一种固定式磨头结构及其无边缘误差加工方法技术

本发明专利技术属于光学抛光领域，具体为一种固定式磨头结构及其无边缘误差加工方法。该磨头采取固定式磨头结合多层弹性垫实现工具可以完全伸出边缘的能力同时保证对复杂表面的贴合；工具采取仅自转方式、结合恒定压力进行定量修形。加工通过采集得到的去除函数结合Preston方程生成路径上各点的实际去除函数；然后基于实际去除函数求解驻留时间，最后生成控制程序对工件进行抛光。本发明专利技术中，固定式磨头能够伸出边缘解决方程超定问题，同时基于实际去除函数精确求解加工驻留时间，从而彻底解决小磨头边缘效应的顽疾，相比传统小磨头，该磨头制造成本及对机床控制精度要求无任何增加，这为全口径加工提供了一种更优的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种固定式磨头结构及其无边缘误差加工方法
本专利技术属于光学抛光领域，具体为一种固定式磨头结构及其无边缘误差加工工艺。
技术介绍
在光学加工领域中，由于对光学元件口径及利用率的要求越来越苛刻，边缘加工误差越来越成为限制元件性能的瓶颈。目前能控制边缘误差的加工方式仅有离子束、磁流变等高成本加工工具，对于目前应用最广泛的小磨头工具对边缘误差没有解决方法，小磨头工具衍生出的气囊工具通过Tool-lift方式可缓解边缘加工误差，但其对机床控制精度及工具尺寸精度要求很高且加工效果不足，限制了装备的进一步发展。因此专利技术一种低成本的、能控制边缘误差的新型加工工具极为重要，这将对无边缘光学加工提供更为经济的解决方案，对推动无边缘误差元件的大规模生产有着重要意义。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有边缘控制工艺中成本高、实现复杂、条件苛刻等缺陷，提出一种固定式磨头结构及无边缘误差加工方法，该磨头结构成本极低，在边缘有着稳定的去除特性，配合去除函数模型对去驻留时间进行补偿迭代求解，可基本实现无边缘加工，面形精度PV有能力收敛至0.1波长以下。该专利技术能实现无边缘加工的低成本、大批量制造，大大推动现有技术的进步。本专利技术技术解决方案如下：一种固定式磨头结构，其特点在于，磨头包括依次连接的金属磨头基底、橡胶定型层、发泡硅胶柔性层以及抛光垫层；所述金属磨头基底为一体式设计，所述橡胶定型层与发泡硅胶层粘接的表面曲率略小于待加工工件曲率半径最小值，所述发泡硅胶层的厚度大于5mm。利用上述固定式磨头结构的无边缘误差加工方法，其特点在于，该加工方法步骤如下：(1)面形误差检测：利用面形精密仪器对待加工工件进行面形误差检测，获得待加工工件的面形误差分布数据；(2)路径规划：将机床拟行进路径抽象为路径上等距有序分布的点集序列，获得点集序列中各点坐标位置，记为L(n)＝(xn,yn)；(3)采集去除函数：进行去除函数试验提取去除函数，磨头采用仅自转模式，获得实际去除函数记为R(x,y)，并基于Preston方程结合多项式拟合获得其中k·P(x,y)项，k为常数，P(x,y)为压强分布，公式如下：R(x,y)＝k·P(x,y)·V(x,y)其中令以二次函数拟合kP(x,y)项,方程为min||k·P(x,y)-ar2-br-c||2此时k·P(x,y)＝ar2+br+c(4)根据点集序列中各点坐标位置及待加工工件形状分别计算固定式磨头在该位置下与待加工工件的实际接触面积和接触区域；基于拟合k·P(x,y)函数，计算点集序列中各点处实际去除函数，公式如下：令若在(xn,yn)位置时，磨头与工件接触区域为Sn则求解方程此时(xn,yn)位置的实际去除函数定义为Rn＝(ar2+br+c+d)·V(x,y)(5)根据获得的各点去除函数数据库Rn，计算加工中各点磨头驻留时间T(n)；公式如下：其中其中z为去除量，η为收敛系数(6)根据驻留时间T(n)计算对应进给速率v(n)，公式如下：(7)根据加工进给速率分布v(n)，生成数控代码，从而控制机床对待加工元件进行超精密修形抛光。根据固定式磨头采集得到的去除函数生成实际去除函数，再形成加工所需驻留时间及进给速率，生成数控代码，控制机床进行超精密加工。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该固定式磨头在实际加工时能几乎完全伸出边缘，解决了边缘驻留时间求解方程中的超定问题；且仅边缘1～2mm处存在过量去除，而其余区域去除量十分稳定，使得边缘去除率得以精确控制，且对机床控制精度要求很低，适用于大部分小磨头机床的改造。这使得无边缘效应元件的低成本加工成为可能，这对未来光学加工领域的大批量低成本生产有着重要意义。附图说明图1为固定式磨头结构图，其中，a为正视图，b为a中A-A剖视图，c为俯视图，d为立体图。图2为实施例中实验工件的加工前初始加工面形测量结果，其中a为面形结果俯视2d图，b为面形结果透视3d图图3为使用本专利技术提出方法迭代加工五次后得到的面形收敛结果其中a为面形结果俯视2d图，b为面形结果透视3d图。图4为工件加工后的干涉仪条纹图。图5为实施例中用于传统工艺加工中工件的加工前初始加工面形测量结果其中a为面形结果俯视2d图，b为面形结果透视3d图。图6为使用传统磨头及加工方法加工得到的面形收敛结果其中a为面形结果俯视2d图，b为面形结果透视3d图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本专利技术，不应以此限制本专利技术的保护范围。请参阅图1，图1为固定式磨头结构图，如图所示，本专利技术提供的固定式磨头由依次连接的金属磨头基底2、橡胶定型层3、发泡硅胶柔性层4以及抛光垫层5组成；所述金属磨头基底为具有固定螺孔1的一体式结构，加工时，通过紧固螺丝经固定于小磨头机床自转轴上；橡胶定型层3作为第一层粘接在金属磨头基底2处，并通过切削、打磨等手段改变其一侧表面曲率使其略小于待加工工件曲率半径最小值；发泡硅胶层4紧接着粘贴于橡胶定型层3上，发泡硅胶层4厚度需大于5mm，发泡硅胶层4表面会复刻橡胶定型层形貌并更加光滑；最后将抛光层5垫粘贴于发泡硅胶层4上，加工时将该固定式磨头安装于机床自转轴上进行超精密抛光加工。实施例：本实施例的固定式磨头直径为30mm，加工采用仅自转运动方式，自转速度150rpm，路径为步距1mm螺旋线；待加工工件为直径100mm熔石英平面元件。通过下述方法对工件进行抛光：(1)面形误差检测：利用激光干涉仪对工件进行面形误差检测，获得工件的面形误差分布数据，结果如图2所示；(2)路径规划：采用螺旋线路径，1mm步距，沿路径每隔1mm处坐标取点作为路径采样点坐标位置。(3)进行去除函数试验提取去除函数，获得去除函数记为R(x,y),再基于Preston方程结合多项式拟合获得其中k·P(x,y)项，拟合结果为：a＝-9.67e-06；b＝1.21e-04；c＝2.80e-04。并基于以上结果计算得到各路径采样点处实际去除函数。(4)基于各点去除函数数据库和迭代方程，获得加工中各路径点工具驻留时间T(n)并计算得到对应加工进给速率。(5)根据加工进给速率分布v(n)，生成数控代码控制机床对待加工元件进行超精密修形抛光。(6)加工后若不满足需求则回到步骤1继续进行第二次迭代加工。从加工结果来看，面形误差去掉边缘1.5mm余量后，从初始的0.468λ收敛至0.096λ，达到了一个十分高的加工精度，结果如图3所示，且初始面形呈凹面状体现出该工件边缘误差有着更大的收敛难度，该加工结果可以与磁流变工具的加工精度相提并论。从图4条纹结果上看整个表面的条纹呈直条纹状，基本不存在边缘弯曲的情况。若采取传统加工磨头及工艺方式进行加工，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定式磨头结构，其特征在于，磨头包括依次连接的金属磨头基底、橡胶定型层、发泡硅胶柔性层以及抛光垫层；所述金属磨头基底为一体式设计，所述橡胶定型层与发泡硅胶层粘接的表面曲率略小于待加工工件曲率半径最小值，所述发泡硅胶层的厚度大于5mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种固定式磨头结构，其特征在于，磨头包括依次连接的金属磨头基底、橡胶定型层、发泡硅胶柔性层以及抛光垫层；所述金属磨头基底为一体式设计，所述橡胶定型层与发泡硅胶层粘接的表面曲率略小于待加工工件曲率半径最小值，所述发泡硅胶层的厚度大于5mm。


2.利用权利要求1所述的固定式磨头结构的无边缘误差加工方法，其特征在于，该加工方法步骤如下：
(1)面形误差检测：利用面形精密仪器对待加工工件进行面形误差检测，获得待加工工件的面形误差分布数据；
(2)路径规划：将机床拟行进路径抽象为路径上等距有序分布的点集序列，获得点集序列中各点坐标位置，记为L(n)＝(xn,yn)；
(3)采集去除函数：进行去除函数试验提取去除函数，磨头采用仅自转模式，获得实际去除函数记为R(x,y)，并基于Preston方程结合多项式拟合获得其中k·P(x,y)项，k为常数，P(x,y)为压强分布，ω为工具旋转角速度，以二次多项式为例，公式如下：
R(x,y)＝k·P(x,y)·V(x,y)

其中
令以二次函数拟合kP(x,y)项,方程为
min||k·P(x,y)-ar2-br-c...

【专利技术属性】
技术研发人员：万嵩林，魏朝阳，邵建达，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31