加工非轴对称光学组件

现有的单点钻石转弯机可以制造复杂的异常光学表面。但是，机床将这些表面限制为革命的表面。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。

Researchers have carried out a limited amount of work for machining non-axisymmetric components using conventional and diamond tools. Spivey S. Douglass recorded some of the first attempts at diamond machining of non-axisymmetric surfaces in his Ph.D. thesis 'A Machining System for Turning Nonaxisymmetric Surfaces'. However, he faced issues with the tool actuator and control system that prevented the generation of optical quality surfaces.

在“钻石转弯的波前校正器”中，应用光学元件。25，Meinel等人在使用压电执行器加工相校正板的同时，成功取得了令人满意的结果。

In thetraditional machining realm，Tsao和Tomizuka的研究，标题为“非圆形加工的自适应和重复的数字控制算法”，在1988年亚特兰大的美国控制会议会议会议上提出，使非圆形圆柱形零件的加工成功。

This article details how non-axisymmetric optical surfaces, which are off-axis segments of larger optics, can be single-point diamond turned. These segments can be deployed as off-axis mirrors, or as segments making up a larger on-axis mirror. The 10 m Keck telescope — a joint project of the University of California and the California Institute of Technology — is an example of the latter.

本文解释了细分几何形状，并提供了一个示例，以显示一些主要的实现细节。

非轴对称几何形状

革命的一般圆锥是该项目中考虑的家长视线。之所以选择这是因为已知外轴段表面的封闭形式描述，并且可以形成以使其可以通过高速控制器实时实现。重要的是要了解实施细节在开发此加工系统时需要在所有步骤中考虑实施细节。

圆柱坐标中的离轴圆锥段的表面由以下方程式下降：

（1）

where z₃是sagitta，是ρ是段中心的半径，F是段周围的角位置和D_一世s是母体视线的函数和片段与父轴的距离。

Gerchman在“对非轴对称表面产生的非轴圆锥表面的描述”中给出了该方程式的全面开发以及完整的表面描述，SPIE会议记录。1266。

执行

这非轴对称的加工当X和Z轴的运动与工具伺服器协调时，可以实现片段表面，此处指定为z轴。由于片段旋转是由机轴执行的，基于测量的主轴位置，因此会生成工具伺服运动。可以通过分离z和z'运动来获得适当的段表面，以便方程1描述所得表面。这可以通过将方程分为φ-和ρ- 依赖性，另一个是ρ- 依赖性。

使这种分裂的合适方法，使Z'运动被最小化，正在预测每个的X和Z运动ρ价值。通过确定Z的最大值和最小值₃（φ）在每个ρand choosing a point half way between them as a reference, it is possible to establish a baseline motion for the machine slides.

从z减去每个ρ的值₃（（ρ，φ）找到工具伺服运动。使用此方法，可以用以下表达式确定工具伺服运动：

（2）

图1显示了一个取决于该最佳基线的工具运动的实例，其中绘制了工具伺服运动作为角位置φ的函数。实线表示运动ρ_最大限度，在3/4处虚线运动ρ，1/2处的仪表板线ρ，和1/4的虚线ρ。

此示例是为了切割链轴轴的离轴段。必须注意的是，该运动看起来像是衰减的正弦曲线。但是，如虚线所示，对该细分市场的中心并非如此。

图1。减去最佳基线的工具伺服运动。实线是PMAX的工具运动。

加工设置

使用称为Fast Tool Servo (FTS),加工实验是在Q-2500的等级肺炎上进行的。这是基于压电执行器的高带宽，短范围，工具运动装置。对于位置反馈，为了补偿执行器的非线性，有一个积分电容量表用于位置反馈。目前的设备的范围为20 µm，带宽高于1 kHz。

为了开发完整的加工系统，需要更多两个组件。第一个组件是高压放大器（HVA），对于该输入是低压控制信号，输出是压电电执行器的高电压，高电流信号。

第二个组件是一个高速控制器，该高速控制器结合了所有组件并产生执行器的控制信号。实验设置和互连的组件如图2所示。

图2。实验设置图

结果

Several non-axisymmetric surfaces were created to demonstrate the feasibility of this type of machining and for demonstrating some possible error sources.

例如，提到垂直于纺锤体旋转轴的平面的平坦表面的倾斜是通过产生衰减的，每次旋转的正弦信号。图3显示了该倾斜平坦的干涉图，其外围周围有正常的参考平坦。瓷砖的内平面使其最低点和最高点之间的距离约为5 µm。倾斜的表面直径为20毫米。

图3。用工具伺服器以480 rpm的主轴速度加工的倾斜平面表面干涉图。

在不理想条件下加工倾斜的表面时，显而易见的是两个表面误差。进行初始的加工尝试是进行电容量规的没有反馈的，结果，可以看到非对称的表面误差。

Furthermore, the X-axis position was not initially used, but estimated based on X starting and federate position. This produced a coma-like surface error - a once per revolution type error. Both these errors show how important it is to have a good control system that has enough inputs.

结论

这validity of the concept has been proved by initial experiments using a diamond turning tool for machining non-axisymmetric optical surfaces. The experiments have also shown the significance of key components that make a system for this kind of machining.

这些组件包括高压放大器，高带宽工具伺服，一个具有足够数量输入的高速控制系统以及有效的软件来生成适当的控制信号。

Further research is required for providing a system capable of machining off-axis segments of aconicoid surfaces. Ongoing research focuses on the development of a method using Zernike Polynomials for defining a more general non-axisymmetric surface and a control system using this description.

This information has been sourced, reviewed and adapted from materials provided by Precitech.

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