加工非轴对称光学元件

现有的单点金刚石车床可以制造复杂的非球面光学表面。然而，机床将这些表面限制为旋转的表面。可以通过引入高速控制系统，主轴位置，两个附加轴和平行于主轴轴的高带宽轴来加工非轴对称表面。

研究人员使用常规和金刚石工具进行了加工非轴对称部件的有限工作。Spivey S. Douglass记录了他博士学位中非轴对称表面的钻石加工的首次尝试。论文'转动非同矛盾表面的加工系统。但是，他面临的刀具执行器和控制系统的问题，防止了光学质量表面的产生。

在'Wavefront Rectrone校正的钻石转动'中，应用光学卷。25，Meinel et.al.成功使用压电致动器加工相位校正板的同时实现令人满意的结果。

在里面传统加工领域，Tsao和Tomizuka的研究，标题为在美国控制会议的诉讼程序，1988年亚特兰大，1988年举行的“适应性和重复的数字控制算法”，启用了非圆柱形部件的成功加工。

本文详细介绍了非轴对称光学表面，这些光学表面是较大光学器件的轴轴段，可以是单点钻石转动。这些段可以部署为轴外镜子，或者作为构成更大的轴镜子的段。10 M Keck Telescope - 加州大学和加州理工学院的联合项目 - 是后者的一个例子。

本文解释了分段几何，并提供了一个示例来显示一些主要的实现细节。

Non-Axisymmetric几何

在这个项目中，父光学被考虑为一个一般的旋转二次曲线。这是选择因为一个封闭形式的描述离轴段表面是已知的，并可以形成这样，它可以由高速控制器实时实现。在开发这个加工系统的所有步骤中都需要考虑实现细节，理解这一点很重要。

通过以下等式下列圆柱形坐标轴轴截线的表面：

（1）

其中z._3.是段矢状面，ρ是段中心的半径，f是线段和d的角位置吗_我s是父视神经的函数和段从父轴的距离。

该等式的全面发展和完整的表面描述已经通过Gerchman在“非轴对称表面生成的非轴对称表面生成”的描述中，SPIE Processings Vol.1266。

执行

的加工非轴对称当X轴和Z轴的运动与刀具伺服协调时，即此处指定为Z轴，即可实现分段曲面。由于分段旋转是由机床主轴执行的，基于测量的主轴位置，刀具伺服运动产生。通过分离Z和Z的运动，可以得到适当的分段曲面，从而使方程1描述了结果曲面。这可以通过将方程分为φ-和部分来实现ρ- 依赖，另一个只是ρ端依赖。

一个合适的划分方法是预先计算每个点的X和Z运动，从而使Z运动最小化ρ价值。通过确定z的最大值和最小值_3.（φ）在每个ρ并选择它们之间的一半方式作为参考，可以建立机器幻灯片的基线运动。

每一ρ值从z中减去_3.（ρ，φ）找到工具伺服运动。使用此方法，可以使用以下表达式确定工具伺服运动：

（2）

图1中示出了取决于使用该最佳基线的使用的一个工具运动实例，其中刀具伺服运动被绘制为角位置φ的函数。实线表示运动ρ_最大限度，虚线运动在3/4处ρ，点在1/2处ρ虚线在1/4处ρ．

此示例用于切割锥体的轴外段。必须注意的是，运动看起来像腐朽的正弦曲线。但是，如虚线所示，这不是朝向段的中心。

图1所示。具有最佳基线的工具伺服运动减去。实线是Pmax的工具运动。

加工设置

使用称为的设备快速工具伺服（FTS），在Rank Pneumo AS G-2500上进行了加工实验。这是一种基于压电驱动器的高带宽、短范围、刀具运动装置。对于位置反馈，为了补偿执行器的非线性，有一种积分电容计用于位置反馈。本设备具有20µm的范围和大于1 KHz的带宽。

为了开发完整的加工系统，需要两个组件。第一组件是高压放大器（HVA），输入是低电压控制信号，输出是压电致动器的高电压，高电流驱动信号。

第二个组件是一个高速控制器，它结合了所有的组件并产生执行器的控制信号。实验装置的组成和互连如图2所示。

图2。实验设置图

结果

创建了几种非轴对称表面以证明这种类型的加工的可行性，并用于演示一些可能的误差源。

例如，一个平面的倾斜，与垂直于主轴旋转轴的平面，是通过产生一个衰减，每旋转一次的刀具伺服正弦信号来制造的。图3显示了这个倾斜平面的干涉图，其周围有一个法向参考平面。平铺的内平面，其最低点与最高点之间的距离约为5µm。倾斜表面直径为20 mm。

图3。主轴转速为480 rpm时，刀具伺服加工倾斜平面的干涉图。

在加工该倾斜的表面的倾斜表面，在不太理想的条件下，两种表面误差是明显的。执行初始加工尝试，没有从电容计没有反馈，结果，看到了非对称表面误差。

此外，X轴位置未最初使用，但基于X启动和联邦位置估计。这产生了一种类似彗形表面误差 - 每转型误差一次。这两个错误都显示出具有足够输入的良好控制系统的重要性。

结论

使用用于加工非轴对称光学表面的金刚石转动工具，通过初始实验证明了该概念的有效性。实验还显示了为这种加工制造系统的关键部件的重要性。

这些组件包括高压放大器，高带宽刀具伺服，高速控制系统，具有足够数量的输入，以及有效的软件来生成适当的控制信号。

提供进一步的研究，以提供一种能够加工aconicOnoid表面的轴外段的系统。正在进行的研究侧重于使用Zernike多项式的方法的开发，用于使用该描述定义更一般的非轴对称表面和控制系统。

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