光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法及系统，方法包括：获取不同加工参数组合的去除函数；提取去除效率；测量待加工表面的面形误差分布；根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵；根据该矩阵中元素与进给速度上限的大小关系确定是否减小额外去除层厚度或者选取去除效率更小的基准加工参数组合，然后根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值，对于进给速度分布矩阵中大于速度阈值的元素进行补偿替换，同时更新对应位置的加工参数组合；使用补偿后的进给速度分布矩阵和加工参数组合进行加工

【技术实现步骤摘要】
光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学元件加工领域，尤其涉及一种光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法及系统
。

技术介绍

[0002]随着光学元件制造能力的提升，基于瑞利判据，更大口径的光学元件拥有更强的分辨力，现在已广泛用于各类高分辨率观测系统中
。
例如侦察卫星光学系统主镜的口径已达
3m
量级，美国的詹姆斯韦伯空间望远镜
(JWST)
主镜口径为
6.5m
，欧空局将于
2030
年前建成的
E
‑
ELT
地基望远镜主镜口径为
39.8m
，等等，这对光学元件的加工效率提出了极高需求
。
在上世纪
80
年代制造哈勃空间望远镜主镜时，光学制造能力要求约为
1m2/
年，而到
E
‑
ELT
项目时，预期的加工效率超过
100m2/
年
。
这对光学元件加工效率提出了更高要求
。
[0003]现有的大口径光学加工方法主要为：铣磨开形
—
精密
/
超精密磨削
—
研磨抛亮
—
确定性修形
。
其中前三个工序将光学元件表面的面形误差收敛至亚微米，再由最后的高精度确定性修形完成由亚微米至最终精度的加工
。
控时磨削加工方法基于
CCOS
光学确定性加工方法，大幅提升了材料的去除效率，有效缩短了光学元件的加工周期
。CCOS
光学确定性加工方法基于
Preston
原理，使用单位时间内材料去除量恒定的去除函数，在误差高点驻留时间长，去除材料多；在误差低点驻留时间驻留时间短，去除材料少
。
工件表面的面形误差有高低起伏，有最高点
P(Peak)
和最低点
V(Valley)
，在误差最低点附近，待去除的材料量较少，在解算驻留时间时，得出的驻留时间往往非常短
。
尤其是在误差最低点，理论去除量为0，这会导致加工头在该位置的经过速度为无限大，这明显是无法实现的
。
即使加工头按照机床的最高速度经过误差最低点，仍会产生一定材料去除，因此在实际修形中，会在待修正的误差分布基础上再添加一层额外去除层，以补偿去除函数在误差最低点的额外去除量
。
额外去除层跟面形误差分布，去除函数的效率有关
。
当面形误差分布相同时，去除函数去除效率越高，对应的额外去除层就要更厚
。
[0004]现有的
CCOS
光学确定性加工方法，如磁流变
、
小磨头等方法，因去除函数效率较低，因此额外去除层的厚度较小
。
控时磨削方法的去除效率很高，可以达到磁流变方法的
10
～
50
倍，因此若想实现面形误差的高收敛比，就要求较大的额外去除层厚度，降低了加工效率
。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法及系统，基于最小额外去除层厚度的时变去除效率解算驻留时间，在误差低点能够以低去除效率的模式运行，减小额外去除层的厚度，进一步提升控时磨削加工效率
。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，包括以下步骤：
[0008]获取不同加工参数组合的去除函数；
[0009]提取去除函数的去除效率；
[0010]测量待加工表面的面形误差分布；
[0011]从不同加工参数组合中选取基准加工参数组合，根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵；
[0012]根据进给速度分布矩阵中元素与进给速度上限的大小关系确定是否减小额外去除层厚度或者选取去除效率更小的基准加工参数组合，然后根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值，对于进给速度分布矩阵中大于速度阈值的元素进行补偿替换，同时更新对应位置的加工参数组合；
[0013]使用补偿后的进给速度分布矩阵和每个位置的加工参数组合进行加工
。
[0014]进一步的，根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵时，包括：
[0015]在待加工表面添加额外去除层厚度，然后采用基准加工参数组合对应的去除函数
RF
s
，对待加工表面的面形误差分布通过驻留时间解算算法计算得到工件表面的驻留时间分布矩阵
T(x,y)
；
[0016]将面形离散间隔
Δ
d
除以驻留时间分布矩阵
T(x,y)
得到进给速度分布矩阵
FS(x,y)。
[0017]进一步的，根据进给速度分布矩阵中元素与进给速度上限的大小关系确定是否减小额外去除层厚度或者选取去除效率更小的基准加工参数组合时，包括：
[0018]若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素的元素值均小于进给速度上限
FS
max
，减小额外去除层厚度，然后执行根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵的步骤；
[0019]若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素值大于进给速度上限
FS
max
的元素比例大于比例阈值，执行从不同加工参数组合中选取基准加工参数组合的步骤，包括：按照去除效率从大到小的顺序选取新的基准加工参数组合，且新的基准加工参数组合的去除效率小于当前基准加工参数组合的去除效率；
[0020]若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素值大于进给速度上限
FS
max
的元素比例小于或等于比例阈值，执行根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值的步骤
。
[0021]进一步的，获取不同加工参数组合的去除函数之后还包括：提取去除函数的表面粗糙度；
[0022]按照去除效率从大到小的顺序选取新的基准加工参数组合时，包括：若存在两个以上去除效率相同的加工参数组合，按照表面粗糙度从小到大的顺序选取加工参数组合作为新的基准加工参数组合
。
[0023]进一步的，根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值时，包括：
[0024]将进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中所有元素的元素值取平均，得到平均进给速度
FS
a
；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，其特征在于，包括以下步骤：获取不同加工参数组合的去除函数；提取去除函数的去除效率；测量待加工表面的面形误差分布；从不同加工参数组合中选取基准加工参数组合，根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵；根据进给速度分布矩阵中元素与进给速度上限的大小关系确定是否减小额外去除层厚度或者选取去除效率更小的基准加工参数组合，然后根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值，对于进给速度分布矩阵中大于速度阈值的元素进行补偿替换，同时更新对应位置的加工参数组合；使用补偿后的进给速度分布矩阵和每个位置的加工参数组合进行加工
。2.
根据权利要求1所述的光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，其特征在于，根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵时，包括：在待加工表面添加额外去除层厚度，然后采用基准加工参数组合对应的去除函数
RF
s
，对待加工表面的面形误差分布通过驻留时间解算算法计算得到工件表面的驻留时间分布矩阵
T(x,y)
；将面形离散间隔
Δ
d
除以驻留时间分布矩阵
T(x,y)
得到进给速度分布矩阵
FS(x,y)。3.
根据权利要求1所述的光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，其特征在于，根据进给速度分布矩阵中元素与进给速度上限的大小关系确定是否减小额外去除层厚度或者选取去除效率更小的基准加工参数组合时，包括：若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素的元素值均小于进给速度上限
FS
max
，减小额外去除层厚度，然后执行根据基准加工参数组合的去除函数和添加额外去除层的待加工表面的面形误差分布计算进给速度分布矩阵的步骤；若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素值大于进给速度上限
FS
max
的元素比例大于比例阈值，执行从不同加工参数组合中选取基准加工参数组合的步骤，包括：按照去除效率从大到小的顺序选取新的基准加工参数组合，且新的基准加工参数组合的去除效率小于当前基准加工参数组合的去除效率；若进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中元素值大于进给速度上限
FS
max
的元素比例小于或等于比例阈值，执行根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值的步骤
。4.
根据权利要求3所述的光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，其特征在于，获取不同加工参数组合的去除函数之后还包括：提取去除函数的表面粗糙度；按照去除效率从大到小的顺序选取新的基准加工参数组合时，包括：若存在两个以上去除效率相同的加工参数组合，按照表面粗糙度从小到大的顺序选取加工参数组合
。5.
根据权利要求1所述的光学元件的时变去除函数控时磨削补偿加工方法，其特征在于，根据基准加工参数组合的平均合速度求解速度阈值时，包括：将进给速度分布矩阵
FS(x,y)
中所有元素的元素值取平均，得到平均进给速度
FS
a
；获取基准加工参数组合...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一帆，孙梓洲，胡皓，关朝亮，许汉威，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：