光学零件的超精密加工技术.pdf

1、光 学 零 件 的 超 精 密 加 工 技 术 3Ultra Precision Machining Technology for Optical Components北 京 邮 电 大 学 自 动 化 学 院 杨 福 兴摘 要 叙 述 了 激 光 核 聚 变 、 大 型 非 球 面 和 共 形光 学 零 件 的 超 精 密 加 工 技 术 ;将 超 精 密 切 削 、 磨 削 、 计算 机 数 控 抛 光 和 连 续 抛 光 技 术 结 合 起 来 ,成 功 地 应 用于 激 光 核 聚 变 光 学 零 件 的 超 精 密 、 批 量 制 造 ;分 析 了 研制 大 型 非 球 面 光 学

2、零 件 超 精 密 加 工 装 置 应 该 解 决 的 关键 问 题 ,并 提 出 了 解 决 方 法 。关 键 词 : 光 学 零 件 非 球 面 共 形 光 学 超 精 密加 工 ABSTRACT The ultra precision machiningtechnology for optical components in laser nuclear fu2sion , large aspherical optics and conformal optics is de2scribed. The technology which combines with the ultrapreci

3、sion cutting , grinding , CNC polishing and continu2ous polishing is successfully used in ultra precision ,batch fabrication of the optical components of the lasernuclear fusion. The key problems in developing the ultraprecision machining device for large aspherical opticalcomponents are analyzed an

4、d the solutions are proposed.Keywords : Optical component Aspherical Con2formal optics Ultra precision machining超 精 密 加 工 技 术 广 泛 应 用 于 国 家 重 大 型 号 工 程 ,例 如 激 光 核 聚 变 磷 酸 二 氢 钾 ( Potassium DihydrogenPhosphate , KDP)晶 体 及 聚 焦 透 镜 ,航 天 某 型 号 大 型 平面 反 射 镜 ,国 家 重 点 型 号 大 型 抛 物 面 镜 以 及 大 天 区 面积 多 目 标 光 纤

5、 光 谱 天 文 望 远 镜 ( The Large Sky AreaMulti2Object Fiber Spectroscopic Telescope , LAM2OST) ,国 家 重 大 科 学 工 程 中 的 反 射 镜 等 。 为 获 得 高 质量 影 像 ,缩 小 体 积 ,减 轻 重 量 ,很 多 武 器 装 备 都 采 用 非球 面 光 学 零 件 ;为 进 一 步 提 高 视 场 与 分 辨 率 的 发 展 需要 ,光 学 零 件 的 尺 寸 也 愈 来 愈 大 ;为 减 小 武 器 的 运 动 阻力 及 提 高 武 器 的 隐 身 性 能 ,现 有 的 发 展 趋 势 是

6、 使 用 共形 光 学 (Conformal Optics)零 件 代 替 球 面 光 学 零 件 。 本课 题 的 研 究 内 容 是 激 光 核 聚 变 光 学 零 件 、 大 型 非 球 面 、共 形 光 学 零 件 的 超 精 密 加 工 技 术 ,研 究 工 作 的 目 的 是消 除 我 国 国 防 科 技 发 展 中 的 瓶 颈 制 约 。3 国 家 863 计 划 资 助 项 目 (416 - 2 - 4111 和 416 - 2 - 4116) 。1 激 光 核 聚 变 光 学 零 件 超 精 密 加 工 技术我 国 正 在 研 制 的 激 光 核 聚 变 装 置 需 要 大

7、量 的 高 精度 、 大 口 径 光 学 元 件 ,要 按 期 、 保 质 、 保 量 地 制 造 这 些 光学 元 件 ,必 须 突 破 现 有 的 工 艺 水 平 ,采 用 高 效 的 先 进 光学 制 造 技 术 。 借 鉴 美 国 国 家 点 火 装 置 (National Igni2tion Facility ,N IF)的 经 验 ,结 合 我 国 的 实 际 情 况 ,将 超精 密 加 工 技 术 应 用 到 激 光 核 聚 变 光 学 元 件 的 精 密 制 造中 1 。111 大 口 径 平 面 光 学 元 件 超 精 密 加 工激 光 核 聚 变 装 置 中 的 光 学 元

8、 件 大 多 数 是 矩 形 、 方形 或 多 边 形 的 ,同 圆 形 元 件 相 比 ,这 些 元 件 的 加 工 具 有明 显 的 边 缘 效 应 (特 别 是 角 上 ) 。 就 目 前 的 技 术 水 平 而言 ,要 达 到 工 程 所 要 求 的 透 射 波 前 ( P - V 值 ( Peak toValley ,即 峰 - 谷 值 ) , / 6 ) 和 反 射 波 前 ( P - V 值 , / 4) 是 比 较 困 难 的 ,必 须 采 用 先 进 制 造 技 术 。大 量 试 验 证 明 ,电 解 在 线 修 整 磨 削 法 ( ElectrolyticIn2Proces

9、s Dressing ,EL ID) 的 生 产 效 率 明 显 高 于 传 统研 磨 工 艺 ,该 工 序 有 望 取 代 传 统 抛 光 前 的 粗 加 工 铣 磨 和 粗 抛 ,唯 一 的 缺 点 是 精 度 略 低 (相 对 于 精 密 抛光 ) 。使 用 小 工 具 数 控 抛 光 加 工 340 mm 340 mm 60 mm的 平 面 反 射 镜 ,初 始 反 射 波 前 误 差 为 3. 5 ( P -V 值 , = 0. 632 8 m) ,经 过 仅 30 h 的 抛 光 ,反 射 波 前误 差 P - V 值 收 敛 至 0. 26 ,均 方 根 值 为 0. 035 2

10、 ,如 图 1 所 示 (图 中 标 尺 列 出 的 “ + 、 - ” 值 应 当 用 不 同 的色 彩 表 示 ,黑 白 照 无 法 区 分 ,只 是 一 个 示 意 图 ) 。 从 图中 明 显 地 看 到 通 常 所 说 的 “ 碎 带 ” 误 差 ,在 强 激 光 系 统中 ,这 种 高 频 误 差 必 须 严 格 控 制 。 因 此 这 种 工 艺 方 法不 能 作 为 强 激 光 系 统 光 学 元 件 的 最 终 加 工 。在 试 验 过 程 中 发 现 ,利 用 连 续 抛 光 技 术 加 工 的 大口 径 光 学 元 件 的 精 度 能 够 满 足 工 程 要 求 ,但 存

11、 在 的 问题 是 加 工 周 期 长 ,对 人 的 依 赖 性 太 强 。上 述 3 种 技 术 各 有 优 缺 点 ,都 不 能 单 独 满 足 工 程的 需 要 。 将 这 3 种 技 术 合 理 地 结 合 起 来 ,发 挥 各 自 的优 势 ,就 能 够 满 足 工 程 的 需 要 。 具 体 思 路 是 首 先 采 用EL ID 磨 削 技 术 ,将 光 学 元 件 毛 坯 精 密 磨 削 到 1 以内 ;然 后 用 数 控 加 工 机 床 修 正 局 部 误 差 ,将 光 学 元 件 加18新 工 艺 新 技 术 新 设 备2004 年 第 5 期 航 空 制 造 技 术图 1

12、计 算 机 数 控 加 工 零 件 的 反 射 波 前Fig. 1 Reflection wave front of CNC machining part工 到 工 程 所 要 求 的 面 形 精 度 ;最 后 使 用 大 型 环 抛 机 ,将光 学 元 件 精 密 抛 光 至 工 程 要 求 ,这 一 工 序 主 要 解 决 表面 粗 糙 度 和 波 纹 度 的 问 题 。112 KDP 晶 体 超 精 密 加 工激 光 核 聚 变 KDP 晶 体 加 工 通 常 采 用 超 精 密 切 削的 方 法 ,N IF 装 置 中 KDP 晶 体 尺 寸 是 450 mm 450mm ,透 射 波

13、 前 是 / 4。 我 国 现 在 还 没 有 能 加 工 出 这个 精 度 的 机 床 ,而 且 KDP 晶 体 不 能 像 其 他 光 学 元 件 那样 采 用 手 工 修 研 的 办 法 来 加 工 ,所 以 必 须 研 制 自 己 的KDP 晶 体 超 精 密 加 工 机 床 。 图 2 是 240 mm 240 mmKDP 晶 体 的 加 工 样 品 ,从 图 中 可 以 看 出 明 显 的 加 工 痕迹 ,这 种 刀 痕 给 晶 体 的 透 射 波 前 添 加 了 小 尺 寸 的 周 期性 扰 动 ,是 必 须 抑 制 的 制 造 误 差 。 笔 者 经 过 研 究 认 为主 要

14、是 由 工 作 台 和 进 给 丝 杆 之 间 的 传 递 误 差 引 起 的 。研 制 新 机 床 时 ,一 定 要 研 制 新 的 进 给 驱 动 系 统 ,以 减 少KDP 晶 体 的 波 纹 度 。图 2 KDP 晶 体 加 工 样 品Fig. 2 KDP crystal sample machined113 方 形 非 球 面 透 镜 超 精 密 加 工大 口 径 方 形 非 球 面 透 镜 的 高 精 度 加 工 一 直 是 光 学加 工 领 域 的 重 大 难 题 ,国 内 仅 有 少 数 单 位 从 事 这 方 面的 研 究 ,积 累 的 经 验 及 技 术 较 少 ,仅 能

15、满 足 单 件 生 产 的需 要 。 为 了 解 决 方 形 非 球 面 透 镜 的 加 工 问 题 ,我 们 从以 下 3 方 面 进 行 研 究 :(1)按 传 统 方 法 加 工 以 方 形 透 镜 对 角 线 为 直 径 大小 的 圆 形 透 镜 ,透 镜 满 足 工 程 技 术 要 求 后 ,再 切 割 成 所需 尺 寸 的 方 形 透 镜 (即 先 加 工 后 切 割 ) 。(2)将 满 足 尺 寸 要 求 的 方 形 材 料 拼 合 粘 接 成 圆 形工 件 后 ,按 圆 形 非 球 面 透 镜 加 工 方 法 加 工 到 满 足 工 程指 标 要 求 后 脱 胶 ,得 到 要

16、求 的 方 形 透 镜 (即 先 切 割 后 加工 ) 。(3)因 为 方 形 非 球 面 透 镜 不 能 用 手 工 方 法 修 磨 ,所以 必 须 采 用 先 进 的 制 造 技 术 计 算 机 控 制 光 学 表 面成 形 技 术 ,根 据 定 量 测 量 的 面 形 数 据 ,建 立 加 工 过 程 的控 制 模 型 ,并 在 工 件 表 面 精 确 定 位 后 ,通 过 控 制 材 料 的去 除 量 实 现 光 学 元 件 表 面 的 精 密 加 工 。2 大 型 光 学 零 件 超 精 密 加 工 技 术211 研 究 工 作 现 状超 精 密 加 工 分 两 大 类 :一 类 采

17、 用 运 动 复 印 原 理 ,另一 类 采 用 压 力 复 印 原 理 。 基 于 运 动 复 印 原 理 的 超 精 密机 床 有 美 国 的 大 型 光 学 零 件 金 刚 石 立 式 车 床(LOD TM) 和 英 国 的 超 精 密 大 型 CNC 光 学 零 件 磨 床(OA GM2500) ;基 于 压 力 复 印 原 理 的 技 术 有 计 算 机 控制 光 学 表 面 (CCOS)成 形 技 术 ,1994 年 Tinsley 公 司 与Itek、 Eastern - Kodak 等 公 司 合 作 ,利 用 CCOS 技 术 完成 了 对 哈 勃 望 远 镜 主 镜 的 修

18、 复 工 作 ,加 工 出 的 非 球 面校 正 镜 修 正 了 主 镜 制 造 过 程 中 的 误 差 ,提 高 了 成 像 质量 。 我 国 大 型 非 球 面 的 加 工 能 力 与 发 达 国 家 相 比 有 较大 差 距 ,目 前 ,大 多 数 大 型 非 球 面 光 学 元 件 用 经 典 研 磨抛 光 的 方 法 制 造 。 长 春 光 机 所 研 制 了 FSGJ - 1 型 数控 非 球 面 光 学 加 工 中 心 ,它 集 铣 磨 成 形 、 磨 边 、 精 磨 抛光 和 检 测 于 一 体 ,最 大 加 工 直 径 为 800 mm ,面 形 误 差小 于 30 nm (

19、均 方 根 值 ) , 表 面 粗 糙 度 值 小 于 Ra 2nm3 。212 超 精 密 切 削 和 磨 削根 据 国 家 武 器 、 背 景 项 目 及 将 来 型 号 发 展 的 需 求 ,我 国 正 集 中 全 国 有 优 势 的 单 位 联 合 攻 关 ,研 制 大 型 非球 曲 面 超 精 密 加 工 装 置 ,装 置 具 有 金 刚 石 车 削 、 铣 削 、磨 削 和 检 测 功 能 。 金 刚 石 车 削 装 置 用 于 加 工 各 种 金 属反 射 镜 ;超 精 密 铣 削 装 置 主 要 用 于 核 聚 变 KDP 晶 体 和铍 镜 等 平 面 类 零 件 的 加 工

20、;超 精 密 磨 削 装 置 用 于 强 激光 装 置 中 大 型 非 球 面 的 加 工 。在 设 计 机 床 时 ,需 要 根 据 机 床 最 终 加 工 工 件 的 精度 要 求 ,合 理 分 配 各 部 件 的 精 度 。 因 为 工 件 尺 寸 大 ,热量 引 起 的 变 形 将 严 重 影 响 装 置 的 总 体 精 度 ,所 以 一 方面 要 在 装 置 的 关 键 部 件 ,特 别 是 发 热 源 处 ,加 恒 温 水28新 工 艺 新 技 术 新 设 备航 空 制 造 技 术 2004 年 第 5 期(或 油 )冷 却 并 进 行 温 度 控 制 ,以 减 少 热 变 形 的

21、 影 响 ;另一 方 面 可 采 用 误 差 补 偿 技 术 ,以 提 高 机 床 精 度 ,这 样 便能 适 当 降 低 机 床 零 部 件 的 设 计 精 度 。对 于 大 口 径 光 学 元 件 ,必 须 考 虑 支 撑 方 式 和 重 力变 形 引 起 的 误 差 ,利 用 有 限 元 分 析 技 术 研 究 支 撑 方 式及 重 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响 。在 设 计 超 精 密 铣 削 时 ,必 须 考 虑 以 下 几 个 问 题 :(1) KDP 晶 体 的 特 殊 加 工 要 求 ,根 据 晶 体 的 各 向 异 性特 点 ,确 定 正 确 的 加 工 方 式

22、 ; (2) 正 确 理 解 透 射 波 前 的概 念 ,根 据 工 件 的 透 射 波 前 ,确 定 合 适 的 机 床 零 部 件 精度 ; (3)为 解 决 KDP 晶 体 加 工 过 程 中 出 现 的 扰 动 (见 图2) ,在 设 计 机 床 时 要 合 理 设 计 机 床 的 驱 动 机 构 。213 超 精 密 计 算 机 控 制 抛 光超 精 密 EL ID 磨 削 技 术 和 计 算 机 控 制 抛 光 技 术 相结 合 ,可 以 解 决 大 型 玻 璃 非 球 面 零 件 的 超 精 密 加 工 问题 。 为 了 同 上 述 大 型 非 球 曲 面 超 精 密 加 工 装

23、 置 相 配套 ,我 国 正 在 研 制 五 轴 联 动 的 计 算 机 控 制 抛 光 装 置 ,装置 的 最 大 加 工 直 径 为 1 300 mm ,主 要 用 于 解 决 大 型 光学 零 件 的 最 终 抛 光 问 题 ,面 形 精 度 为 / 20 (均 方 根值 ) ,表 面 粗 糙 度 值 为 Ra 1 nm。在 超 精 密 加 工 领 域 ,可 以 说 如 果 没 有 先 进 的 检 测技 术 就 没 有 超 精 密 加 工 技 术 。 我 国 以 前 从 国 外 引 进 的设 备 就 是 由 于 检 测 装 置 的 不 配 套 ,没 有 发 挥 原 引 进 设备 的 优

24、越 性 。 CCOS 技 术 优 越 于 传 统 手 工 加 工 的 重 要标 志 就 是 它 有 定 量 的 检 测 结 果 作 为 指 导 ,所 以 必 须 研究 超 精 密 抛 光 用 在 线 定 量 检 测 技 术 ,检 测 系 统 的 精 度为 / 40。数 控 抛 光 由 于 使 用 了 比 被 加 工 元 件 外 形 尺 寸 小 得多 的 抛 光 磨 头 ,被 加 工 表 面 呈 现 出 不 同 于 传 统 方 法 加工 表 面 的 特 征 ,表 面 面 形 中 包 含 了 较 多 的 中 高 频 成 分(从 图 1 中 可 以 明 显 地 看 出 ) ,所 以 应 该 重 点

25、研 究 抛 光磨 头 的 轨 迹 规 划 和 加 工 工 艺 的 优 化 ,以 降 低 被 加 工 表面 中 的 中 高 频 误 差 。 由 于 被 加 工 工 件 的 尺 寸 太 大 ,需要 研 究 被 加 工 零 件 本 身 重 量 对 工 件 精 度 的 影 响 。3 共 形 光 学 元 件 超 精 密 加 工 技 术最 近 美 国 发 现 一 种 高 性 能 任 意 形 状 的 光 学 零 件 ,比 球 面 、 平 面 、 轻 度 非 球 面 具 有 更 好 的 空 气 动 力 性 能 ,它 就 是 共 形 光 学 零 件 。 共 形 光 学 指 的 是 设 计 、 制 造 和使 用

26、既 不 是 平 面 也 不 是 球 面 的 光 学 窗 口 和 整 流 罩 ,包括 轴 对 称 和 非 轴 对 称 零 件 ,以 及 与 非 球 面 、 球 面 、 圆 柱面 、 圆 锥 面 、 平 面 和 尖 顶 形 状 组 合 的 零 件 。飞 机 的 光 学 窗 口 和 导 弹 上 的 整 流 罩 安 装 有 光 学 系统 ,用 于 导 航 、 跟 踪 和 侦 察 ,其 形 状 一 般 为 球 面 和 平 面 ,这 有 一 定 的 阻 力 。 以 前 ,设 计 师 对 此 没 有 别 的 选 择 ,但现 在 可 以 采 用 共 形 光 学 零 件 ,它 能 够 优 化 飞 机 外 形 以

27、符 合 动 力 性 能 要 求 ,显 著 减 小 阻 力 ;同 时 能 优 化 飞 机 形状 ,以 使 雷 达 上 的 (或 用 其 他 方 法 检 测 出 的 ) 反 射 截 面积 最 小 ,从 而 具 有 更 好 的 隐 身 性 能 ;共 形 光 学 元 件 替 代球 面 光 学 窗 口 还 能 够 提 供 大 的 视 场 4 ,5 。美 国 为 了 加 工 这 种 新 型 光 学 零 件 ,专 门 研 制 了 新的 超 精 密 机 床 Nanotech 500F G ,该 机 床 是 一 计 算 机 数控 、 多 轴 、 超 精 密 加 工 系 统 ,能 够 加 工 任 意 形 状 的

28、共 形光 学 表 面 ,加 工 工 件 的 最 大 尺 寸 为 250 mm 250 mm 300 mm。 机 床 具 有 多 轴 磨 削 和 金 刚 石 车 削 的 能 力 ,能 够 加 工 大 离 轴 扇 形 零 件 ,实 现 了 延 性 方 式 超 精 密 磨削 (Ductile Grinding) ,加 工 工 件 具 有 光 学 表 面 质 量 ,通常 很 少 需 要 或 不 需 要 后 续 抛 光 。 为 了 同 该 机 床 配 套 ,还 使 用 了 磁 流 体 抛 光 ( MRF) 技 术 和 可 测 量 自 由 曲 面的 纳 米 级 测 量 精 度 的 坐 标 测 量 机 。

29、使 用 该 机 床 能 够 直接 磨 削 出 共 形 光 学 零 件 ,加 工 零 件 的 面 形 精 度 优 于0. 375 m ( P - V 值 ) ,表 面 粗 糙 度 优 于 Ra0. 002 7 m。4 我 国 超 精 密 加 工 技 术 的 发 展 方 向国 内 从 20 世 纪 80 年 代 初 开 始 超 精 密 加 工 技 术 的研 究 ,先 后 从 国 外 引 进 了 Taylor Hopson 公 司 的 超 精 密机 床 MSG - 325、 Nanoform 300 和 Nanoform 250 ;同 时北 京 机 床 研 究 所 、 北 京 航 空 精 密 制 造

30、 研 究 所 、 哈 尔 滨 工业 大 学 等 单 位 相 继 研 制 成 功 超 精 密 机 床 ;长 春 光 机 所研 制 了 FSGJ - 1 数 控 非 球 面 光 学 加 工 中 心 。 但 总 体来 说 与 世 界 先 进 水 平 还 有 一 定 差 距 ,所 以 现 正 集 中 全国 力 量 攻 关 ,研 制 大 型 光 学 零 件 超 精 密 加 工 装 置 。超 精 密 加 工 技 术 的 一 个 发 展 方 向 是 大 型 非 球 面 零件 超 精 密 加 工 ;另 一 发 展 方 向 是 共 形 光 学 零 件 超 精 密加 工 ,它 广 泛 应 用 于 国 防 工 业

31、,能 够 大 大 提 升 武 器 的 综合 性 能 ,而 能 够 加 工 共 形 光 学 元 件 的 超 精 密 机 床 ,国 外对 我 国 是 禁 运 的 。 所 以 为 提 高 我 国 超 精 密 加 工 技 术 水平 ,满 足 航 空 、 航 天 、 武 器 等 国 防 现 代 化 的 需 要 ,必 须 研制 自 己 的 下 一 代 共 形 光 学 元 件 超 精 密 加 工 机 床 。参 考 文 献1 Parham T G , Stolz C , Baisden T , et al. Developing op2tics finishing technologies for the N

32、ational Ignition Facility. UCRL- L R - 105821 - 99 - 2 , 1999. 177 1912 杨 力 主 编 1 先 进 光 学 制 造 技 术 1 北 京 :科 学 出 版 社 ,20013 杨 福 兴 ,袁 哲 俊 1 大 型 光 学 零 件 金 刚 石 车 床 . 机 械 工 艺师 ,2001 (3) :38 404 Mills J P. Conformal optics : theory practice. Proc.SPIE , 2001 ,4442 : 101 1075 Trotta P A. Precision conformal optics technology pro2gram. Proc. SPIE ,2001 ,4375 :96 107 (责 编 文 洵 )38新 工 艺 新 技 术 新 设 备2004 年 第 5 期 航 空 制 造 技 术