аналогичен представленному на фиг. 2. Отличие состоит в применении диафрагмы с более часто расположенными отверстиями, например в узлах сетки.

Полученный снимок измеряют и обвабятывают по принципам, аналогичным РГДМ.

Отличие состоит в том, что одновременно обрабатывается массив данных около 10 отсчетов, это позволяет получить карту оптической поверхности, характеризующую уклонение формы обрабатываемой поверхности от расчетной в ряде точек по всей поверхности в микронах, По данным карты, технологическим параметрам установки и технологическим константам, о которых будет сообщено ниже, выполняют расчет режима локальной обработки на ТУЛУ.

Принцип работы ТУЛУ представлен на фиг. 5. Обрабатываемое изделие 12 закрепляется на неподвижной планшайбе 17, малый инструмент 18 имеет вращение вокруг вертикальной оси и может перемещаться по поверхности изделия в системе прямоугольных координат. Эффект локального управления съемом материала достигают за счет программного изменения траектории движения инструмента и скорости его вращения при помощи устройства 4, обеспечивающего запоминание и отработку упр авляющих воздействий.

Поясним процесс вычисления технологического режима на поимере расчета режима лля обработки ТУРУ. Пусть методом

РГДМ получен нормальный про@иль вдоль радиуса оптической поверхности в виде

H=H(p), где р — радиус. Выберем в качестве упоавляющего воздействия переменное усилие прижима инструмента к детали.

Хаоактепизчем настройку оптического станка функцией р(р) — функция станка, описывающий нормированный съем материала при единичном усилии за единицу времени. Технологическую константу, входящую в формулу Престона, обозначим чеоез К.

Тогда режим усилий ппижима инструмента к детали в п остейп е c vvae можно вычислять как Р(р) =Н(р)((КТф(р), где Т— общая продолжительность технологического сеанса.

25 зо

6

При вычислении режима локальной ретуши используются сведения о форме всей оптической поверхности. Нормальные уклонения, полученные методом ПГДМ, имеют вид H=H(p, q), где р и q — полярные координаты на оптической поверхности. Оператор Х в простейшем случае имеет вид

Р(р, р) =Н(р, р)((КТч (р). Функция станка для вращающейся детали остается осесимметричной. Если же кинематическая схема оптического станка такова, что коэффициент покрытия и скоростной коэффициент одинаковы для любой точки оптической поверхности, то в этом частном случае ф= 1.

В самом общем же случае ф=ф (p, р).

Важно отметить, что предлагаемый способ является универсальным во многих отношениях. его можно применить для любой конструкции оптического станка, для любой формы оптической поверхности (в том числе и для поверхностей, не имеющих симметрии), для любых материалов, для любого этапа обработки оптической поверхности: шлифовки или полировки.

Способ позволяет увеличить производительность технологического процесса формообразования несферических оптических поверхностей произвольной формы не менее, чем в 10 раз, при этом ожидаемый экономический эффект, например при изготовлении асферических линз диаметром около 500 мм, составляет около 300 тыс. руб. в год на одну технологическую систему.

Формула изобретения

Способ формообразования оптических поверхностей, при котором производят разделение поверхности на ряд элементарных площадок с последующим осуществлением управляемого объема материала на них с помощью малого инструмента по заданной программе, отл ич а ющий ся тем, что, с целью увеличения производительности технологического процесса, обработку производят в две стадии: на одной производят распределение работы по объему материала на ряде кольцевых зон по всей поверхности, величину усилия прижима инструмента определяют в процессе обработки по значениям нормальных уклонений к коэффициентам съема материала, при контроле формы поверхности радиусным вариантом геометрического метода контроля, на второй стадии производят устранение локальной структуры на поверхности изделия изменением усилия прижима инструмента на соответствующих участках обрабатываемого изделия, траекторию движения инструмента определяют в процессе обработки по значениям нормальных уклонений и коэффициентов объема материала при контроле поверхности полноразмерным вариантом геометрического метода контроля.

878530

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 3587192, кл. 51 †5, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 564026/25-08, кл. В 24 В 37/00, 1978..