Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ управляемых методов формообразования крупногаба ритных асферических поверхностей оптических деталей 18
1.1. Методы и системы изготовления крупногабаритных оптических деталей 18
1.2. Методы и средства контроля, устройства разгрузки и качество стекла крупногабаритных оптических деталей 26
1.3. Процесс «финишной» доводки асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей 31
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Управление процессом формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей 35
2.1. Оптимизация параметра управления и обоснование кинематической схемы автоматизированной системы формообразования 35
2.2. Автоматизированная обработка интерферограмм 43
2.3. Методики определения технологических параметров процесса полирования 63
2.4. Алгоритмическая модель (АлгртмМ) итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей 74
Выводы по главе 2 83
Глава 3. Анализ погрешностей процесса автоматизированного формо образования асферических крупногабаритных оптических деталей 87
3.1. Погрешности интерференционного контроля формы оптической детали 87
3.2. Погрешности технологического цикла 96
3.3. Анализ деформаций поверхностей обрабатываемых деталей и схем базирования высокоточных крупногабаритных оптических деталей (ВКОД)
Выводы по главе 3 126
Глава 4. Изготовление и экспериментальные исследования высокоточных крупногабаритных оптических деталей на основе созданной авто матизированной системы формообразования 131
4.1. Экспериментальное определение технологической постоянной и профиля съёма под инструментом 131
4.2. Изготовление и экспериментальные исследования крупногабаритных асферических зеркал, изготавливаемых на основе методики автоматизированного формообразования оптических поверхностей 140
4.3. Крупногабаритные плоские, сферические и асферические зеркала, изготовленные в рамках комплекса международных проектов 154
Выводы по главе 4 157
Общие выводы 160
Список литературы 170
Приложение
- Методы и средства контроля, устройства разгрузки и качество стекла крупногабаритных оптических деталей
- Автоматизированная обработка интерферограмм
- Погрешности технологического цикла
- Изготовление и экспериментальные исследования крупногабаритных асферических зеркал, изготавливаемых на основе методики автоматизированного формообразования оптических поверхностей
Введение к работе
В настоящее время благодаря разработке новейших высокоточных асферических крупногабаритных оптических деталей, предназначенных для систем наземного и космического базирования, получены принципиально новые научно-технические результаты в области астрономических и космических исследований. Такие системы обеспечивают высококачественное изображение наблюдаемого объекта, в предельном случае - дифракционного качества [1,2]. Это соответствует отклонению волнового фронта, формируемого системой по среднеквадрати-ческому критерию равному А/14 (критерий Марешаля) [3]. Наибольшее влияние на формируемое изображение оказывает качество поверхности изготавливаемых оптических деталей, которое определяется среднеквадратическим отклонением (СКО) формы оцениваемой поверхности от ближайшей поверхности сравнения и размахом полной ошибки (обозначаемым Р - V). Вышеуказанное является причиной резкого возрастания требований к качеству поверхности, в частности, для многокомпонентных оптических систем, имеющих диаметры от 500 до 4000 мм, среднеквадратическое отклонение о = А/60...А/30.
Дополнительно возрастают габариты оптических деталей. В последнее время в ряде стран уже изготовлено несколько монолитных 8-ми метровых зеркал [4 — 6], составных 10... 11 метровых зеркал [7] и ведутся работы по созданию адаптивных телескопов, имеющих составные главные зеркала диаметром 42 м и 30 м [8,9], рабочие части которых представляют собой сферические и асферические поверхности. Кроме зеркал классической круглой формы в настоящее время изготавливаются крупногабаритные асферические зеркала с произвольной внешней конфигурацией и видом внутреннего отверстия. Это приводит к усложнению конструкции оптических деталей.
Для уменьшения массы крупногабаритных оптических деталей переходят к изготовлению облегченных зеркал, ведутся работы по созданию тонких и сверхтонких активных и адаптивных зеркал, в которых стремятся к максимальному уменьшению их деформаций при сохранении высокого разрешения. При этом наряду с традиционными материалами, используемыми в оптическом производстве
(оптические стекла, ситалл, сервит, церодур, кварц, ULE и др.), все более широкое применение находят нетрадиционные материалы (кремний, карбид кремния, бериллий и т. д.) [10 - 15].
Задача изготовления асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей решается с помощью четырёх основных способов формообразования [16]:
пластического изменения формы заготовки;
использования упругих свойств материала заготовки;
нанесения на базовую поверхность заготовки дополнительного слоя вещества;
непосредственной обработки поверхности заготовки с целью удаления избыточного слоя материала.
Эти способы формообразования поверхностей обладают рядом преимуществ и недостатков. Поэтому применение каждого из них определяется соответствующими требованиями при изготовлении деталей. При этом в настоящее время эффективность способа получения высокоточных асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей определяется, прежде всего, возможностью автоматизации способа формообразования.
В частности, оптимальный способ автоматизированного нанесения на базовую поверхность заготовки дополнительного слоя вещества представляет собой вакуумную асферизацию поверхностей оптических деталей [17].
На практике особое значение имеет четвёртый способ непосредственной автоматизированной обработки поверхности заготовки, с помощью которого осуществляется удаление избыточного слоя материала. В рамках этого способа выделяют следующие три подметода автоматизированной обработки поверхности заготовки:
о ионно-лучевую обработку поверхности детали малым ионным пучком [18 — 20];
о алмазное точение поверхностей зеркал из нетрадиционных материалов [21 — 23];
о абразивную обработку поверхности детали [24]. В настоящее время разработка автоматизированных технологических комплексов, основанных на абразивной обработке поверхности детали и алмазном точении зеркал, как в нашей стране, так и за рубежом обходится гораздо дешевле, чем создание и эксплуатация вакуумных установок при асферизации и ионно-лучевой обработке для оптических деталей такого же диаметра. Так как алмазное точение поверхностей деталей применимо только для зеркал, изготавливаемых из
нетрадиционных материалов (например металлических зеркал), то наиболее эффективным и экономичным автоматизированным методом получения высокоточных асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей является непосредственная абразивная обработка заготовки [25,26]. При этом оптическая деталь обрабатывается малым инструментом, диаметр которого не превышает 1/3 диаметра детали. Сам инструмент как рабочий элемент управляемого автоматизированного комплекса перемещается по заданной траектории.
Задача получения высококачественных поверхностей асферических крупногабаритных оптических деталей при использовании классической технологии формообразования, основанной на методе проб и ошибок, а также интуиции профессионала-оптика весьма проблематична, а её решение непредсказуемо по времени. Вследствие этого трудоёмкость изготовления современных высокоточных оптических деталей чрезвычайно велика. Особенно трудоёмкими являются операции окончательной доводки поверхности, которые составляют 70...80% от общей трудоёмкости изготовления деталей. Иначе говоря, классические методы формообразования уже не могут в полной мере обеспечить получение требуемого в настоящее время качества оптических поверхностей различного класса.
Кардинальной мерой в решении стоящей перед оптической отраслью задачи получения высококачественных поверхностей асферических крупногабаритных оптических деталей является создание технологического комплекса для формообразования и точной доводки поверхностей таких деталей автоматизированным способом. В основе разработки автоматизированного процесса формообразования оптических поверхностей лежат работы зарубежных авторов: Aspden R., Jones R.A., Angel R. и Martin H.M. В России по вопросу разработки комплекса, реализующего автоматизированный процесс формообразования с использованием специального оборудования, контрольно-юстировочных приборов и оснастки, известны работы Семибратова М.Н., Заказнова Н.П., Штанделя С.К., Лысянного Ю.К., Витриченко Э.А., Горшкова В.А., Савельева А.С., Сеника Б.Н. и др.
В рамках такого комплекса эффективность способа получения высокоточных асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей определяется, прежде всего, возможностью автоматизации способа формообразования. При этом
в настоящее время целенаправленный управляемый процесс доводки поверхности до высокого качества на основе программно-математического обеспечения позволяет исследовать особенности поведения материала заготовок и деформационно-тепловые эффекты, возникающие в процессах обработки, транспортировки и установки детали в схему контроля. В результате перехода к современной автоматизированной технологии формообразования осуществляется уход от интуиции профессионала-оптика и возникает возможность достижения высокой производительности операции финишной доводки оптических деталей различной формы, типоразмеров и конфигурации. Поэтому задача разработки и исследования автоматизированной системы формообразования асферических крупногабаритньк оптических деталей является актуальной.
Цель работы
Цель работы - построение элементов теории автоматизированных систем формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей, разработка на этой основе управляемого технологического процесса в виде совокупности технологических приёмов и создание программно-математического обеспечения для проведения процесса формообразования и высокоточной автоматизированной доводки поверхностей.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Анализ современного состояния проблемы формообразования асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей и исследование существующих управляемых методов формообразования и доводки.
Сравнение исходных факторов, влияющих на процесс формообразования с целью идентификации оптимальных параметров управления, схем контроля, устройств базирования и выбора высококачественных стёкол для изготавливаемых деталей в рамках технологического цикла, в основе которого лежит метод последовательных приближений.
Формулировка требований к методам контроля и выделение кардинальных факторов, идентифицирующих рациональный метод контроля, которому принадлежит главенствующая роль в получении окончательного положительного результата в процессе автоматизированного формообразования.
Идентификация оптимального параметра управления процессом автоматизированного формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей и построение функциональной схемы процесса формообразования.
Анализ схемных модельных представлений разрабатываемой автоматизированной системы формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. Построение структурно-функциональной схемы системы, задающей главные факторы процесса полирования, которые определяют погрешности формы изделия в результате съёма материала, и идентификация на её основе кинематической схемы.
Формирование математического прообраза синтезируемой системы, который включает в себя алгоритм автоматизированной обработки интерферограмм на ЭВМ, идентифицирует «точечность» используемого инструмента в результате выделения на его поверхности набора элементарных квадратных участков и содержит геометрические модели трёхточечного и пятиточечного инструментов.
Разработка методик определения технологических параметров процесса полирования с целью точного прогнозирования формы обрабатываемой поверхности. В рамках этих методик должно быть рассмотрено использование создаваемой технологии для полировальников любой конфигурации и типоразмера.
Построение ансамбля алгоритмических моделей этапов итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей. Определение в результате такого расчёта суммарного отклонения поверхности после ряда итераций, а также вычисление полного времени обработки каждой элементарной площадки в результате постепенного увеличения съёма. Обоснование адекватности создаваемого ансамбля алгоритмических моделей.
Анализ погрешностей процесса автоматизированного формообразования асферических высокоточных крупногабаритных оптических деталей. Идентификация исходных типов погрешностей, влияющих на результаты процесса автоматизированного формообразования и выделение погрешностей интерференционного контроля формы оптической детали, погрешностей технологического цикла и погрешностей, вносимых средствами разгрузки детали в процессе контроля и обработки.
Проектирование, изготовление и исследование на основе разрабатываемых модельных представлений автоматизированного технологического комплекса с программным управлением для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом. Разработка методики экспериментального определения параметров технологического процесса и анализ функциональных связей отдельных элементов автоматизированной системы формообразования.
Идентификация банка данных изготовленных зеркал в виде совокупности основных параметров.
Внедрение научных и прикладных результатов в технологический процесс изготовления крупногабаритных оптических деталей.
Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:
построены элементы теории автоматизированных систем формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей, которые включают в себя формирование математического прообраза синтезируемой системы, выделение кардинальных факторов, идентифицирующих введение рационального метода контроля и задание оптимального временного управляющего параметра;
разработан управляемый технологический процесс формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей в виде совокупности технологических приёмов на основе метода последовательных приближений, обеспечивающий в пределе идеальную форму рабочей поверхности оптической детали;
идентифицирован ансамбль алгоритмических моделей этапов итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей, на основе которых рассчитывается целенаправленный съём материала. Обоснована адекватность созданного ансамбля моделей;
создана методика расчёта параметров сеанса автоматизированной доводки оптической поверхности с целью передачи полученных данных о траектории движения и скорости перемещения инструмента в автоматизированную систему управления;
построен восьмиступенчатый алгоритм автоматизированной обработки ин-терферограмм с целью построения подробной топограммы поверхности детали по результатам интерференционного контроля. Он лежит в основе расчёта сеанса автоматизированной доводки при наличии надежных и достоверных средств контроля и разгрузки оптической детали;
идентифицирована «точечность» используемого инструмента в результате выделения на его поверхности набора элементарных квадратных участков и построены геометрические модели трёхточечного и пятиточечного инструментов. На основе мультиточечного подхода вычисляется суммарное отклонение поверхности после ряда итераций и рассчитывается полное время обработки элементарной площадки детали в результате постепенного увеличения съёма;
разработаны методы определения и корректировки технологических параметров обработки поверхностей оптических деталей, позволяющие сократить время обработки детали и ускорить процесс сходимости автоматизированного технологического процесса;
впервые построены кардинальные классы, главные когорты и основные семейства погрешностей интерференционного контроля и технологического цикла доводки оптических поверхностей. Идентифицированы систематические и случайные погрешности в рамках приборных, методических и технологических погрешностей.
Научные положения, выносимые на защиту Создание элементов теории автоматизированных систем формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей, на основе которых спроектирован, изготовлен и исследован автоматизированный технологический комплекс с программным управлением, позволяет вынести на защиту следующие новые положения и результаты:
1. Новая методика разработки управляемого технологического процесса формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей в виде совокупности технологических приёмов на основе метода последовательных приближений, обеспечивающего в пределе идеальную форму рабочей поверхности оптической детали.
Ранее не существовавший математический прообраз автоматизированной системы формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей на основе выделения кардинальных факторов, идентифицирующих введение рационального метода контроля и задание оптимального временного управляющего параметра.
Принципиально новый ансамбль алгоритмических моделей этапов итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей, на основе которых рассчитывается целенаправленный съём материала, и обоснование адекватности созданного ансамбля моделей.
Новая методика расчёта и корректировки технологических параметров сеанса автоматизированной доводки оптической поверхности с целью передачи полученных данных о траектории движения и скорости перемещения инструмента в автоматизированную систему управления, позволяющая сократить время обработки детали и ускорить процесс сходимости автоматизированного технологического процесса.
Новый восьмиступенчатый алгоритм автоматизированной обработки интер-ферограмм с целью построения топограммы поверхности детали по результатам интерференционного контроля.
Новый мультиточечный подход к вычислению суммарного отклонения поверхности после ряда итераций и расчёту полного времени обработки элементарной площадки детали в результате постепенного увеличения съёма в рамках геометрических моделей трёхточечного, пятиточечного и семиточечного инструментов.
Систематика и анализ функциональных схем систем базирования и разгрузки оптических деталей в процессе обработки и контроля оптических поверхностей в рамках технологического цикла, обеспечивающие стабильную сходимость автоматизированного технологического процесса.
Ранее не существовавшие кардинальные классы, главные когорты и основные семейства погрешностей интерференционного контроля и технологического цикла доводки оптических поверхностей, на основе которых идентифицированы систематические и случайные погрешности в рамках приборных, методических и технологических погрешностей.
Практическая значимость и реализация результатов
Разработанные структурно-функциональные схемы, модели, алгоритмы, прикладные программы и методики расчёта и корректировки технологических параметров позволили создать под руководством автора технологический комплекс для формообразования и точной доводки поверхностей асферических крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом. Работоспособность и эффективность построенных элементов теории автоматизированных систем формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей продемонстрированы при изготовлении автором свыше 150 крупногабаритных асферических зеркал различного диаметра с произвольной внешней конфигурацией и разной асферичностью.
Результаты диссертации внедрены на предприятиях: ОАО «КМЗ», ОАО «ЛЗОС», ОАО «ЛОМО им. Ленина», ФГУП «НИИКИ ОЭП». Акты о внедрении и использовании приложены к материалам диссертации.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на: Всесоюзном семинаре «Производство асферической оптики» (Москва, 1984); Всесоюзном семинаре «Изготовление оптических асферических деталей» (Москва, 1985); Международной конференции «Прикладная оптика - 96» (С-Петербург, 1996); Международной конференции «Optical Science, Engineering, and Instrumentation» (Денвер, США, 1999); Международной конференции «Optical Science, Engineering, and Instrumentation» (Сан-Диего, США, 2000); Международной конференции «Прикладная оптика - 2002» (С-Петербург, 2002); Международной конференции «2nd Backaskog Workshop on Extremely Large Telescopes» (Бакаског, Швеция, 2003); Международной конференции «Optical Systems Design 2003» (Сент-Этьен, Франция, 2003); Международной конференции «Астрономические телескопы и инструменты» (Глазго, Великобритания, 2004); Международной конференции «Optifab 2005: Technical Digest» (Нью-Йорк, США, 2005); Международная конференция «Астрономические телескопы и инструменты» (Марсель, Франция, 2008).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 43-х научных работах, в том числе: в 13-ти статьях; в пяти АС и патентах на изобретения; в 18-ти тезисах докладов на международных НТК, а также изложены в 7 научно-технических отчётах по НИР.
Содержание работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и списка литературы.
В главе 1 формулируется постановка задачи разработки и исследования автоматизированной системы формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. Даётся анализ современного состояния проблемы формообразования асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей и сравниваются четыре основные способа формообразования. Проводятся исследования факторов, влияющих на процесс формообразования, с целью выбора оптимальных параметров схем контроля, устройств базирования и качества стекла изготавливаемых деталей. Устанавливается, что технологический цикл изготовления крупногабаритных оптических деталей с допустимыми отклонениями формы поверхности опирается на метод последовательных приближений, который сводится к контролю формы поверхности и последующей целенаправленной её доводки. Формулируются требования к методам контроля и выделяются основные факторы, идентифицирующие рациональный метод контроля. Проводится анализ конструкций и методов разгрузки высокоточных крупногабаритных оптических деталей и устанавливается, что наиболее технологичным является применение мембранно-пневматических торцевых оправ-спутников. Исследуются теплофизические свойства материала. Строится функциональная схема автоматизированного процесса формообразования высокоточных асферических крупногабаритных оптических деталей, которая идентифицирует технологический цикл изготовления, опирающийся на метод последовательных приближений.
В главе 2 разрабатываются элементы теории автоматизированных систем формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. Для этого проводится сравнительный анализ трёх основных технологических параметров: траектории движения инструмента по обрабатываемой поверхности, относительной
скорости инструмента по заготовке и времени пребывания инструмента в зоне обработки. Устанавливается, что время пребывания инструмента в зонах обработки является оптимальным параметром управления процесса формообразования. Строится структурно-функциональная схема, выделяющая инструментальные, деформационные и настроечные факторы процесса полирования. Разрабатывается кинематическая схема автоматизированной системы формообразования крупногабаритных асферических деталей. Идентифицируется восьмиступенчатый алгоритм автоматизированной обработки интерферограмм на ЭВМ, содержащий восемь ступеней: 1) формирование регулярного двумерного массива рабочих точек; 2) создание банка данных из координат центральных точек интерференционных полос; 3) вычисление параметров ближайшей сферы сравнения; 4) построение банка данных волновой аберрации; 5) определение СКО для волновой аберрации; 6) построение банка данных волновой аберрации на равномерной сетке; 7) нахождение банка данных волновой аберрации на равномерной сетке; 8) построение топографической карты контролируемой поверхности.
Проводится идентификация «точечное» инструмента в результате выделения на его поверхности набора элементарных квадратных участков. Формируются геометрические модели трёхточечного и пятиточечного инструмента. Разрабатываются методики определения технологических параметров процесса полирования. Создаётся методика определения среднего съёма материала с помощью предварительно отполированного технологического образца, на поверхности которого обрабатываются дополнительные локальные круговые зоны инструментом малого диаметра. Строятся графики профиля удвоенного съёма в локальной круговой зоне и вычислен удвоенный средний съём в долях полосы. Предлагаются методика определения средней технологической постоянной процесса полирования и методика определения нормированного, локального нормированного и относительного локального нормированного среднего съёма для трёхточечного и пятиточечного инструментов.
Разрабатывается ансамбль алгоритмических моделей этапов итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей, задающий математический прообраз синтезируемой системы. С
целью операторной идентификации алгоритмического поведения полировальника введён в рассмотрение линейный алгоритмический оператор съёма материала, определяющий линейные отклонения поверхности после первого съёма в пяти точках под трёхточечным полировальником. В результате идентифицируется линейная алгоритмическая модель первого этапа итерационного съёма. Методом индукции находится линейная алгоритмическая модель р-то этапа итерационного съёма. Строится линейная алгоритмическая модель суммарного съёма, целью которой является нахождение полного времени обработки в центральной области за все предыдущие^ итерационных этапов. Даётся оценка адекватности ансамбля линейных алгоритмических моделей итерационного съёма. Проводится коррекция технологического коэффициента относительного съёма, что позволяет за счёт введения обратной связи существенно повысить сходимость результатов математического моделирования процесса формообразования.
В главе 3 проводится анализ погрешностей процесса автоматизированного формообразования асферических высокоточных крупногабаритных оптических деталей. Идентифицируются три исходных типа погрешностей: погрешности интерференционного контроля формы оптической детали; погрешности технологического цикла; погрешности, вносимые средствами разгрузки детали в процессе контроля и обработки.
В рамках анализа первого типа погрешностей интерференционного контроля формы оптических деталей выделяются три кардинальных класса: приборные, методические и погрешности нестабильности процесса контроля. Внутри классов приборных и методических погрешностей исследуются две главные когорты систематических и случайных погрешностей. Рассматриваются четыре основных семейства когорты приборных систематических погрешностей: аберрационные погрешности оптической системы интерферометра; погрешности изготовления оптических элементов интерферометра; погрешности из-за разгрузки контролируемой детали; погрешности измерения координат центров интерференционных полос. Исследуются два основных семейства когорты приборных случайных погрешностей: погрешности юстировки взаимного положения оптических элементов интерферометра и погрешности юстировки относительного положения интерферо-
метра и контролируемой детали. Рассматривается основное семейство когорты методических систематических погрешностей математической обработки результатов расшифровки интерферограмм. Исследуются два основных семейства когорты методических случайных погрешностей: погрешности совмещения плоскости регистрации с выходным зрачком интерферометра при получении интерферограмм и погрешности, обусловленные дискретным характером информации о форме контролируемой поверхности. Завершается анализ первого типа погрешностей рассмотрением третьего класса погрешностей, обусловленных нестабильностью процесса контроля.
Проводится анализ второго типа погрешностей технологического цикла и выделяются три кардинальных класса: приборные, методические и технологические погрешности. Рассматриваются три основных семейства когорты приборных систематических погрешностей: погрешности отработки времени пребывания центра инструмента в пределах элементарной площадки, погрешности отработки давления и линейной скорости обработки при плоскопараллельном движении инструмента и погрешности привязки интерферограммы к детали и системе координат станка. Внутри когорты методических систематических погрешностей выделяются два основных семейства: погрешности математического моделирования съёма и погрешности линейного перемещения инструмента по площадке при отработке времени пребывания. В рамках третьего кардинального класса технологических погрешностей анализируются шесть основных семейств: нелинейность зависимости съёма от скорости и давления, погрешности выхода инструмента за край детали, погрешности неоднородности свойств стекла, погрешности деформации детали под действием инструмента, погрешности, обусловленные температурными факторами, а также флуктуации съёма и погрешности из-за притира и износа инструмента.
Рассматривается третий тип погрешностей, вносимых средствами базирования и разгрузки зеркала в процессе контроля и обработки и анализируются пути стабилизации формы поверхности. Исследуется метод конечных элементов для расчёта напряжённо деформированного состояния обрабатываемой детали.
В главе 4 рассматриваются два этапа практического внедрения созданной технологии формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. На первом этапе экспериментально определяются параметры технологического процесса и отрабатываются функциональные связи отдельных элементов автоматизированной системы формообразования. Определяется значение технологической постоянной и идентифицируется профиль съёма стекла на заготовках различных типоразмеров и разных марок стекла.
Второй этап практического внедрения созданной автором управляемой системы формообразования высокоточных крупногабаритных оптических деталей основывается на цикле работ по изготовлению различных крупногабаритных асферических зеркал, выполненных на Лыткаринском заводе оптического стекла. Для получения высококачественной рабочей поверхности зеркал создаётся методика автоматизированного формообразования оптических поверхностей. В её основу закладывается процесс управления малым инструментом, который перемещается вдоль поверхности детали. С помощью построенной методики под руководством автора в ОАО «ЛЗОС» совместно с ГНПО «Оптика» создаётся технологический комплекс для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом. Разрабатывается программно-математическое обеспечение автоматизированного комплекса, позволяющее исследовать особенности поведения материала заготовок и деформационно-тепловые эффекты, возникающие в процессах обработки, транспортировки и установки детали в схему контроля.
В общих выводах приведены основные результаты диссертации.
Методы и средства контроля, устройства разгрузки и качество стекла крупногабаритных оптических деталей
Малая величина допустимых отклонений реальной формы поверхности крупногабаритной оптической детали от идеальной, а также увеличенные световой диаметр, масса изделия и радиус кривизны поверхности налагают определённые ограничения на методы и средства контроля формы поверхности. Это требует проведения детальных исследований с целью выбора оптимальной схемы контроля и устройств базирования изготавливаемых деталей.
Технические параметры телескопов в значительной мере зависят не только от конструктивных параметров главных зеркал, но и от точности формы их поверхностей. Для того, чтобы погрешность формы зеркала практически не сказывалась на перераспределении энергии в изображении, согласно критерию Марешаля СКО волнового фронта, формируемого поверхностью зеркала не должно превышать XI14 [3]. Для процесса обработки важно знать не только величину отклонения формы, но и распределение этих отклонений по поверхности.
Крупногабаритные оптические детали являются уникальными, и для их изготовления применяется весьма сложное оборудование. При этом процесс обработки деталей весьма трудоёмкий и дорогостоящий. Технологические особенности обработки таких деталей не позволяют применять к ним методы сортировки для выбора из партии образцов, удовлетворяющих заданным требованиям.
Технологический цикл изготовления крупногабаритных оптических деталей с допустимыми отклонениями формы поверхности опирается на метод последовательных приближений, который сводится к контролю формы поверхности и последующей целенаправленной её доводки. Оценка формы поверхности крупногабаритного зеркала является одним из важнейших этапов в технологическом цикле его изготовления и именно контролю принадлежит главенствующая роль в получении окончательного положительного результата. В связи с этим к методам контроля предъявляют следующие требования: метод контроля должен быть высокоточным; метод контроля должен быть технологичным (применимость в цеховых условиях); ? информация о контролируемой детали должна быть количественной и объективной для всей поверхности; результатом контроля служит карта оптической поверхности с отклонениями по нормали (топограмма поверхности).
Известно [52], что из всех методов контроля асферических поверхностей известных на сегодняшний день приемлемыми для использования в технологическом процессе автоматизированного формообразования являются интерференционные методы и метод Гартмана, как единственные дающие объективную количественную информацию обо всей поверхности. В то же время метод Гартмана уступает по точности интерференционному методу. Принципиальный недостаток метода Гартмана [52] заключается в том, что он усредняет погрешности поверхности на открытых участках зеркал и только с некоторой степенью вероятности идентифицирует форму поверхности зеркал на участках, закрытых диафрагмой. Это обстоятельство делает интерференционный метод, дающий полную информацию о состоянии всей контролируемой поверхности, более предпочтительным [53 - 56].
Рассмотрим некоторые параметры исследуемого объекта во многом предопределяющие требования к реализации выбранного метода контроля. В работах [16,51,57] подробно изложена классификация оптических поверхностей по различным признакам. Для практики особое значение имеет вид контролируемой поверхности, задаваемый уравнением меридионального сечения, а также требования к точности получения заданной формы.
В зависимости от погрешности изготовления формы выделяют три класса точности оптических поверхностей: высокоточный, средний и низкий. Более подробная классификация поверхностей по точности формы приведена в [16]. Большая масса контролируемой крупногабаритной оптической детали приводит к деформации формы поверхности обусловленной действием гравитационных сил. Эти деформации могут превышать допустимые отклонения реальной формы поверхности от идеальной. Это требует применения различных схем разгрузок, среди которых большое распространение получили схемы разгрузки контролируемой детали в ленте [58,59]. Однако, в некоторых случаях такая разгрузка не является оптимальной и требует дополнительной регулировки при проведении измерений. Например, деформация зеркала БТА 0 = 6 м при разгрузке его в ленте составляет в вертикальной плоскости Аверт= 10 мкм, в горизонтальной плоскости Агорз = 7,4 мкм. Для снижения деформаций, обусловленных действием гравитационных сил, применяют специальные оправы или разгрузочные устройства, распределяющие вес крупногабаритной оптической детали на ряд опорных точек [60].
Анализ конструкций и методов разгрузки высокоточных крупногабаритных оптических деталей [61] показывает, что при их производстве технически обоснованным является применение технологических оправ-спутников. Эти оправы оснащены торцевыми опорами, построенными на основе пневматического перераспределения усилий нагружения с использованием резинотканевых мембран в качестве исполнительных чувствительных элементов дискретно расположенных опор [62].
Автоматизированная обработка интерферограмм
При контроле качества формы поверхностей деталей больших радиусов кривизны очень трудно настроить систему «интерферометр - контролируемая деталь» на полосы требуемой формы и направления [68]. Это связано с неустранимым влиянием вибраций на взаимное положение элементов интерферометра и контролируемого изделия. Поэтому в настоящее время для повышения качества контроля вместо визуальной оценки качества обрабатываемой поверхности производят запись интерференционной картины с помощью регистрирующей камеры на основе ФПЗС-матрицы с целью получения электронной версии интерферограммы. Последняя используется для алгоритмизации процесса автоматизированной обработки.
Исходные данные для моделирования процесса формообразования оптических поверхностей формируются в результате последующей обработки интерферограммы на ЭВМ на основе восьмиступенчатого алгоритма автоматизированной обработки. Цель алгоритма (см. рис. 2.3) - создание банка данных волновой аберрации ьі тп на равномерной сетке рабочих точек (х/)т,ут/1), согласованной с инструментом, с учётом регулярных аберрационных погрешностей. Она достигается на основе идентификации расположения полос интерферограммы путём определения координат (х,у) центральных точек полосы для соответствующего порядка интерференции N и построения топографической карты (голограммы) контролируемой поверхности зеркала.
В рамках первой ступени алгоритма в общем случае на поверхности детали идентифицируется прямоугольная сетка регулярного двумерного массива М х М (т = 1...М; п = \...М) рабочих точек (хтп,упт), в которых будет рассчитываться съём материала в процессе обработки на основе построенной топограммы. На рис. 2.4 идентифицирована равномерная прямоугольная координатная сетка, задающая систему элементарных квадратных обрабатываемых участков. Шаг сетки выбирается, исходя из размеров инструмента, используемого для обработки поверхности оптической детали.
С целью нахождения интенсивностных экстремумов полос, т.е. максимумов или минимумов, используется метод следящего порога. Он позволяет найти экстремумы в зашумлённой интерферограмме в результате усреднения облучённости по нескольким пикселям ПЗС-матрицы. При этом определение экстремумов в системе вертикальных (не сильно искривлённых) интерференционных полос в ПЗС-матрице осуществляется по горизонтальной строке пикселей. И наоборот, для системы горизонтальных интерференционных полос — по вертикальному столбцу пикселей.
Третья ступень алгоритма позволяет проводить вычисление параметров А, В, С, D ближайшей сферы к регистрируемому волновому фронту на входе регистрирующей ветви. Параметр А зависит от радиуса сферы сравнения. Параметры В и С идентифицируют взаимный наклон эталонного и измерительного волновых фронтов на выходе соответствующих ветвей, который приводит к появлению полос в интерференционной картине. Параметр D характеризует дефокусировку волнового фронта на выходе измерительной ветви классического интерферометра Тваймана-Грина и, в общем случае, дефокусировку измерительной и эталонной ветвей модифицированного интерферометра Тваймана-Грина. Возникающая дефокусировка обуславливает искривление интерференционных полос.
На шестой ступени алгоритма с помощью линейной локальной трёхточечной интерполяции переходят к определению волновых аберраций д/„7И на равномерной сетке регулярного двумерного массива МхМ(т = 1...М; п = \...М) рабочих точек (хпт, утп). Массив с шагом интерполяции, согласованным с размером инструмента, введён на первой ступени. Линейная интерполяция широко применяется на практике при автоматизированном контроле качества крупногабаритных деталей в случае достаточной плотности информации, получаемой с интерферограм-мы. В результате в отличие от метода аппроксимирующих полиномов локальные погрешности формы контролируемой поверхности определяются с более высокой степенью точности.
На седьмой ступени алгоритма после перенесения результатов интерполяции на равномерную сетку по аналогии с третьей ступенью первоначально вычисляются параметры А\, В\, С\, D\ новой ближайшей сферы, которая появляется в результате линейной локальной трёхточечной интерполяции. Эти параметры находятся на основе построения для каждой точки (хтп,утп) уравнения вида (2.12) и последующего использования метода наименьших квадратов (см. (2.13)). Таким образом, топографическая карта, или топографическая сетка, представляет собой геометрическую модель волновой аберрационной функции д/ и, задающую удвоенное отклонение формы контролируемой асферической поверхности от ближайшей сферы сравнения с помощью введения уровней квантования волновой аберрации на элементарных квадратных обрабатываемых участках. В процессе построения топограммы вводится шаг волновой аберрации (А/ И)Ш, на рис. 2.5 равный А/91, с помощью которого задаётся 19 уровней квантования к, идентифицируемых числами от -9 до +9.
Погрешности технологического цикла
В основе процесса автоматизированного формообразования лежит технологический цикл обработки, который и определяет форму поверхности детали. Структурная схема, идентифицирующая второй исходный тип погрешностей технологического цикла обработки оптических деталей, представлена на рис. 3.2. По аналогии с 3.1 все погрешности также можно разделить на три кардинальных класса: приборные, методические и технологические. Последние обусловлены параметрами и характеристиками процесса формообразования.
В общем случае внутри классов приборных и методических погрешностей также существуют две главные когорты систематических и случайных погрешностей. Однако в данном разделе, предполагая достоверность контроля детали и стабильность средств разгрузки, по умолчанию рассматривается только когорта систематических погрешностей.
Приборные погрешности технологического цикла связаны с конкретной реализацией разработанного алгоритма обработки. В когорту главных систематических приборных погрешностей входят следующие три основных семейства: 1) погрешности отработки времени пребывания центра инструмента в пределах элементарной площадки; 2) погрешности отработки давления и линейной скорости обработки при плоскопараллельном движении инструмента; 3) погрешности привязки интерферо-граммы к детали и системе координат станка.
Погрешность релаксации давления инструмента дРелаксц обусловле на тем, что при холостом переходе нагрузка на инструмент отключается и включа ется снова. Время релаксации давления составляет 0,5...1,2 с [32]. Поэтому, если в данном рабочем кадре скорость линейного перемещения велика, т.е. составляет 30...40 мм/сек, то требуемое давление не может быть задано.
Погрешность влияния вариаций нормального давления Д"орм на обрабатываемую деталь обусловлена наличием кривизны. Допуск на рассогласование определяется для каждого конкретного случая обработки. Однако, если погрешность совмещения А м расчётной системы координат с реально установленной не превышает 1/20...1/10 диаметра наименьшего инструмента, используемого для обработки поверхности, т.е. не превышает 1/20... 1/10 шага интерполяции сетки топограммы, то погрешностью установки детали можно пренебречь. Например, пусть для детали диаметром 2000 мм и радиусом кривизны 10000 мм оптическая система интерферометра может давать изображение интерферограммы на ПЗС-матрице диаметром 500... 1000 пикселей. Точность определения центра этой интерферограммы составляет 1 пиксель, что будет соответствовать привязке топограммы к системе координат станка с погрешностью 2...4 мм. Такой погрешности установки вполне достаточно, если учесть, что шаг интерполяции 40.. .60 мм.
Второй кардинальный класс погрешностей технологического цикла, идентифицирующий методические погрешности Методические погрешности технологического цикла обусловлены спецификой метода отработки времени пребывания инструмента на элементарной площадке и математической моделью расчёта съёма. В когорту главных систематических методических погрешностей входят следующие два основных семейства: 1) погрешности математического моделирования съёма; 2) погрешности линейного перемещения инструмента по площадке при отработке времени пребывания.
Изготовление и экспериментальные исследования крупногабаритных асферических зеркал, изготавливаемых на основе методики автоматизированного формообразования оптических поверхностей
Для практической реализации управляемого технологического процесса необходимо создание комплексной натурной дефакторной физической предметной модели в виде специального автоматизированного комплекса с программным управлением для формообразования оптических поверхностей. Комплекс предназначен для обработки информации о форме поверхности, расчёта, уточнения и прогнозирования технологических режимов, а также управления движением малого инструмента.
Такой современный технологический комплекс для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом создан в ОАО «ЛЗОС» под руководством автора совместно с ГНПО «Оптика» [100 - 104]. В результате обработки композиционной технологической информации комплекс даёт возможность точно прогнозировать форму поверхности и время изготовления оптической детали.
В состав технологического комплекса входят: - автоматизированные станки серии АД (см. рис. 4.5) на основе компьютерного управления, которые используются для формообразования оптических деталей размером 1000...4000 мм с использованием малого осциллирующего инструмента; - комплект интерферометров для контроля формы поверхности на всех технологических стадиях, включающий автоматизированную фотоэлектрическую систему получения и обработки интерферограмм [105]; Фотография одного из станков серии АД автоматизированного технологического комплекса для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей. Слева расположено зеркало диаметром 1460 мм, скреплённое с подложкой электроадгезионным способом - совокупность виброизолированных стендов и разгрузочно-базировочных технологических оправ мембранно-пневматического типа, используемых при автоматизированном формообразовании оптических деталей на стадии их обработки и контроля. Они обеспечивают разгрузку и стабилизацию оптических деталей в результате автоматической стабилизации параметров настройки при изменении внешних воздействий (атмосферное давление, температура и т.п.); - парадигма технологических программ КСРМ, AD1, применяемых для обработки интерферограммы волнового фронта, формируемого рабочей поверхностью контролируемой детали в реальном масштабе времени, расчёта технологических параметров автоматизированного формообразования, автоматической коррекции технологического процесса по результатам сеанса автоматизированной обработки и прогнозирования получаемой формы поверхности.
В диссертации показано, что в настоящее время для доводки поверхностей оптических деталей из различных марок стекла и других нетрадиционных материалов использование разработанного автоматизированного комплекса с программным управлением оказывается наиболее эффективным. Он позволяет решать следующие задачи: - оперативно обрабатывать интерферограмму и строить детальную топографическую карту рабочей поверхности, что осуществимо в результате наличия надёжных и достоверных средств контроля и разгрузки оптической детали; - определять время сеанса автоматизированной доводки оптической поверхности и передавать данные о траектории движения и скоростях перемещения инструмента в устройство управления автоматизированного комплекса; - реализовывать технологический процесс доводки оптической поверхности, обеспечивающий высококачественную обработку рабочей поверхности зеркал; - получать высококачественную оптическую асферическую поверхность крупногабаритной детали с произвольными внешней конфигурацией и расположением отверстий. При этом СКО реальной формы поверхности от заданной формы лежит в пределах 0,01А,...0,03А, (X = 0,6328 мкм); - производить высококачественную обработку поверхностей тонких и облегченных оптических деталей. 143 Цикл автоматизированного формообразования начинается с контроля формы рабочей поверхности. Деталь располагается в специально разработанной штатной технологической оправе или на технологической разгрузочной ленте, которые обеспечивают её стабильное состояние в процессе контроля. Для устранения влияния воздушных потоков контроль детали производится в специальном испытательном вакуумом комплексе УВК-6/70 (рис. 4.6).
Для контроля формы поверхности в реальном масштабе времени используется установка для автоматизированной обработки интерферограмм. Она включает в себя компьютер и телевизионную камеру для фотоэлектрической регистрации ин-терферограммы. Для регистрации используется фотоэлектрический преобразователь на основе ПЗС-матрицы размером 256x256 элементов с временем накопления около 3 мс, либо на основе ПЗС-матрицы размером 1024x1024 элемента с временем накопления порядка 0,4 мс. Малое время накопления и возможность усреднения значительного количества топограмм поверхности детали позволяет получать достоверные результаты о форме поверхности в цеховых условиях, что выгодно отличает данную систему от интерферометра «Zygo».
При использовании данной установки время обработки интерферограммы контролируемой поверхности сократилось в 20...100 раз по сравнению с ранее проводимой ручной обработкой на координатно-измерительном микроскопе. Одновременно значительно увеличилось количество обрабатываемых точек на интерферо-грамме (до 3000...7000) для построения более детальной топографической карты поверхности.
В основу методики автоматизированного формообразования оптических поверхностей в диссертации положен процесс управления малым инструментом, который перемещается вдоль поверхности детали по траектории, заданной в декартовой системе координат. В результате минимизируется роль ряда факторов, оказывающих влияние на процесс полировки. При этом как усилие на инструмент остаётся постоянным, так и скорость обработки оказывается неизменной за счёт осцилляции малого инструмента с фиксированным эксцентриситетом.
Иначе говоря, это время пребывания полировальника в пределах элементарной площадки, которое реализуется медленным перемещением центра вращения инструмента внутри площадки, является управляющим фактором.
В результате на основе разработанной автором методики автоматизированного формообразования оптических поверхностей при обработке уникальных оптических деталей достигнутая погрешность доводки поверхностей (СКО = 0,01А,...0,02А,) оказалась на порядок выше получаемой по классической технологии. При этом для ряда оптических деталей с произвольной конфигурацией разработанная технология автоматизированного формообразования оптических поверхностей оказывается единственно возможной для получения требуемой точности.
Автоматизированный комплекс с программным управлением для формообразования оптических поверхностей успешно использован при изготовлении крупногабаритной оптики наземного и космического базирования на беспилотных объектах. Особо следует выделить изготовление гиперболических поверхностей облегченных оптических зеркал диаметром 1540 мм из ситалла СО-115М. Масса после облегчения 377 кг. Коэффициент облегчения 1,8. Максимальное отклонение от ближайшей сферы 8,3 мкм. Обработанные поверхности имеют СКО около 0,015А,.
На предприятии ОАО «ЛЗОС» изготовлен ряд зеркал для телескопов 2-х - 3-х метрового класса с современными требованиями к качеству поверхности и сложности оптических компонентов. Для создания таких телескопических зеркальных систем на ОАО «ЛЗОС» используется производство зеркал из ситалла СО-115М, который по своим оптическим и физико-механическим свойствам является аналогом церодура фирмы Шотт (Германия). Многолетний опыт формообразования оптических компонентов из ситалла показал его надёжность и эффективность при создании астрономических и космических приборов и инструментов с монолитными, облегченными и тонкими крупногабаритными оптическими элементами.
