Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Автоматизированное производство крупногабаритной оптики наземного и космического базирования Печать E-mail

А.П. Семенов; В.Е. Патрикеев; В.В.Румянцев; А.В. Самуйлов; Ю.А. Шаров

1. ВВЕДЕНИЕ

Крупные научно-технические достижения последнего времени в области астрономии, космической и лазерной технологии в значительной мере стали возможны благодаря появлению новых высокоточных оптических наземных и космических систем. В связи с этим возросли требования к качеству поверхностей оптических деталей, увеличился диапазон их габаритов, часто используются детали c внеосевыми асферическими поверхностями, с произвольной конфигурацией внешнего периметра детали и отверстий. 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.).

Для создания телескопических зеркальных систем наземного и космического базирования в ОАО "ЛЗОС" (Russia) широко используется производство зеркал из стеклокерамики ситалл СО-115М, который по своим оптическим и физико-механическим свойствам является аналогом Церодура Фирмы Шотт (Германия). Многолетний опыт формообразования зеркал из ситалла показал его надежность и эффективность при создании астрономических и космических приборов и инструментов с монолитными, облегченными и тонкими крупногабаритными оптическими элементами.

Классические методы формообразования уже не могут в полной мере обеспечить финишную доводку таких сложных оптических элементов с требуемой точностью.

Для успешного решения задачи изготовления сложных оптических систем требуется совершенствовать технологию формообразования ее элементов, развивая автоматизированные способы доводки поверхностей, которые позволяют вести управляемый процесс доводки поверхности до высокого качества.

2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ПО ОБРАБОТКЕ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ОПТИКИ

В ОАО "ЛЗОС", на базе производственно-технического комплекса, включающего в себя термостатированные оптические залы, вакуумные стенды контроля, контрольно-измерительное оборудование, автоматизированные станки АД-1000, АД-2000, АД-4000 с программным управлением, накоплен большой опыт по созданию новых конструкций облегченных зеркал (рис. 1) и высокоточному автоматизированному формообразованию оптических асферических поверхностей облегченных и тонких деталей с произвольной конфигурацией внешнего периметра и отверстий. Создание таких систем существенным образом ускоряет процесс получения высокоточной оптики и позволяет уверенно прогнозировать форму поверхности и время изготовления оптической детали.

В основу разработанной технологии положено программное управление автоматизированным комплексом (рис. 2) по формообразованию поверхностей оптических деталей с автоматизированной обработкой информации о форме поверхности, расчетом, уточнением и прогнозированием технологических режимов, управлением движением малого инструмента.

В состав автоматизированного комплекса входят:

  • автоматизированные станки серии АД, управляемые от компьютера, для формообразования оптических деталей размером 100-4000 мм, с использованием малого осциллирующего инструмента, перемещающегося по поверхности детали в декартовой системе координат;
  • комплект интерферометров для контроля формы поверхности на всех технологических стадиях, включающий автоматизированную фотоэлектрическую систему регистрации и обработки интерферограмм поверхности;
  • гамма виброизолированных стендов и разгрузочно-базировочных технологических оправ мембранно-пневматического типа для разгрузки и стабилизации формы поверхностей оптических элементов на стадии их обработки и контроля, в том числе с автоматическим поддержанием параметров настройки при изменении внешних воздействий (атмосферное давление, температура);
  • комплекс технологических программ KCPM, AD2, применяемых для обработки интерферограммы волнового фронта контролируемой детали в реальном масштабе времени, расчета технологических параметров автоматизированного формообразования, автоматической коррекции технологического процесса по результатам сеанса автоматизированной обработки, прогнозирования получаемой формы поверхности.

Деталь при обработке располагается в специально разработанной штатно-технологической оправе мембранно-пневматического типа или разгрузочном приспособлении, которые обеспечивают ее стабильное состояние в процессе контроля, для обеспечения успешного сеанса автоматизированного формообразования. Разгрузочная оправа снабжена системой автоматической стабилизации положения зеркала на оправе при изменении внешних условий (атмосферного давления, влажности) во время контроля формы поверхности, что обеспечивает неизменное состояние формы поверхности с необходимой точностью. Для устранения воздушных потоков возможен контроль детали в вакууме в специальном испытательном комплексе УВК-6/70 (рис. 3).

2.1. Контроль формы поверхности с использованием компьютерной техники и CCD-камеры

Цикл автоматизированного формообразования начинается с контроля формы рабочей поверхности. Для контроля формы поверхности используются интерферометры типа Физо, Тваймана-Грина и др. Для контроля асферических поверхностей используется интерферометр ИКАП-2 с корректором волнового фронта, преобразующим плоский волновой фронт в асферический.

Для контроля формы поверхности в реальном масштабе времени используется комплекс по автоматизированной обработке интерферограмм, представляющий собой телевизионную систему обработки сигнала изображения интерферограммы. Он включает блок фотоэлектрической регистрации, выполненный на матричном фотоэлектрическом преобразователе на ПЗС размером 256х256 элементов. Время накопления около 3 мс. Более совершенный блок фотоэлектрической регистрации выполнен на ПЗС матрице размером 1024х1024 элемента. Время накопления около 0.4 мс. Малое время накопления и возможность усреднения значительного количества топографий поверхности детали позволяет получать необходимую информацию о форме поверхности в цеховых условиях с необходимой точностью для расчета автоматизированного сеанса обработки.

С помощью данного комплекса можно проводить обработку интерферограмм с количеством точек до 3000-7000, чтобы получить более подробную топографию поверхности, необходимую для успешного проведения автоматизированной обработки поверхности детали.

2.2. Построение топографии поверхности детали для автоматизированной доводки

Для расчета формы оптической поверхности по интерферограмме волнового фронта обычно используется аппроксимация полиномами Цернике, степенными полиномами, сплайнами и т.д. Но опыт автоматизированной доводки оптических поверхностей показал, что при обработке детали малым инструментом, с размерами порядка 1/5-1/40 от диаметра детали, эти способы описания формы поверхности неприемлемы, т.к. они не описывают локальные ошибки на детали с необходимой точностью, особенно на краю детали.

В результате сопоставления погрешностей отдельных методов, с учетом опыта автоматизированной обработки и повышения точности определения координат интерференционных полос за счет применения ССD-камеры, для построения топографии отклонений используется способ локальной интерполяции в требуемые узлы сетки при построении топографии отклонений поверхности от ближайшей поверхности сравнения.

При контроле асферических поверхностей с компенсатором волнового фронта математически вычитаются юстировочная кома и дисторсионные искажения, вносимые в изображение интерферограммы.

Для контроля больших плоских зеркал наиболее приемлемой схемой контроля является схема Ричи-Коммона. Методы восстановления формы поверхности при контроле в схеме Коммона под двумя различными углами падения изложены в литературе. Но они обладают существенным для автоматизированной обработки недостатком, что при аппроксимации формы поверхности степенными полиномами или полиномами Цернике невозможно получить подробное описание формы поверхности и ее локальных ошибок, сравнимых с размером инструментов, используемых для обработки.

В разработанном методе контроль крупных плоскостей производится при двух различных углах падения луча к нормали поверхности. Как правило, первый угол около 30o и второй угол около 55-60o. По результатам определения топографии астигматизма поверхности в двух положениях определяется величина сферичности поверхности итерационным способом, которая наилучшим образом удовлетворяет данным топографиям. При этом топографии астигматической поверхности для данной сферичности рассчитываются аналитически для каждого положения зеркала. После определения сферичности строится топография реальной обрабатываемой плоской поверхности.

Проверка метода производилась при контроле небольших плоскостей с некруглой внешней формой в схеме Коммона и в интерферометре Физо. Различия в отклонениях формы поверхности составили порядка 5%. Практическая обработка большого количества плоскостей диаметром до 1 м подтвердила надежность разработанной методики контроля.

2.3. Расчет съема материала с поверхности детали и абсолютного съема

В основу технологии формообразования был положен метод управления малым инструментом, который перемещается по заданной траектории по поверхности детали в трехмерной декартовой системе координат. При этом минимизируется влияние ряда факторов, оказывающих действие на процесс полировки при воздействии инструмента на деталь. Скорость обработки остается неизменной, за счет осцилляций малого инструмента с фиксированным эксцентриситетом. Усилие на инструмент постоянное. Управляющим фактором является время пребывания полировальника в пределах элементарной площадки, которое реализуется медленным перемещением центра вращения инструмента в пределах данной площадки.

Существенное значение в моделировании процесса автоматизированной доводки имеет расчет топографии нормальных отклонений оптической поверхности с необходимой точностью. Принцип расчета основан на итерационном процессе с постепенным увеличением расчетной глубины съема и одновременным контролем изменения среднеквадратического отклонения поверхности от теоретической. Данный способ позволяет легко выбрать используемые инструменты для обработки, рассчитать оптимальный съем с поверхности детали и оптимальную длительность технологического сеанса.

Расчет съема в каждом участке поверхности детали производится несколькими комплектами инструментов с различными диаметрами путем распределения работы по съему материала таким образом, чтобы обеспечить гладкую форму полученной поверхности и минимизировать влияние флуктуаций на съем материала. В первых сеансах обработки оптическая поверхность, как правило, имеет регулярные ошибки типа зональных и астигматизма. Способ уточнения технологического коэффициента основан на том, что в процессе сеанса обработки оптической поверхности оставляют широкие необработанные участки, которые служат в качестве опорной поверхности, от которой определяется величина абсолютного съема по топографиям до и после обработки оптической поверхности.

Необходимым условием правильного определения абсолютного съема является сохранение формы необрабатываемой области при контроле, т.е. стабильность формы поверхности на этом этапе технологического цикла.

По результатам анализа распределения абсолютного съема по поверхности детали можно исследовать качество съема с течением времени в участках с различными ошибками поверхности и уточнять математическую модель съема, а по необрабатываемым участкам поверхности оценивать погрешности и уровень стабильности системы разгрузки технологической оправы. По результатам расчета съема материала рассчитывается траектория движения инструментов в каждом из подсеансов и вычисляется управляющая программа для станка.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

К настоящему времени в ОАО "ЛЗОС" с использованием автоматизированной технологии обработаны плоские, сферические и асферические поверхности диаметром 100-3200 мм. Достигнутое RMS поверхности от требуемой равно 0.01-0.03, размах отклонений около 0.1, для ряда оптических деталей разработанная технология является единственной возможной для получения требуемой точности.

Финишная доводка поверхности детали диаметром до 2 м с величины P-V порядка 8-10 и RMS около 1-2 до величины RMS порядка 0.01-0.02 составляет примерно 1.5 месяца.

Разработанное программно-математическое обеспечение автоматизированного комплекса позволяет исследовать особенности поведения материала заготовок деталей, деформационно-тепловые эффекты, возникающие в процессе обработки и в процессе операций транспортировки и установки детали в контрольную схему.

Среди обработанных деталей есть облегченные (облегчение до80%) и тонкие оптические детали, как осевые, так и внеосевые, с произвольной формой внешнего периметра. Изготовлена серия облегченных зеркал диаметром до 1600 мм с асферическими поверхностями, серия комплектов оптики телескопов для ряда Европейских стран диаметром до 700 мм, плоское зеркало диаметром 1060 мм для Германии, вторичное зеркало для телескопа в Египте (Kottamia Telescope).

Особо следует выделить формообразование гиперболических поверхностей облегченных оптических деталей диаметром 1540 мм из ситалла СО-115М. Масса после облегчения 377 кг. Коэффициент облегчения 1.8. Максимальное отклонение от ближайшей сферы - 8.3 мкм. Зеркало базировалось на технологической оправе, установленной на обрабатывающем станке АД-2000. Для устранения воздушных потоков использовался потокозащитный чехол. Обработанные поверхности имеют RMS около 0.015. На рис. 4 приведена конечная интерферограмма волнового фронта.

У нашего предприятия установились тесные контакты по изготовлению крупногабаритной оптики с фирмой Карл-Цейсс Йена (Германия).

В течение 1997-98 годов в сотрудничестве с формой Карл-Цейсс изготовлено гиперболическое зеркало для MPI Heidelberg диаметром 1250 мм и два зеркала для RGO (Royal Greenwich Observatory) диаметром 2050 мм. На зеркалах RGO получена концентрация энергии 80% в кружке рассеяния 0.2", что близко к теоретическому диффракционному пределу (рис.4).

В настоящее время ведутся работы совместно с фирмой Карл-Цейсс по изготовлению оптики телескопа диаметром 2280 мм для Astronomical Institute National Observatory of Athens (NOA Greece) и телескопа VST c главным зеркалом диаметром 2650 мм для Европейской астрономической обсерватории (ESO).


Fig.1 The lightweighted mirror production process.


Fig.2 The computer-controlled polishing equipment.


Fig.3 The mirror testing in a vacuum chamber.


 

Fig.4 An interferogram and point spread function of a 1540 diameter lightweight mirror.

 
 
Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
ОАО "ЛЗОС" 140080, г.Лыткарино, Мос.обл., Россия, ул.Парковая, д.1.
телефон/факс: (007-495) 552-32-95 / 552-17-90 e-mail: office@lzos.ru
© 2017 ЛЗОС - Лыткаринский Завод Оптического Стекла