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 X/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 = Я/60.ЛУ30.
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 крупногабаритных 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:
1. Анализ современного состояния проблемы формообразования асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей и исследование существующих управляемых методов формообразования и доводки.
2. 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.
3. 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.
4. Идентификация оптимального параметра управления процессом автоматизированного формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей и построение функциональной схемы процесса формообразования.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Идентификация банка данных изготовленных зеркал в виде совокупности основных параметров.
12. 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 параметраразработан 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 деталиидентифицирован 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 моделейсоздана методика расчёта параметров сеанса автоматизированной доводки оптической поверхности с целью передачи полученных данных о траектории движения и скорости перемещения инструмента в автоматизированную систему управленияпостроен 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;
У 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 съёмаразработаны методы определения и корректировки технологических параметров обработки поверхностей оптических деталей, позволяющие сократить время обработки детали и ускорить процесс сходимости автоматизированного технологического процессавпервые 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Новый восьмиступенчатый алгоритм автоматизированной обработки интер-ферограмм с целью построения топограммы поверхности детали по результатам интерференционного контроля.
6. 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.
7. 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.
8. 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 «JIOMO им. Ленина», ФГУП «НИИКИ ОЭП». Акты о внедрении и использовании приложены к материалам диссертации.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались па: 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 статьяхв пяти АС и патентах на изобретенияв 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.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Показано, что современное состояние проблемы формообразования асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей требует дальнейшего совершенствования технологического процесса обработки. Проведён анализ существующих автоматизированных систем обработки с различными управляемыми параметрами. Найдено, что наиболее эффективным является управление одним из трёх параметров: относительной скоростью перемещения инструмента, временем пребывания инструмента в зонах обработки или траекторией движения инструмента.
2. Проанализированы системы разгрузки и найдено, что наиболее эффективными устройствами разгрузки являются мембранно-пневматические торцевые оправы-спутники. Установлено, что разработка высокоэффективного автоматизированного технологического метода изготовления высокоточных крупногабаритных оптических деталей возможна только в рамках комплексного подхода к проблеме формообразования.
3. Проведён сравнительный анализ трёх основных технологических параметров: траектории движения инструмента по обрабатываемой поверхности, относительной скорости инструмента по заготовке и времени пребывания инструмента в зоне обработки. Найдено, что время пребывания инструмента в зонах обработки является оптимальным параметром управления процесса формообразования. Управление этим параметром позволяет вести обработку детали, во-первых, при использовании простого вида траектории движения инструмента, а во-вторых, при задании постоянной скорости в пределах рабочего диапазона скоростей. Показано, что такой режим управления задаёт оптимальный технологический процесс изготовления детали.
4. Построена структурно-функциональная схема, идентифицирующая факторы процесса полирования, которые определяют погрешности формы изделия в результате съёма материала. Выделены инструментальные, деформационные и настроечные факторы. Выработаны требования к кинематическим свойствам автоматизированной системы формообразования крупногабаритных асферических деталей и предложена кинематическая схема этой системы. Показано, что построенная схема позволяет распределять работу по съёму материала равномерно по всей обрабатываемой поверхностиобеспечить стабильный съём материала под инструментом за счёт только одного плоско-кругового движения, а следовательно, реализовать эквидистантный износ инструмента.
5. Разработан восьмиступенчатый алгоритм автоматизированной обработки ин-терферограмм на ЭВМ и приведена его структурная схема. Он служит для формирования исходных данных с целью последующего моделирования процесса формообразования оптических поверхностей. Идентифицировано восемь ступеней обработки: 1) формирование регулярного двумерного массива рабочих точек для расчёта съёма материала- 2) создание банка данных из координат центральных точек интерференционных полос- 3) вычисление параметров ближайшей сферы сравнения с помощью метода наименьших квадратов- 4) построение банка данных волновой аберрации с учётом радиуса сферы сравнения, наклона волнового фронта и дефокусировки- 5) определение СКО для волновой аберрации- 6) построение банка данных волновой аберрации на равномерной сетке в результате линейной локальной трёхточечной интерполяции- 7) нахождение банка данных волновой аберрации на равномерной сетке с учётом регулярных аберрационных погрешностей- 8) построение топографической карты (топограммы) контролируемой поверхности. На основании найденных значений волновой аберрации получены топограммы контролируемых асферических зеркал.
6. Для учёта неравномерности съёма проведена идентификация «/яинст X яинстточечности» используемого инструмента в результате выделения на его поверхности набора элементарных квадратных участков. Построены геометрические модели трёхточечного и пятиточечного инструмента. Предложена инженерная методика определения припуска на обработку. Для проведения расчёта разработан программный комплекс AD1. Структурные схемы, идентифицирующие этапную связность и поведенческое наполнение созданного программного комплекса, приведены в приложении.
7. Создана методика определения среднего съёма материала с помощью предварительно отполированного технологического образца, на поверхности которого обрабатываются дополнительные локальные круговые зоны инструментом малого диаметра. Разработаны геометрические модели для идентификации интерференционных полос в локальных круговых зонах и получено матричное представление для отклонений центральной интерференционной полосы. Построены графики профиля удвоенного съёма в локальной круговой зоне и вычислен удвоенный средний съём в долях полосы.
8. Предложена методика определения средней технологической постоянной процесса полирования. Показано, что для её расчёта требуется знать скорость локальной обработки и удельное расчётное давление. Создана методика определения нормированного, локального нормированного и относительного локального нормированного среднего съёма для трёхточечного и пятиточечного инструментов. Построены нормированный и усреднённый нормированный графики профиля удвоенного съёма в локальной круговой зоне. Идентифицированы геометрические модели инструмента, задающие равные локальные интервалы съёма для трёхточечного и пятиточечного инструмента.
9. Разработан ансамбль алгоритмических моделей этапов итерационного процесса расчёта съёма материла при автоматизированном полировании оптических поверхностей. Показано, что целью итерационного процесса расчёта съёма является определение суммарного отклонения формы поверхности после р итераций, а также полного времени обработки в каждой элементарной площадке в результате постепенного увеличения съёма. Построена линейная алгоритмическая модель 1-го этапа итерационного съёма и проведена оценка её адекватности в результате сравнения полученной поверхности с ближайшей сферой сравнения с помощью СКО.
На основе метода математической индукции построена линейная алгоритмическая модель р-то этапа итерационного съёма. Проанализировано поведение трёхточечного, пятиточечного и семиточечного полировальников. Разработана линейная алгоритмическая модель суммарного съёма, целью которой является нахождение полного времени обработки в центральной области за все предыдущие р итерационных этапов.
10. Дана оценка адекватности ансамбля линейных алгоритмических моделей итерационного съёма. Введено понятие коэффициента адекватности Р как отношение суммарного реального съёма к суммарному предполагаемому съёму. Найдено, что при р = 1 созданный ансамбль моделей итерационного съёма адекватно описывает реальный процесс формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. Проведена коррекция технологического коэффициента относительного съёма, что позволило за счёт введения обратной связи повысить сходимость результатов математического моделирования процесса формообразования.
11. На основе ансамбля линейных алгоритмических моделей итерационного съёма с целью повышения общей производительности автоматизированных систем создан программный комплекс для ЭВМ, устанавливаемых непосредственно в помещении оптического цеха. Соответствующие структурные схемы программного комплекса AD1 приведены в Приложении.
12. Проведён анализ погрешностей процесса автоматизированного формообразования асферических высокоточных крупногабаритных оптических деталей. Идентифицированы три исходных типа погрешностей, влияющих на результаты процесса автоматизированного формообразования: погрешности интерференционного контроля формы оптической деталипогрешности технологического циклапогрешности, вносимые средствами базирования и разгрузки детали в процессе контроля и обработки.
13. В рамках анализа первого типа погрешностей интерференционного контроля формы оптических деталей выделены три кардинальных класса: приборные, методические и погрешности нестабильности процесса контроля. Исследованы две главные когорты систематических и случайных погрешностей.
Рассмотрены четыре основных семейства когорты приборных систематических погрешностей: аберрационные погрешностипогрешности изготовленияпогрешности из-за разгрузки контролируемой деталипогрешности измерения координат. Установлено, что основной приборной систематической погрешностью является погрешность, обусловленная аберрациями оптической системы интерферометра. Найдено, что аберрации приводят к нелинейным агомотетичным искажениям интерферограммы. Построен алгоритм, приводящий соответствующую топограмму к гомотетичному виду.
Исследованы два основных семейства когорты приборных случайных погрешностей: погрешности юстировки, как взаимного положения, так и относительного положения интерферометра и контролируемой детали. Показано, что взаимная погрешность юстировки не превышает Х/20, а относительная погрешность юстировки относительно контролируемой поверхности не превосходит Х/10.
Рассмотрено основное семейство когорты методических систематических погрешностей математической обработки интерферограмм. Исследована алгоритмическая составляющая методической погрешности контроля. Получено, что средняя погрешность составляет 0,212 X по P-V и 0,021 X по СКО, а максимальная погрешность равна 10%.
Изучены два основных семейства когорты методических случайных погрешностей: погрешности совмещения плоскости регистрации с выходным зрачком интерферометра и погрешности, обусловленные дискретным характером информации. Найдено, что первая погрешность для крупногабаритного зеркала с радиусом кривизны 10 000 мм составляет 0,0 IX. Вторую погрешность можно уменьшить в результате обработки порядка 300. 1500 точек на интерферограмме.
Показано, что внутри третьего класса погрешностей, обусловленных нестабильностью процесса контроля, уменьшение случайной погрешности, можно достигнуть в результате устранения воздушных потоков, термостабилизации помещения, применения виброизоляции и усреднения результатов контроля по нескольким интерферограммам.
Таким образом, на основе анализа первого типа погрешностей интерференционного контроля формы оптических деталей получено, что основной вклад в суммарную погрешность контроля вносит семейство алгоритмических погрешностей. Идентифицировано, что для их уменьшения требуется разработка оптимального программного обеспечения.
14. Проведён анализ второго типа погрешностей технологического цикла, в рамках которого также выделены три кардинальных класса: приборные, методические и технологические погрешности. Детально исследована главная когорта систематических погрешностей.
Рассмотрены три основных семейства когорты приборных систематических погрешностей: погрешности времени пребывания инструмента в пределах элементарной площадкипогрешности давления и линейной скорости обработки и погрешности привязки интерферограммы к системе координат детали и станка. Показано, что в результате настройки следящей системы погрешностью линейной скорости перемещения инструмента, а следовательно, и погрешностью времени пребывания инструмента внутри площадки можно пренебречь. Найдены погрешности привязки интерферограммы к системе координат детали и станка. Показано, что, если погрешность совмещения расчётной системы координат с реальной не превышает 1/20. 1/10 диаметра наименьшего рабочего инструмента, т. е. не превышает 1/20. 1/10 шага интерполяции сетки топограммы, то погрешностью установки детали можно пренебречь.
Внутри когорты методических систематических погрешностей выделены два основных семейства: погрешности математического моделирования съёма и погрешности линейного перемещения инструмента при отработке времени пребывания. На основе статистической обработки получено, что при шаге итерации менее чем 1/100 P-V поверхности, погрешность обработки будет < 2.3% от значения, полученного при математическом моделировании. Исследовано влияние погрешности, обусловленной отклонением линейной скорости перемещения инструмента от средней скорости обработки. Найдено, что расчётная погрешность средней величины суммарной скорости обработки составляет примерно 0,01%, так что погрешностью линейного перемещения инструмента по площадке при отработке времени пребывания можно пренебречь. В результате все методические систематические погрешности технологического цикла оцениваются величиной порядка 5%.
В рамках третьего класса технологических погрешностей выделены 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. Найдено, что основной технологической погрешностью обработки является погрешность, обусловленная флуктуациями съёма под инструментом из-за неоднородного распределения полирующей суспензии, неоднородности смолы полировальника, а также вариаций размеров пятна контакта полировальника с обрабатываемой деталью. Так как эта погрешность может достигать 30%, то основной задачей является стабилизация съёма под полировальником.
15. Проведён анализ третьего типа погрешностей, вносимых средствами базирования и разгрузки зеркала в процессе контроля и обработки. Исследованы пути стабилизации формы поверхности ВКОД и предложен комплексный подход решения проблемы стабилизации. Исследованы шесть вариантов схем базирования и разгрузки оптического зеркала. На основе метода конечных элементов рассчитаны деформации обрабатываемой детали в напряжённом состоянии с помощью программы ASTRO. Найдено, что наиболее рациональной является схема базирования и разгрузки на дискретных мембранно-пневматических опорах равной жесткости, для которой расчётные величины Р — V = 0,0511 и СКО = 0,0131.
Рассчитаны параметры системы «зеркало в устройстве базирования и разгрузки», в результате которого идентифицированы исходные данные: число опор и их расположение. Разработана документация на реализуемую вариацию конструкции оправы-спутника для технологической разгрузки и базирования зеркала с целью получения заданных параметров качества в процессе изготовления.
16. Таким образом, в диссертации проведён детальный анализ трёх исходных типов погрешностей процесса автоматизированного формообразования асферических высокоточных крупногабаритных оптических деталей: погрешности интерференционного контроля формы оптической деталипогрешности технологического циклапогрешности, вносимые средствами базирования и разгрузки детали. Идентифицированы составляющие погрешностей процесса изготовления ВКОД, определены источники их возникновения и даны рекомендации по их уменьшению. В каждом исходном типе погрешностей выделены наиболее существенные погрешности процесса автоматизированного формообразования.
Показано, что основной погрешностью интерференционного контроля являются алгоритмические погрешности из-за аберраций оптической системы интерферометра. Они представляют собой агомотетичные искажения, приводящие к непропорциональному расположению точек зеркала вдоль радиуса относительно точек на радиусе интерферограммы. Найдено, что агомотетичную топограмму можно привести к гомотетичному виду, получаемому в результате подобного преобразования поверхности контролируемого зеркала.
Найдено, что определяющими погрешностями технологического цикла служат погрешности, вызванные флуктуациями съёма под инструментом. Так как эта погрешность может достигать 30%, то основной задачей является стабилизация съёма под полировальником.
Для устранения погрешностей базирования и разгрузки ВКОД предложена схема на дискретных мембранно-пневматических опорах равной жесткости.
17. Рассмотрены два этапа практического внедрения созданной технологии формообразования асферических крупногабаритных оптических деталей. На первом этапе экспериментально определены параметры технологического процесса и отработаны функциональные связи отдельных элементов автоматизированной системы формообразования.
18. С целью проведения расчётов параметров и характеристик процесса формообразования обрабатываемой поверхности на основе созданной в диссертации методики определено значение технологической постоянной и идентифицирован профиль съёма стекла на заготовках различных типоразмеров и разных марок стекла. Построены усреднённые нормированные графики профиля удвоенного съёма для трёхточечного и пятиточечного инструментов диаметром 70 мм и 90 мм. Графики использованы для идентификации нормированного локального и относительного локального среднего съёма.
19. Показано, что на втором этапе практического внедрения созданной автором управляемой системы формообразования высокоточных крупногабаритных оптических деталей (ВКОД) на Лыткаринском заводе оптического стекла выполнен цикл работ по изготовлению различных крупногабаритных асферических зеркал. Разработана методика автоматизированного формообразования оптических поверхностей, которая обеспечивает получение высококачественной рабочей поверхности зеркала. В основу методики, созданной в диссертации, положен процесс управления малым инструментом, который перемещается вдоль поверхности детали по траектории, заданной в декартовой системе координат. При этом минимизирована роль факторов, оказывающих влияние на процесс полировки, а усилие на инструмент и скорость обработки оставлены неизменными за счёт осцилляций малого инструмента с фиксированным эксцентриситетом. В результате решена задача высокоточной доводки асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей в диапазоне диаметров 500.4000 мм с достижением СКО поверхности 0,01 A, aP-V меньше ОДА,.
20. Под руководством автора в ОАО «ЛЗОС» совместно с ГНПО «Оптика» создан технологический комплекс для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом. Разработано 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. Для контроля формы поверхности в реальном масштабе времени использована установка для автоматизированной обработки интерферограмм, которая позволила сократить время обработки интерфе-рограммы в 20. 100 раз по сравнению с ручной обработкой на координатно-измерительном микроскопе и одновременно увеличить число обрабатываемых точек на интерферограмме до 3000. .7000.
21. Получено экспериментальное подтверждение основных теоретических положений диссертации. На основе методики, созданной в диссертации, изготовлен ряд зеркал, в том числе три комплекта крупногабаритных гиперболических зеркал из ситалла СО-115М, используемые в качестве главных и вторичных зеркал телескопов трёх европейских TTL, NOA и VST-проектов. В результате изготовленные зеркала идентифицируют следующие выходные параметры трёх телескопов.
TTL-проект: В центральном кружке функции рассеяния с угловым размером < 0,2″ сконцентрировано > 80% энергии.
NOA-проект: В центральном кружке функции рассеяния на оси с угловым размером < 0,35″ сконцентрировано > 80% энергии как без коррекции, так и с коррекцией. Те же 80% энергии концентрируются в центральном кружке функции рассеяния с угловым размером < 0,5″ при отклонении кружка от оси на 5' без коррекции и при отклонении от оси на 20' с коррекцией.
VST-проект: После устранения влияния наклона, дефокусировки и децентри-ровочной комы в центральном кружке функции рассеяния с угловым размером.
0,30″ сконцентрировано > 80% энергии. В свою очередь, после устранения влияния сферической аберрации, астигматизма, триангулярной комы и квадратичного астигматизма^ 80% энергии сконцентрировано в кружке с угловым размером 0,15″ .
22. Приведена итоговая таблица параметров, содержащая 40 позиций плоских, сферических и асферических зеркал телескопов диаметром до 4000 мм для фирм десяти различных стран, изготовленных на ОАО «ЛЗОС» в рамках созданной в диссертации методики. Получаемое СКО реальной формы поверхности от заданной формы лежит в пределах 0,01 A, a P-V меньше ОДА,. Дана таблица параметров, содержащая четыре позиции зеркал телескопов, изготавливаемых в настоящее время. Указано на разработку серии зеркал 2-х, 3-х, 4-х метрового класса с повышенными требованиями к качеству изображения и значительно увеличенному полю зрения при сокращении габаритных размеров телескопа.
