Технологический автоматизированный комплекс для формообразования высокоточных оптических поверхностей
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
УДК 681.7.023.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
© 2011 г. В. А. Горшков, канд. техн. наук; А. В. Подобрянский, канд. техн. наук
Научно-производственное объединение “Оптика”, Москва
E-mail: optikal@npooptica.ru
В научно-производственном объединении “Оптика” (НПО “Оптика”) разработан технологический автоматизированный комплекс для формообразования высокоточных оптических поверхностей (плоских, сферических, асферических, внеосевых).
Описывается состав комплекса, приведены технологические характеристики, результаты работ на комплексе, перспективы его дальнейшего развития.
Ключевые слова: высокоточная оптика, технологический комплекс, автоматизированное формообразование поверхности, компьютерная технология, станочное оборудование, метрологическое оборудование.
Коды OCIS: 220.4610
Поступила в редакцию 25.10.2010
От оптических систем наземного, воздушного и космического базирования, для исследований космического пространства, глобального мониторинга поверхности Земли и состояния ее атмосферы требуется высокое качество формирования изображения исследуемого объекта.
Диапазон габаритных размеров оптических компонентов указанных систем 300–10 000 мм, а требования к качеству формы поверхности по критерию среднеквадратического отклонения σско = λ/30 – λ/60 (λ = 0,6328 мкм). Для получения требуемых выходных параметров оптической системы в настоящее время используют высокоапертурные оптические элементы сферической, плоской, асферической (осевые и внеосевые) форм, в том числе адаптивные с различной конфигурацией наружного периметра (многогранники) [1].
Для производства компонентов высокоразрешающих оптических систем была разработана компьютерная технология автоматизированного формообразования, которая охватывает задачи оптимизации технологических процессов производства такого вида оптических элементов, создания управляемого процесса формообразования оптических поверхностей на различных этапах обработки, в том числе миними-
зации технологических переходов и создания для этих целей нового класса оптического оборудования с компьютерным управлением всего технологического цикла.
Основной проблемой, которую предстояло разрешить при разработке компьютерной технологии производства высокоточной оптики, явилось создание управляемого процесса формообразования. Был создан парк компьютеризированных станков и фотоэлектрических интерференционных средств контроля, дающих возможность объективно оценивать состояние обрабатываемой поверхности на различных этапах шлифования, полирования и доводки и, тем самым, минимизировать время обработки при достижении требуемой точности [2].
Сущность компьютерной технологии производства высокоточной оптики
Схема компьютерной технологии производства высокоточной оптики проиллюстрирована на рис. 1. Основой являются созданная технологическая система автоматизированного формообразования (ТЕСАФ) и парк технологического, метрологического и станочного оборудования.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
3
Программа INT-to-TOP
Преобразование интерференционной картины в топографическую карту поверхности
обрабатываемой детали
Программы Адаптация, Mirror
Управляющие параметры для систем управления
приводами адаптивных зеркал. Функции отклика от воздействия
единичных факторов
Программа OSA
Вычисление оптимальных вариантов формообразования
осесимметричных деталей с применением полировального
инструмента
Программа автоматизированного формообразования ADK
КОМПЛЕКСНАЯ ПРОГРАММА ТЕСАФ
Программа моделирования техпроцесса MODEFOR
Программа ASTRO
Анализ конструктивных особенностей, условий крепления, расчет штатной системы разгрузки и базирования оптического элемента
Программа ION
Вычисление оптимальных вариантов формообразования
осесимметричных деталей с использованием ионного
источника
Рис. 1. Технологическая система автоматизированного формообразования (ТЕСАФ).
Программный пакет ТЕСАФ решает практически все технологические переходы производства высокоточной оптики, в том числе внеосевой (табл. 1) [3].
Конструктивные особенности, условия крепления и работы в штатных ситуациях изготавливаемого оптического элемента анализируются программным блоком ASTRO. Он определяет основные характеристики поверхности оптического элемента – среднеквадратическое отклонение формы поверхности и размах ошибки (P-V). Этот же программный блок определяет эффективность штатной системы разгрузки и базирования оптического элемента, при необходимости выдает рекомендации по изменению его конструктивных параметров. Он также вычисляет и оптимизирует параметры технологических систем стабилизации формы поверхности оптического элемента на всех технологических циклах его изготовления, включая операции кантования, подъема, внутрицеховой транспортировки.
Программным блоком АДАПТАЦИЯ выдаются параметры для систем управления привода-
ми адаптивных зеркал, определяются функции отклика от воздействия единичных факторов, таких как рассогласование опор, влияние массы полировальника, нагружение по периметру.
На основании данных программ ASTRO и АДАПТАЦИЯ выбираются вид системы разгрузки и стабилизации формы поверхности оптического элемента, количество точек разгрузки, их расположение. Определяется также система контроля формы поверхности: вертикальная, горизонтальная, комплексная.
При разработке компьютерной технологии одними из наиболее важных являются решения вопросов визуализации информации о состоянии формы поверхности и цифровая обработка изображения для получения объективных оценок. Для их решения наиболее эффективны методы интерферометрии, выходной информацией которых являются интерферограммы поверхностей обрабатываемых деталей и их топографические карты. Для обработки интерферограмм применяются программные блоки АDK, SDWIG, INT-to-Top.
4 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Таблица 1. Области применения разработанных технологических программ
Технологические проблемы
Программы
Решаемые задачи
оптимизация конструкции сложных систем
ASTRO-PLANK MIRROR
расчет деформаций оптических элементов от собственной массы, внешних нагрузок и термических воздействий
расчет облегчения конструкций оптических элементов,
расчет штатных систем разгрузки
выбор эффективных точек приложения усилий при адаптации
разработка вспомогательной технологической оснастки
ASTRO-PLANK MIRROR
расчет конструкций технологических оправ, имитирующих невесомость изделия при обработке и контроле
расчет конструкций технологических оправ обеспечивающих минимальные деформации изделий при изготовлении и контроле
расчет параметров заготовки
ADK
расчет конфигурации заготовки для изделий с асферическими поверхностями, в том числе внеосевых, с минимальным припуском
обработка результатов измерений формы поверхности контактными методами
ADK, RADIUS
преобразование данных сферометра, линейного сферометра и измерительных машин в топографическую карту (профиль) отклонений поверхности от требуемой сферы или асферики, в том числе внеосевой
обработка данных прямого интерференционного контроля обрабатываемой поверхности
ADK, INT-to-Top преобразование интерференционной картины в топографическую карту поверхности обрабатываемой детали
обработка данных косвенного SDWIG интерференционного контроля
реконструкция топографической карты поверхности по интерферограммам бокового сдвига
визуализация топографических ADK, TopDemo2 наглядное и разнообразное представление топографий
карт поверхности
обрабатываемой детали
расчет припуска для обработки
выбор инструмента для обработки поиск траектории инструмента при обработке изготовление маски
аттестация полученных поверхностей
адаптация
тестирование технологических программ
AD3, MSO
расчет припусков от поверхности сравнения, от требуемой асферической поверхности, в том числе внеосевой
ADK
рекомендует набор инструментов для выбранной детали из базы данных инструментов, в том числе ионных
ADK, MODEFOR
расчет траектории движения инструмента и ее оптимизация
MASKA
расчет конфигурации маски для доводки формы или асферизации оптической детали ионным пучком
ADK, TopDemo2, оценка параметров топографий полученных
MSO
поверхностей с выделением составляющих полиномов
и мелкоструктурной ошибки
ADA
расчет управляющих воздействий для коррекции формы поверхности оптической детали, в том числе в масштабе реального времени
TopMODEL
формирование контрольных исходных данных для проверки прикладных технологических программ
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
5
Одним из основных программных блоков технологического комплекса ТЕСАФ является блок АDK, анализирующий параметры обрабатываемой поверхности, технологические коэффициенты, виды обработки, эффективность технологического процесса. Он формирует управляющую программу обработки поверхности и прогнозирует ее характер в режиме реального времени с выдачей основных параметров на основе математической модели, которая реализуется в дальнейшем сеансе обработки.
Данные управляющей программы адресуются в автоматизированные системы формообразования – станки серии АПД (автоматизиро-
ванные полировально-доводочные), осуществляющие абразивное воздействие на обрабатываемую поверхность – шлифование и полирование.
Компьютеризированный технологический процесс предусматривает один или несколько замкнутых циклов обработки, в каждом из которых присутствует обратная связь по технологическим параметрам (давлению, скоростям, технологическому коэффициенту, времени и температуре), определенным анализом параметров реально полученной и прогнозируемой поверхностей. Это позволяет минимизировать функции рассогласования реального процесса и его математической модели (рис. 2).
Математическая модель техпроцесса
Реализуемый техпроцесс
ADK Программный блок обратной связи
(dP, dV, dK, dT)
Прогнозируемая поверхность ( прогн)
Рассогласование ( рассогл)
Реально полученная поверхность ( реал)
Эффективность техпроцесса по критерию СКО
Рис. 2. Циклы минимизации функции рассогласования реального процесса обработки и его математической модели.
6 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Формообразование поверхности заканчивается при достижении заданных параметров рабочей поверхности σ, P-V, номинальных характеристик σном, (P-V)ном.
Автоматизированные доводочные станки для реализации
компьютерных технологий
Станки серии АПД осуществляют доводку формы любых монотонных оптических деталей как пологих (малоапертурных) на станках АПД-1000, АПД-2000, АПД-4000 (с крутизной не более 20°), так и крутых (высокоапертурных) – на станках АПД-250, АПД-500, АПД-600 (с крутизной не более 45°). Автоматизированное формообразование осуществляется инструментами, совершающими плоско-параллельное круговое движение, перемещаемыми по обрабатываемой поверхности в соответствии с программой, задающей скорость этого перемещения и его траекторию в прямоугольной или полярной системе координат. За работу станков отвечают управляющие вычислительные комплексы, которые не только осуществляют расчет программы обработки, но и управляют приводами станков.
Конструктивно станки АПД-1000, АПД1000В, АПД-2000 и АПД-4000 однотипны, построены по блочной схеме и выполнены в виде портала, перемещаемого по двум балкам станины над рабочей поверхностью стола. Пер-
пендикулярно движению портала передвигается каретка, несущая пиноль со шпинделем. Пиноль обеспечивает вертикальное движение шпинделя с закрепленной на нем насадкой, предназначенной для сообщения осциллирующего движения полировальнику и нагружения его в процессе обработки. Кроме того, на станках АПД-1000В установлены поворотные столы. В отличие от перечисленных, станки АПД-250 и АПД-600 оснащены наклонноповоротными столами.
Принятые компоновки станков АПД-1000, АПД-2000, АПД-4000 позволяют вести обработку детали в прямоугольной 3-х координатной системе, в станках же АПД-250 и АПД-600 помимо прямоугольной можно использовать и полярную систему. Кроме того, наклонноповоротные столы станков АПД-250 и АПД-600 обеспечивают возможность обработки деталей с большой крутизной рабочей поверхности. Все станки оснащены автоматической системой управления на базе промышленного компьютера модели AWS-825.
Конструктивная схема станков АПД-1000 и АПД-2000 разработана с условием обеспечения их максимальной унификации. Станки выполнены по блочно-модульной структурной схеме, достаточно не сложны в изготовлении и отличаются, главным образом, качественными характеристиками. Технические характеристики станков приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики станков
Модели станков
Характеристика
АД-250
АПД-500
АПД-600
АПД-1000, АПД-1000В
АПД-2000 АПД-4000
наружный диаметр обрабатываемой
250
500
600
1000
2000
4000
детали не более, мм
частота вращения шпинделя, об/мин 4–1000 5–250 5–250
5–250
4–200
4–200
Наибольший ход по координатам
X, мм
330 750 750
1000
2000
4000
Y, мм
250 800 800
1100
2100
5000
Z, мм
140 130 300 135 135 300
B, град
90 45 45
—
——
C, град
360 360 360
—
амплитуда осцилляции, мм
17,5
35
35
35
сила прижима инструмента, Н
0,2–24,4 4–250 4–250
4–370
устройство ЧПУ, тип
AWS-825
Габариты станка без шкафов управления, мм
— 35 4–370
— 75 98–2450
длина ширина высота площадь, занимаемая станком, м2 масса, кг
950 930 1750 3,2 600
2100 1900 2300 8,0 2000
2100 1900 2200 8,0 1900
2800 2200 2100
12 2500
4000 3400 2100
22 4000
7750 7500 4300
54 15 000
Примечание. B – наклон стола, С – вращение стола, ЧПУ – числовое программное управление.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
7
Парк интерференционных средств контроля
Важнейшим элементом разработанного технологического комплекса автоматизированного формообразования являются средства объективного контроля состояния формы обрабатываемой поверхности на всех технологических стадиях ее обработки, позволяющие исключить влияние человеческого фактора на качество изготовления оптической детали. Посредством их возможно получение функций откликов контролируемой поверхности при любых воздействиях на оптическую деталь, таких как технологическая обработка поверхности, условия базирования, способы транспортировки и воздействие элементов системы адаптации. На основании получаемой информации определяется эффективность проводимой технологической операции и формируются команды-сигналы обратной связи для коррекции технологического процесса или команды на его завершение.
Основными требованиями, предъявляемыми к средствам контроля состояния формы поверхности, являются получение и визуализация информации по всей площади контролируемой поверхности, возможность фиксации получен-
ной видеоинформации, автоматизированная обработка информации для получения топографической карты поверхности и возможность обработки информации в режиме реального времени. Область применения и особенности разработанных интерферометров приведены на рис. 3, а их основные технические характеристики – в табл. 3.
Особенности интерферометров
Интерферометр ИКИ (инфракрасный интерферометр). Интерферометр имеет два встроенных источника излучения: He-Ne-лазер (λ = = 0,6328 мкм) для юстировки оптической системы и СО2-лазер (λ = 10,6 мкм). Особенно эффективно применение данного прибора при асферизации оптических поверхностей шлифованием до значений асферичности 50 мкм. Погрешность измерения – не более λ/20 (0,5 мкм).
Интерферометр ИНТЕРС (интерферометр сдвига). Основным достоинством данного прибора является его высокая защищенность от вибраций за счет изменения бокового сдвига волновых фронтов. Интерференционная картина регистрируется телевизионной камерой на матрице ПЗС с выходом на монитор и на пер-
Интерференция с опорным волновым
фронтом в инфракрасном диапазоне излучения
Интерференция бокового сдвига
Интерференция с опорным волновым
фронтом
Интерференция радиального сдвига
ИКИ (ИК интерферометр)
= 10,6 мкм
ИНТЕРС (интерферометр бокового сдвига)
= 0,6328 мкм
ПИКА (фотоэлектрический
интерферометр с амплитудной регистрацией
интерференционной картины)
= 0,6328 мкм
ИФК-1 (фотоэлектрический интерферометр с фазовой
регистрацией интерференцонной
картины)
= 0,6328 мкм
Шлифованные поверхности
(технологический контроль на стадиях предварительной
обработки)
Полированные поверхности
(технологический контроль на начальных стадиях формообразования)
Полированные поверхности
(технологический контроль на стадиях доводки)
Полированные поверхности
(аттестационный контроль)
Рис. 3. Обеспечение интерферометрическими средствами контроля технологических стадий формообразования.
8 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Таблица 3. Технические характеристики разработанных интерферометров
Тип интерферометра
ИКИ
ИНТЕРС
ПИКА
ИФК
диапазон относительных отверстий рабочей ветви
1:2,5
1:3
от 1:11 до 1:1,15
от 1:11 до 1:2
длина волны излучения источника, мкм
10,6
0,6328
0,6328
0,6328
режим работы
с опорным волновым фронтом
боковой сдвиг с опорным волновым
волновых
фронтом, в том числе
фронтов с корректорами волнового
фронта
радиальный сдвиг, в том числе
с корректорами волнового фронта
метод регистрации
амплитудный амплитудный
интерференционной картины
амплитудный
фазовый
погрешность контроля ((P-V)/σ), мкм
0,5/0,09
от 15/2,5 до 0,06/0,01
0,03/0,005
0,015/0,0025
сональный компьютер через систему технического зрения. Основная область использования прибора – контроль формы асферических поверхностей вплоть до значений асферичности 300 мкм с погрешностью не более 5% от измеряемой величины.
Интерферометр ПИКА (прибор интерференционного контроля асферики) работает в неравноплечем режиме с опорным волновым фронтом по схеме Тваймана–Грина. В рабочей ветви прибора могут быть размещены сменные объективы с относительными отверстиями от 1:11 до 1:1,15 в зависимости от параметров контролируемых поверхностей, а также корректоры волновых фронтов при контроле асферических поверхностей.
Регистрация интерференционной картины осуществляется специальной телевизионной камерой на матрице ПЗС с регулируемым временем экспозиции, которая имеет выход через электронный процессор на монитор и персональный компьютер. Процессор обеспечивает определение координат экстремумов интерференционных полос, а программное обеспечение – построение топографической карты контролируемой поверхности с погрешностью не хуже λ/20 (около 0,03 мкм).
Интерферометр ИФК-1 (интерферометрический фазовый комплекс). Прибор работает в режиме радиального сдвига волновых фронтов. В одной из ветвей интерферометра осуществляется гармоническая модуляция фазы волнового фронта, а регистрация интерференционной картины обеспечивается фотодиодной матри-
цей, информация с которой в виде изображения интерферограммы выводится через электронный процессор на монитор и в виде массива значений дробных порядков интерференции в точках с известными координатами – в персональный компьютер.
Использование режима радиального сдвига волновых фронтов (его достоинство – высокая помехозащищенность от вибраций) в совокупности с фазовым методом регистрации интерферограмм (высокая помехозащищенность от оптических шумов) обеспечивают данному прибору погрешность не более λ/100, что особенно важно для аттестационного контроля.
Заключение
Разработанные компьютеризированная технология и система автоматизированного формообразования высокоточной оптики позволили повысить точность обработки плоских, сферических и асферических, в том числе внеосевых поверхностей оптических деталей, до дифракционного предела разрешения оптической системы. Эта технология позволяет выполнять обработку поверхностей оптических деталей с облегченной структурой, поверхностей тонких и сверхтонких зеркал, зеркал с некруглой конфигурацией внешнего периметра, что было невозможно при ранее существовавшей технологии, основанной на интуиции высококвалифицированного рабочего-оптика и ручной ретуши.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
9
(а) (б)
(в)
(г)
(д)
Рраизсл. и4.чТноочгноодситаьмфеотррмаы. а⎜⎜⎝⎛⎜–σσô∅íàîê2ìò0. ⎟⎟⎟⎟⎞⎠0дмлмя,длλиλ/н/33ы50,в7о,лбны–
0,6328 мкм зеркал ∅300 мм, λλ//4320,2,
в – ∅400 мм,
λ/30 λ/52,6
,
г – ∅500 мм,
λ/30 λ/46,9
,
д – ∅1500 мм,
λ/30 λ/40
.
СКО, мкм
1,666 1,6
1,4 1,412
1,2 1,1128
1,0
0,829 0,8
0,6 0,55
0,445 0,4
0,253
0,2
0,1898
0,144
0,0813 0,04
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Номер сеанса обработки
Рис. 5. Динамика процесса формообразования параболического зеркала диаметром 1000 мм.
0,016 11
В период с 2004 по 2010 гг. с применением разработанной технологии было изготовлено порядка 160 зеркал различных типоразмеров диаметром от 50 мм до 1600 мм, преимущественно асферических и внеосевых [4].
На рис. 4 в качестве примера показаны результаты обработки зеркал различного диаметра с фактически достигнутыми параметрами, а на рис. 5 приведен пример динамики процесса формообразования параболического зеркала диаметром 1 м.
10 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Возможности разработанной технологии автоматизированного формообразования позволяют производить высокоточные оптические элементы для оптико-электронных систем самого различного назначения, повысить качество и конкурентоспособность выпускаемых в России оптико-электронных изделий на мировом рынке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. Cправочник технолога-оптика. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.
2. Савельев А.С., Горшков В.А. Способ формообразования поверхностей крупногабаритных оптических деталей малым инструментом // Патент России № 2111106. 1998.
3. Горшков В.А., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Программное моделирование и управление процессами автоматизированного формообразования и асферизации осесимметричных поверхностей оптических деталей // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 5. С. 25.
4. Горшков A.В., Корнеев Н.Г., Лямин Ю.Б., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Изготовление осесимметричных асферических оптических поверхностей на станке АФ-90 // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 10. С. 48.
Подобрянский Анатолий Викторович окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана в 1965 г., кандидат технических наук (1968), старший научный сотрудник (1984), доцент (1989), заслуженный машиностроитель РСФСР, лауреат премии Государственного комитета оборонной промышленности России, лауреат премии Правительства РФ за разработку технологии производства крупногабаритной оптики (2010), председатель правления московского регионального отделения оптического общества им. Д.С. Рождественского, генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия “Научно-производственное объединение “Оптика”.
Область научных интересов: научные исследования в области создания автоматизированных систем управления сборочными процессами оптико-электронных систем гражданского и двойного назначения, а также систем управления формообразования оптических поверхностей. Автор и соавтор более 100 печатных научных работ (в том числе учебников) и изобретений.
Горшков Владимир Алексеевич окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана в 1969 г., кандидат технических наук (1980), лауреат премии Совета Министров СССР (1982), лауреат премии Правительства РФ (2010), заслуженный технолог Российской Федерации (1993), член редколлегии “Оптического журнала”, награжден медалью С.А. Зверева (2004), заместитель генерального директора, начальник отделения Федерального государственного унитарного предприятия “Научно-производственное объединение “Оптика”.
Область научных интересов: интерферометрический контроль формы оптических поверхностей, создание метрологических средств контроля качества оптических поверхностей в различных областях спектра, научные исследования механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей оптических деталей и покрытий. Автор и соавтор более 40 печатных научных работ и 30 изобретений.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
11
УДК 681.7.023.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
© 2011 г. В. А. Горшков, канд. техн. наук; А. В. Подобрянский, канд. техн. наук
Научно-производственное объединение “Оптика”, Москва
E-mail: optikal@npooptica.ru
В научно-производственном объединении “Оптика” (НПО “Оптика”) разработан технологический автоматизированный комплекс для формообразования высокоточных оптических поверхностей (плоских, сферических, асферических, внеосевых).
Описывается состав комплекса, приведены технологические характеристики, результаты работ на комплексе, перспективы его дальнейшего развития.
Ключевые слова: высокоточная оптика, технологический комплекс, автоматизированное формообразование поверхности, компьютерная технология, станочное оборудование, метрологическое оборудование.
Коды OCIS: 220.4610
Поступила в редакцию 25.10.2010
От оптических систем наземного, воздушного и космического базирования, для исследований космического пространства, глобального мониторинга поверхности Земли и состояния ее атмосферы требуется высокое качество формирования изображения исследуемого объекта.
Диапазон габаритных размеров оптических компонентов указанных систем 300–10 000 мм, а требования к качеству формы поверхности по критерию среднеквадратического отклонения σско = λ/30 – λ/60 (λ = 0,6328 мкм). Для получения требуемых выходных параметров оптической системы в настоящее время используют высокоапертурные оптические элементы сферической, плоской, асферической (осевые и внеосевые) форм, в том числе адаптивные с различной конфигурацией наружного периметра (многогранники) [1].
Для производства компонентов высокоразрешающих оптических систем была разработана компьютерная технология автоматизированного формообразования, которая охватывает задачи оптимизации технологических процессов производства такого вида оптических элементов, создания управляемого процесса формообразования оптических поверхностей на различных этапах обработки, в том числе миними-
зации технологических переходов и создания для этих целей нового класса оптического оборудования с компьютерным управлением всего технологического цикла.
Основной проблемой, которую предстояло разрешить при разработке компьютерной технологии производства высокоточной оптики, явилось создание управляемого процесса формообразования. Был создан парк компьютеризированных станков и фотоэлектрических интерференционных средств контроля, дающих возможность объективно оценивать состояние обрабатываемой поверхности на различных этапах шлифования, полирования и доводки и, тем самым, минимизировать время обработки при достижении требуемой точности [2].
Сущность компьютерной технологии производства высокоточной оптики
Схема компьютерной технологии производства высокоточной оптики проиллюстрирована на рис. 1. Основой являются созданная технологическая система автоматизированного формообразования (ТЕСАФ) и парк технологического, метрологического и станочного оборудования.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
3
Программа INT-to-TOP
Преобразование интерференционной картины в топографическую карту поверхности
обрабатываемой детали
Программы Адаптация, Mirror
Управляющие параметры для систем управления
приводами адаптивных зеркал. Функции отклика от воздействия
единичных факторов
Программа OSA
Вычисление оптимальных вариантов формообразования
осесимметричных деталей с применением полировального
инструмента
Программа автоматизированного формообразования ADK
КОМПЛЕКСНАЯ ПРОГРАММА ТЕСАФ
Программа моделирования техпроцесса MODEFOR
Программа ASTRO
Анализ конструктивных особенностей, условий крепления, расчет штатной системы разгрузки и базирования оптического элемента
Программа ION
Вычисление оптимальных вариантов формообразования
осесимметричных деталей с использованием ионного
источника
Рис. 1. Технологическая система автоматизированного формообразования (ТЕСАФ).
Программный пакет ТЕСАФ решает практически все технологические переходы производства высокоточной оптики, в том числе внеосевой (табл. 1) [3].
Конструктивные особенности, условия крепления и работы в штатных ситуациях изготавливаемого оптического элемента анализируются программным блоком ASTRO. Он определяет основные характеристики поверхности оптического элемента – среднеквадратическое отклонение формы поверхности и размах ошибки (P-V). Этот же программный блок определяет эффективность штатной системы разгрузки и базирования оптического элемента, при необходимости выдает рекомендации по изменению его конструктивных параметров. Он также вычисляет и оптимизирует параметры технологических систем стабилизации формы поверхности оптического элемента на всех технологических циклах его изготовления, включая операции кантования, подъема, внутрицеховой транспортировки.
Программным блоком АДАПТАЦИЯ выдаются параметры для систем управления привода-
ми адаптивных зеркал, определяются функции отклика от воздействия единичных факторов, таких как рассогласование опор, влияние массы полировальника, нагружение по периметру.
На основании данных программ ASTRO и АДАПТАЦИЯ выбираются вид системы разгрузки и стабилизации формы поверхности оптического элемента, количество точек разгрузки, их расположение. Определяется также система контроля формы поверхности: вертикальная, горизонтальная, комплексная.
При разработке компьютерной технологии одними из наиболее важных являются решения вопросов визуализации информации о состоянии формы поверхности и цифровая обработка изображения для получения объективных оценок. Для их решения наиболее эффективны методы интерферометрии, выходной информацией которых являются интерферограммы поверхностей обрабатываемых деталей и их топографические карты. Для обработки интерферограмм применяются программные блоки АDK, SDWIG, INT-to-Top.
4 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Таблица 1. Области применения разработанных технологических программ
Технологические проблемы
Программы
Решаемые задачи
оптимизация конструкции сложных систем
ASTRO-PLANK MIRROR
расчет деформаций оптических элементов от собственной массы, внешних нагрузок и термических воздействий
расчет облегчения конструкций оптических элементов,
расчет штатных систем разгрузки
выбор эффективных точек приложения усилий при адаптации
разработка вспомогательной технологической оснастки
ASTRO-PLANK MIRROR
расчет конструкций технологических оправ, имитирующих невесомость изделия при обработке и контроле
расчет конструкций технологических оправ обеспечивающих минимальные деформации изделий при изготовлении и контроле
расчет параметров заготовки
ADK
расчет конфигурации заготовки для изделий с асферическими поверхностями, в том числе внеосевых, с минимальным припуском
обработка результатов измерений формы поверхности контактными методами
ADK, RADIUS
преобразование данных сферометра, линейного сферометра и измерительных машин в топографическую карту (профиль) отклонений поверхности от требуемой сферы или асферики, в том числе внеосевой
обработка данных прямого интерференционного контроля обрабатываемой поверхности
ADK, INT-to-Top преобразование интерференционной картины в топографическую карту поверхности обрабатываемой детали
обработка данных косвенного SDWIG интерференционного контроля
реконструкция топографической карты поверхности по интерферограммам бокового сдвига
визуализация топографических ADK, TopDemo2 наглядное и разнообразное представление топографий
карт поверхности
обрабатываемой детали
расчет припуска для обработки
выбор инструмента для обработки поиск траектории инструмента при обработке изготовление маски
аттестация полученных поверхностей
адаптация
тестирование технологических программ
AD3, MSO
расчет припусков от поверхности сравнения, от требуемой асферической поверхности, в том числе внеосевой
ADK
рекомендует набор инструментов для выбранной детали из базы данных инструментов, в том числе ионных
ADK, MODEFOR
расчет траектории движения инструмента и ее оптимизация
MASKA
расчет конфигурации маски для доводки формы или асферизации оптической детали ионным пучком
ADK, TopDemo2, оценка параметров топографий полученных
MSO
поверхностей с выделением составляющих полиномов
и мелкоструктурной ошибки
ADA
расчет управляющих воздействий для коррекции формы поверхности оптической детали, в том числе в масштабе реального времени
TopMODEL
формирование контрольных исходных данных для проверки прикладных технологических программ
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
5
Одним из основных программных блоков технологического комплекса ТЕСАФ является блок АDK, анализирующий параметры обрабатываемой поверхности, технологические коэффициенты, виды обработки, эффективность технологического процесса. Он формирует управляющую программу обработки поверхности и прогнозирует ее характер в режиме реального времени с выдачей основных параметров на основе математической модели, которая реализуется в дальнейшем сеансе обработки.
Данные управляющей программы адресуются в автоматизированные системы формообразования – станки серии АПД (автоматизиро-
ванные полировально-доводочные), осуществляющие абразивное воздействие на обрабатываемую поверхность – шлифование и полирование.
Компьютеризированный технологический процесс предусматривает один или несколько замкнутых циклов обработки, в каждом из которых присутствует обратная связь по технологическим параметрам (давлению, скоростям, технологическому коэффициенту, времени и температуре), определенным анализом параметров реально полученной и прогнозируемой поверхностей. Это позволяет минимизировать функции рассогласования реального процесса и его математической модели (рис. 2).
Математическая модель техпроцесса
Реализуемый техпроцесс
ADK Программный блок обратной связи
(dP, dV, dK, dT)
Прогнозируемая поверхность ( прогн)
Рассогласование ( рассогл)
Реально полученная поверхность ( реал)
Эффективность техпроцесса по критерию СКО
Рис. 2. Циклы минимизации функции рассогласования реального процесса обработки и его математической модели.
6 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Формообразование поверхности заканчивается при достижении заданных параметров рабочей поверхности σ, P-V, номинальных характеристик σном, (P-V)ном.
Автоматизированные доводочные станки для реализации
компьютерных технологий
Станки серии АПД осуществляют доводку формы любых монотонных оптических деталей как пологих (малоапертурных) на станках АПД-1000, АПД-2000, АПД-4000 (с крутизной не более 20°), так и крутых (высокоапертурных) – на станках АПД-250, АПД-500, АПД-600 (с крутизной не более 45°). Автоматизированное формообразование осуществляется инструментами, совершающими плоско-параллельное круговое движение, перемещаемыми по обрабатываемой поверхности в соответствии с программой, задающей скорость этого перемещения и его траекторию в прямоугольной или полярной системе координат. За работу станков отвечают управляющие вычислительные комплексы, которые не только осуществляют расчет программы обработки, но и управляют приводами станков.
Конструктивно станки АПД-1000, АПД1000В, АПД-2000 и АПД-4000 однотипны, построены по блочной схеме и выполнены в виде портала, перемещаемого по двум балкам станины над рабочей поверхностью стола. Пер-
пендикулярно движению портала передвигается каретка, несущая пиноль со шпинделем. Пиноль обеспечивает вертикальное движение шпинделя с закрепленной на нем насадкой, предназначенной для сообщения осциллирующего движения полировальнику и нагружения его в процессе обработки. Кроме того, на станках АПД-1000В установлены поворотные столы. В отличие от перечисленных, станки АПД-250 и АПД-600 оснащены наклонноповоротными столами.
Принятые компоновки станков АПД-1000, АПД-2000, АПД-4000 позволяют вести обработку детали в прямоугольной 3-х координатной системе, в станках же АПД-250 и АПД-600 помимо прямоугольной можно использовать и полярную систему. Кроме того, наклонноповоротные столы станков АПД-250 и АПД-600 обеспечивают возможность обработки деталей с большой крутизной рабочей поверхности. Все станки оснащены автоматической системой управления на базе промышленного компьютера модели AWS-825.
Конструктивная схема станков АПД-1000 и АПД-2000 разработана с условием обеспечения их максимальной унификации. Станки выполнены по блочно-модульной структурной схеме, достаточно не сложны в изготовлении и отличаются, главным образом, качественными характеристиками. Технические характеристики станков приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики станков
Модели станков
Характеристика
АД-250
АПД-500
АПД-600
АПД-1000, АПД-1000В
АПД-2000 АПД-4000
наружный диаметр обрабатываемой
250
500
600
1000
2000
4000
детали не более, мм
частота вращения шпинделя, об/мин 4–1000 5–250 5–250
5–250
4–200
4–200
Наибольший ход по координатам
X, мм
330 750 750
1000
2000
4000
Y, мм
250 800 800
1100
2100
5000
Z, мм
140 130 300 135 135 300
B, град
90 45 45
—
——
C, град
360 360 360
—
амплитуда осцилляции, мм
17,5
35
35
35
сила прижима инструмента, Н
0,2–24,4 4–250 4–250
4–370
устройство ЧПУ, тип
AWS-825
Габариты станка без шкафов управления, мм
— 35 4–370
— 75 98–2450
длина ширина высота площадь, занимаемая станком, м2 масса, кг
950 930 1750 3,2 600
2100 1900 2300 8,0 2000
2100 1900 2200 8,0 1900
2800 2200 2100
12 2500
4000 3400 2100
22 4000
7750 7500 4300
54 15 000
Примечание. B – наклон стола, С – вращение стола, ЧПУ – числовое программное управление.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
7
Парк интерференционных средств контроля
Важнейшим элементом разработанного технологического комплекса автоматизированного формообразования являются средства объективного контроля состояния формы обрабатываемой поверхности на всех технологических стадиях ее обработки, позволяющие исключить влияние человеческого фактора на качество изготовления оптической детали. Посредством их возможно получение функций откликов контролируемой поверхности при любых воздействиях на оптическую деталь, таких как технологическая обработка поверхности, условия базирования, способы транспортировки и воздействие элементов системы адаптации. На основании получаемой информации определяется эффективность проводимой технологической операции и формируются команды-сигналы обратной связи для коррекции технологического процесса или команды на его завершение.
Основными требованиями, предъявляемыми к средствам контроля состояния формы поверхности, являются получение и визуализация информации по всей площади контролируемой поверхности, возможность фиксации получен-
ной видеоинформации, автоматизированная обработка информации для получения топографической карты поверхности и возможность обработки информации в режиме реального времени. Область применения и особенности разработанных интерферометров приведены на рис. 3, а их основные технические характеристики – в табл. 3.
Особенности интерферометров
Интерферометр ИКИ (инфракрасный интерферометр). Интерферометр имеет два встроенных источника излучения: He-Ne-лазер (λ = = 0,6328 мкм) для юстировки оптической системы и СО2-лазер (λ = 10,6 мкм). Особенно эффективно применение данного прибора при асферизации оптических поверхностей шлифованием до значений асферичности 50 мкм. Погрешность измерения – не более λ/20 (0,5 мкм).
Интерферометр ИНТЕРС (интерферометр сдвига). Основным достоинством данного прибора является его высокая защищенность от вибраций за счет изменения бокового сдвига волновых фронтов. Интерференционная картина регистрируется телевизионной камерой на матрице ПЗС с выходом на монитор и на пер-
Интерференция с опорным волновым
фронтом в инфракрасном диапазоне излучения
Интерференция бокового сдвига
Интерференция с опорным волновым
фронтом
Интерференция радиального сдвига
ИКИ (ИК интерферометр)
= 10,6 мкм
ИНТЕРС (интерферометр бокового сдвига)
= 0,6328 мкм
ПИКА (фотоэлектрический
интерферометр с амплитудной регистрацией
интерференционной картины)
= 0,6328 мкм
ИФК-1 (фотоэлектрический интерферометр с фазовой
регистрацией интерференцонной
картины)
= 0,6328 мкм
Шлифованные поверхности
(технологический контроль на стадиях предварительной
обработки)
Полированные поверхности
(технологический контроль на начальных стадиях формообразования)
Полированные поверхности
(технологический контроль на стадиях доводки)
Полированные поверхности
(аттестационный контроль)
Рис. 3. Обеспечение интерферометрическими средствами контроля технологических стадий формообразования.
8 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Таблица 3. Технические характеристики разработанных интерферометров
Тип интерферометра
ИКИ
ИНТЕРС
ПИКА
ИФК
диапазон относительных отверстий рабочей ветви
1:2,5
1:3
от 1:11 до 1:1,15
от 1:11 до 1:2
длина волны излучения источника, мкм
10,6
0,6328
0,6328
0,6328
режим работы
с опорным волновым фронтом
боковой сдвиг с опорным волновым
волновых
фронтом, в том числе
фронтов с корректорами волнового
фронта
радиальный сдвиг, в том числе
с корректорами волнового фронта
метод регистрации
амплитудный амплитудный
интерференционной картины
амплитудный
фазовый
погрешность контроля ((P-V)/σ), мкм
0,5/0,09
от 15/2,5 до 0,06/0,01
0,03/0,005
0,015/0,0025
сональный компьютер через систему технического зрения. Основная область использования прибора – контроль формы асферических поверхностей вплоть до значений асферичности 300 мкм с погрешностью не более 5% от измеряемой величины.
Интерферометр ПИКА (прибор интерференционного контроля асферики) работает в неравноплечем режиме с опорным волновым фронтом по схеме Тваймана–Грина. В рабочей ветви прибора могут быть размещены сменные объективы с относительными отверстиями от 1:11 до 1:1,15 в зависимости от параметров контролируемых поверхностей, а также корректоры волновых фронтов при контроле асферических поверхностей.
Регистрация интерференционной картины осуществляется специальной телевизионной камерой на матрице ПЗС с регулируемым временем экспозиции, которая имеет выход через электронный процессор на монитор и персональный компьютер. Процессор обеспечивает определение координат экстремумов интерференционных полос, а программное обеспечение – построение топографической карты контролируемой поверхности с погрешностью не хуже λ/20 (около 0,03 мкм).
Интерферометр ИФК-1 (интерферометрический фазовый комплекс). Прибор работает в режиме радиального сдвига волновых фронтов. В одной из ветвей интерферометра осуществляется гармоническая модуляция фазы волнового фронта, а регистрация интерференционной картины обеспечивается фотодиодной матри-
цей, информация с которой в виде изображения интерферограммы выводится через электронный процессор на монитор и в виде массива значений дробных порядков интерференции в точках с известными координатами – в персональный компьютер.
Использование режима радиального сдвига волновых фронтов (его достоинство – высокая помехозащищенность от вибраций) в совокупности с фазовым методом регистрации интерферограмм (высокая помехозащищенность от оптических шумов) обеспечивают данному прибору погрешность не более λ/100, что особенно важно для аттестационного контроля.
Заключение
Разработанные компьютеризированная технология и система автоматизированного формообразования высокоточной оптики позволили повысить точность обработки плоских, сферических и асферических, в том числе внеосевых поверхностей оптических деталей, до дифракционного предела разрешения оптической системы. Эта технология позволяет выполнять обработку поверхностей оптических деталей с облегченной структурой, поверхностей тонких и сверхтонких зеркал, зеркал с некруглой конфигурацией внешнего периметра, что было невозможно при ранее существовавшей технологии, основанной на интуиции высококвалифицированного рабочего-оптика и ручной ретуши.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
9
(а) (б)
(в)
(г)
(д)
Рраизсл. и4.чТноочгноодситаьмфеотррмаы. а⎜⎜⎝⎛⎜–σσô∅íàîê2ìò0. ⎟⎟⎟⎟⎞⎠0дмлмя,длλиλ/н/33ы50,в7о,лбны–
0,6328 мкм зеркал ∅300 мм, λλ//4320,2,
в – ∅400 мм,
λ/30 λ/52,6
,
г – ∅500 мм,
λ/30 λ/46,9
,
д – ∅1500 мм,
λ/30 λ/40
.
СКО, мкм
1,666 1,6
1,4 1,412
1,2 1,1128
1,0
0,829 0,8
0,6 0,55
0,445 0,4
0,253
0,2
0,1898
0,144
0,0813 0,04
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Номер сеанса обработки
Рис. 5. Динамика процесса формообразования параболического зеркала диаметром 1000 мм.
0,016 11
В период с 2004 по 2010 гг. с применением разработанной технологии было изготовлено порядка 160 зеркал различных типоразмеров диаметром от 50 мм до 1600 мм, преимущественно асферических и внеосевых [4].
На рис. 4 в качестве примера показаны результаты обработки зеркал различного диаметра с фактически достигнутыми параметрами, а на рис. 5 приведен пример динамики процесса формообразования параболического зеркала диаметром 1 м.
10 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Возможности разработанной технологии автоматизированного формообразования позволяют производить высокоточные оптические элементы для оптико-электронных систем самого различного назначения, повысить качество и конкурентоспособность выпускаемых в России оптико-электронных изделий на мировом рынке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Окатов М.А., Антонов Э.А., Байгожин А. Cправочник технолога-оптика. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.
2. Савельев А.С., Горшков В.А. Способ формообразования поверхностей крупногабаритных оптических деталей малым инструментом // Патент России № 2111106. 1998.
3. Горшков В.А., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Программное моделирование и управление процессами автоматизированного формообразования и асферизации осесимметричных поверхностей оптических деталей // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 5. С. 25.
4. Горшков A.В., Корнеев Н.Г., Лямин Ю.Б., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Изготовление осесимметричных асферических оптических поверхностей на станке АФ-90 // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 10. С. 48.
Подобрянский Анатолий Викторович окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана в 1965 г., кандидат технических наук (1968), старший научный сотрудник (1984), доцент (1989), заслуженный машиностроитель РСФСР, лауреат премии Государственного комитета оборонной промышленности России, лауреат премии Правительства РФ за разработку технологии производства крупногабаритной оптики (2010), председатель правления московского регионального отделения оптического общества им. Д.С. Рождественского, генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия “Научно-производственное объединение “Оптика”.
Область научных интересов: научные исследования в области создания автоматизированных систем управления сборочными процессами оптико-электронных систем гражданского и двойного назначения, а также систем управления формообразования оптических поверхностей. Автор и соавтор более 100 печатных научных работ (в том числе учебников) и изобретений.
Горшков Владимир Алексеевич окончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана в 1969 г., кандидат технических наук (1980), лауреат премии Совета Министров СССР (1982), лауреат премии Правительства РФ (2010), заслуженный технолог Российской Федерации (1993), член редколлегии “Оптического журнала”, награжден медалью С.А. Зверева (2004), заместитель генерального директора, начальник отделения Федерального государственного унитарного предприятия “Научно-производственное объединение “Оптика”.
Область научных интересов: интерферометрический контроль формы оптических поверхностей, создание метрологических средств контроля качества оптических поверхностей в различных областях спектра, научные исследования механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей оптических деталей и покрытий. Автор и соавтор более 40 печатных научных работ и 30 изобретений.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
11