肖正航 孟曉輝 王國(guó)燕

大口徑紅外透鏡高效制造技術(shù)研究

肖正航1,2,3孟曉輝1,2,3王國(guó)燕2,3

（1. 國(guó)防科技工業(yè)光學(xué)超精密加工技術(shù)中心，北京 100094；2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司光學(xué)部件制造工藝技術(shù)中心，北京 100094；3. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

大口徑空間紅外光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，促使紅外光學(xué)元件的制造技術(shù)從以單點(diǎn)金剛石車削為核心的單一技術(shù)路線向多工藝組合發(fā)展的技術(shù)路線轉(zhuǎn)變。本文以某典型非球面紅外透鏡為研究對(duì)象，開(kāi)展大口徑紅外透鏡單點(diǎn)金剛石車削、快速拋光的工藝技術(shù)研究，結(jié)果表明，通過(guò)應(yīng)用車削階段的面形快速補(bǔ)償、基于工業(yè)機(jī)器人的柔性輪快速拋光、非接觸式高精度輪廓測(cè)量等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大口徑非球面紅外透鏡的高效超精密加工。

紅外透鏡；高效制造；單點(diǎn)金剛石車削；柔性輪拋光

1 引言

隨著先進(jìn)紅外光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸普及[1～3]，紅外光學(xué)元件呈現(xiàn)出口徑不斷增大、制造精度要求逐漸逼近可見(jiàn)光級(jí)零件（＜λ/50）的特點(diǎn)[4，5]。此外，大口徑紅外透鏡材料的軟糯特性、面形輪廓的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性對(duì)全鏈路加工與檢測(cè)工藝提出了全新的挑戰(zhàn)[6～9]。

由于傳統(tǒng)球面紅外透鏡的面形輪廓較為簡(jiǎn)單，且制造精度要求低，單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)球面透鏡的納米級(jí)光學(xué)加工[10～12]。隨著紅外光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，透鏡中廣泛應(yīng)用了非球面透鏡，能夠顯著減小甚至消除由球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中帶來(lái)的球差以及其他的一些光學(xué)像差[13～15]。非球面紅外透鏡的傳統(tǒng)制造加工工藝，需要經(jīng)歷銑磨、精磨、研磨、拋光、鍍膜一系列的工藝過(guò)程[16～18]。然而，由于加工工藝過(guò)程的工序多，需要反復(fù)安裝加工工具或者工件，不僅增加了輔助時(shí)間，而且?guī)?lái)了更大的安裝誤差，大大降低了加工效率和制造精度。因此，非球面紅外光學(xué)元件加工逐漸形成了超精密銑磨+單點(diǎn)金剛石車削+快速研拋的多工藝組合發(fā)展技術(shù)路線[19～20]。本文結(jié)合某非球面紅外透鏡加工需求，開(kāi)展大口徑紅外透鏡車削、紅外透鏡快速拋光和面形檢測(cè)技術(shù)的研究。

2 高次非球面透鏡面型輪廓車削高精度補(bǔ)償技術(shù)

經(jīng)過(guò)單點(diǎn)金剛石車削后的紅外光學(xué)零件，其表面可以快速達(dá)到納米量級(jí)的表面粗糙度。但是加工過(guò)程中，由于各種誤差的存在，加工工件的面形往往與設(shè)計(jì)值有較大的偏差。其中，刀具產(chǎn)生的加工面形誤差可以通過(guò)幾何模型解析，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，提前規(guī)避誤差的產(chǎn)生。然而，除了刀具因素以外，機(jī)床自身的微小誤差、周圍環(huán)境的變化以及裝卡狀態(tài)等因素也會(huì)使實(shí)際車削過(guò)程中，金剛石刀具與工件之間的切削點(diǎn)不再是理想點(diǎn)，導(dǎo)致車削后工件表面仍然留有面形誤差。上述因素通常具有隨機(jī)、非線性的特點(diǎn)，因此很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦分析。但基于單點(diǎn)金剛石車床本身的高度穩(wěn)定性，其加工獲得的工件表面面形誤差具有高度的可重復(fù)性，為補(bǔ)償加工技術(shù)提供了可行性，即以高精度檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，修正車削加工程序，然后采用修正后的加工程序?qū)ぜ俅渭庸ぃ纯蓪?shí)現(xiàn)對(duì)誤差的補(bǔ)償。面形補(bǔ)償車削流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 面形補(bǔ)償車削流程示意圖

加工試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。補(bǔ)償加工前面形精度0.072λ（，λ=632.8nm），補(bǔ)償后面形精度0.035λ（，λ=632.8nm）。

圖2 補(bǔ)償車削試驗(yàn)結(jié)果

3 基于工業(yè)機(jī)器人的復(fù)合快速拋光技術(shù)

3.1 工具頭選擇

車削后的紅外透鏡表面殘留了較多的單點(diǎn)金剛石車削痕跡，導(dǎo)致鏡面呈現(xiàn)彩虹紋、損傷層等鏡面表面缺陷，以及在面形上的環(huán)狀中高頻誤差，如圖3所示。傳統(tǒng)大口徑紅外透鏡加工工藝流程中，車削階段所產(chǎn)生的表面/亞表面損傷層主要采用研磨的方法去除，該方法在進(jìn)行損傷層去除的同時(shí)，無(wú)法保證光學(xué)元件面形精度。因此在拋光階段，需要首先解決車削后的鏡面損傷層快速去除問(wèn)題，再解決面形精度保持問(wèn)題，最后解決面形中高頻誤差問(wèn)題。

基于上述考慮，在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上，集成傳統(tǒng)的子孔徑CCOS工具頭、氣囊拋光工具頭、輪式拋光工具頭。首先應(yīng)用氣囊拋光工具頭，球冠形柔性氣囊與高陡度紅外透鏡表面具有良好的工件匹配特征，通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部壓力來(lái)控制拋光去除效率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外透鏡的表面損傷層快速去除。其次為避免傳統(tǒng)子孔徑CCOS拋光工具頭易引起鏡面邊緣效應(yīng)誤差，采取基于無(wú)偏心控制驅(qū)動(dòng)的子孔徑拋光技術(shù)，對(duì)鏡面誤差進(jìn)行保形平滑加工，以對(duì)環(huán)狀誤差進(jìn)行有效的平滑去除。最后，通過(guò)輪式拋光工具頭，對(duì)透鏡的非球面面形誤差進(jìn)行快速提高，過(guò)程中調(diào)整拋光輪轉(zhuǎn)速、壓力等工藝參數(shù)生成穩(wěn)定的去除函數(shù)，對(duì)鏡面誤差進(jìn)行確定性去除。

圖4 不同拋光工具頭

3.2 機(jī)械手輪式拋光工藝參數(shù)

在穩(wěn)定的去除函數(shù)和組合工具頭設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用紅外透鏡樣件進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對(duì)面形收斂率、粗糙度等加工效果的影響，見(jiàn)表1。對(duì)不同材料光學(xué)元件的基本工藝參數(shù)，包括壓力、速度、加工時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化配置，探索多軌跡目標(biāo)實(shí)施方案，實(shí)時(shí)跟蹤曲面離散點(diǎn)三維信息（平面位置參數(shù)和矢高），提取出非規(guī)則性的工藝過(guò)程知識(shí)并用數(shù)字化模型加以表達(dá)。最后，由各個(gè)工藝階段優(yōu)化配置后的工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，并對(duì)各個(gè)工藝階段工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化鏈接，從而構(gòu)建出紅外透鏡的機(jī)械手輪式加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。在多工藝參數(shù)組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，首先計(jì)算多組均值，在均值的基礎(chǔ)上，得出極差及因素主次順序，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中相關(guān)最小二乘與加權(quán)平均閾值算法，得出相關(guān)優(yōu)水平及有組合工藝參數(shù)，指導(dǎo)下次加工。

表1 過(guò)程工藝參數(shù)表

為了便于快速對(duì)紅外透鏡的面形誤差進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，通過(guò)Zernike系數(shù)擬合的方式首先快速獲取鏡面的中高頻誤差信息，見(jiàn)圖5和圖6。從中可以看出，在整體面形精度上，圖6的結(jié)果高于圖5，但Zernike擬合殘差圖6的結(jié)果不如圖5。因此，建立Zernike殘余誤差和加工工藝參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化指導(dǎo)加工，保證全頻段誤差同步收斂。

圖5 某紅外透鏡加工后的結(jié)果

圖6 某紅外透鏡加工后的結(jié)果

4 非接觸式透鏡精度檢測(cè)技術(shù)

由于大口徑紅外透鏡大口徑、小數(shù)（＜0.4）的特征，在輪廓測(cè)試中易引入支撐誤差，從而影響加工精度。因此，關(guān)鍵在于采用可定量化分析的支撐方式，可準(zhǔn)確地剔除支撐造成的面形誤差。采用如圖7所示的3點(diǎn)均布支撐，使鏡面產(chǎn)生確定性變形，通過(guò)有限元仿真分析并提取出因3點(diǎn)支撐引起的變形誤差，如圖7c所示。將二者相減即可獲得透鏡自身的面形誤差。通過(guò)對(duì)比0°和180°方向的測(cè)試結(jié)果，差值僅為0.003λ（），證明該測(cè)試方法能夠滿足面形精度λ/50（）的測(cè)試需求。

圖7 透鏡精加工檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大口徑非球面紅外透鏡超精密加工難點(diǎn)，開(kāi)展了大口徑紅外透鏡車削、紅外透鏡快速拋光和面型檢測(cè)技術(shù)的研究，研究結(jié)果表明：

a. 采用單點(diǎn)金剛石車削結(jié)合面形誤差補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)大口徑非球面紅外透鏡快速成形，加工精度可達(dá)0.035λ（）；

b. 采用基于工藝機(jī)器人的多種工具頭組合，結(jié)合中高頻誤差分離技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)紅外透鏡面形精度的全頻段快速收斂；

c. 采用3點(diǎn)支撐可準(zhǔn)確獲得重力對(duì)大口徑紅外透鏡面形的影響，殘余誤差可小于0.004λ（）。

通過(guò)上述研究，建立了基于高確定性誤差去除的紅外透鏡制造工藝，實(shí)現(xiàn)了大口徑非球面紅外透鏡的高效超精密加工。

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Reasherch of High Efficiency Manufacuturing of Large Aperture Infrared Lenses

Xiao Zhenghang1, 2, 3Meng Xiaohui1, 2, 3Wang Guoyan2, 3

(1. Optical Ultraprecise Processing Technology Innovation Center for Science and Technology Industry o f National Defense, Beijing 100094; 2. Optical Elements Fabrication Technology Center of China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100094; 3. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094)

With the application of large aperture space infrared optical system, the manufacturing technology of infrared optical components has changed from a single technical route centering on single point diamond turning to a multi-process combination. In this paper, a typical aspheric infrared lens was taken as the research object to carry out the research on single-point diamond turning and rapid polishing technology of large aperture infrared lens. The results showed that, through the application of rapid surface compensation in the turning stage, rapid polishing of flexible wheels based on industrial robots, non-contact high-precision contour measurement and other technologies, it can realize high efficiency and ultra-precision machining of large aperture aspheric infrared lens.

infrared lens；efficient manufacturing；single point diamond turning；flexible wheel polishing

TH706

A

肖正航（1974），研究員，精密與超精密加工專業(yè)；研究方向：精密與超精密加工。

2022-09-21