авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«В.И. Каширин ОСНОВЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский политехнический университет – ...»

-- [ Страница 3 ] --

Считаем, что значение постоянной В для данной зоны в формуле (13) сохраняется при переходе от идеального испарителя к реальному, так как раз ница в ординатах t/tmax должна быть малой по причине того, что реальный ис паритель стремятся приблизить к идеальному. Отсюда max t 2 t, (14) = t1 t 3 max ( k ) где k — угол коррекции, изменяющий величину выреза маски в данной зоне для учета распределения толщины наносимого слоя при реальном испарителе.

Используя формулы (11) и (13), получим t1 / t max B / max 0 )1, k = ( max (15) s cos(u ) ( s x)(1 + y 2 / s 2 ) B / max где t1 / t max – относительная толщина слоя в данной зоне, наносимого на экспе риментальный образец при данной конструкции подколпачной аппаратуры без маски.

Вычисление угла k для каждой зоны при расчете маски следует выпол нять с учетом переменной толщины подслоя.

Угол коррекции k можно объединить с основным углом. Базовая по верхность для асферизации выполняется не только с учетом толщины подслоя, но и с учетом того, что последующая асферизация для надежной адгезии имеет значение tmin, отличное от нуля.

С этой целью в угол раскрытия выреза маски, равный сумме углов и k, вводится дополнительный угол c. Этот угол берут обычно постоянным для всех зон маски, например, c = 3°. При необходимости его следует вычислить для каждой зоны маски из условия получения слоя одинаковой толщины по всей поверхности асферизуемой детали.

Таким образом, можно найти суммарное значение угла, определяющего величину выреза маски для данной зоны, т.е.

= + k + c.

Вот так скрупулезно рассчитывал маску В.В. Горелик. Заметим попутно, что в виду высоких требований к современным АП такая расчетная щепетиль ность не окажется излишней.

А вот какое уравнение контура маски в полярных координатах предла гают авторы справочника [7]:

=4 max 2(1 – 2), (16) где max – максимальный угол раскрытия маски;

= y/H;

y – расстояние от оси;

H – половина диаметра маски. Как видим, уравнение (16) совпадает с профилем Кербера при m = 1.

Исходными данными для расчета маски при вакуумной асферизации термическим испарением являются: уравнение поверхности;

ее световой диа метр (2max = 2H);

конструктивные параметры подколпачной аппаратуры (s 250 мм;

10 мм);

распределение нанесенного слоя по зонам для образца заго товки[ t1 = f (у) ];

радиус базовой сферы (r0).

Уравнения поверхности и базовой сферы должны учитывать условие, что наибольшая толщина наносимого слоя tmax 30 мкм. Для максимального использования этого условия базовая сфера должна быть ближайшей сферой.

Рассмотрим некоторые примеры.

На рис. 12.3, а показано меридиональное сечение вогнутой АП с цен тральной нерабочей зоной. Уравнение меридионального сечения асферической поверхности y2 = a1x + a2x2 + a3x3 +... (17) Рис. 12.3. Меридиональное сечение вогнутой АП с отверстием в центре: а – при |a| |r0|;

б – при |a| |r0| Целесообразно, чтобы исходная сфера была ближайшей к АП и прохо дила через ее крайние точки К и L. Тогда параметры r0 и а найдутся из решения системы двух следующих уравнений:

(хi - а)2 + уi2 = r02 и (хe - а)2 + уe2 = r02, (18) где хi, yi — координаты внутренней границы АП;

xe, ye — координаты внешней границы АП;

а = r0 + — абсцисса центра С сферы;

— абсцисса точки пере сечения АП с осью.

Зная r0 и а, получаем уравнение меридионального сечения ближайшей сферы в виде одного из уравнений (18) Для отыскания толщины наносимого слоя t следует через равные, малые интервалы y, например в 0,5 мм, от yi, до уe определить величины х для АП и сферы. Разность этих абсцисс и будет толщиной t' по направлению, параллель ному оси, для данной зоны.

Как показано в работе [2], для АП- ye. (19) y max = В формулы для расчета масок входит толщина t по направлению норма ли к сфере, поэтому (см. рис. 12.1 и 12.3, а) t t' cos. (20) а б Рис. 12.4. Вид маски: а – с одним вырезом;

б – с четырьмя вырезами Следует заметить, что решение уравнений (18) при радиусе ближайшей сферы r0 имеет смысл для вакуумной асферизации только в том случае, когда |а| |r0|.

Если же |а| |r0| (рис. 12.3, б), то сечение исходной сферы радиуса R бу дет касаться сечения АП в точке, через которую проходит общая нормаль к сфере и к АП. Толщина слоя в этой точке t = 0 (без учета толщины возможного подслоя и дополнительного слоя tc). Второе условие проведения сферы может заключаться в том, что толщина слоя по нормалям к сфере, проходящим через крайние точки К и L кольцевой АП, является одинаковой (te = ti).

Случаи на рис. 12.3, а и б для вогнутых АП поменяются местами для выпуклых АП с центральной нерабочей зоной.

Для АП с рабочей зоной от yi = 0 до ye = H сохраняется изложенное вы ше для кольцевых АП с центральной нерабочей зоной (см. работу [2]).

При расчете маски рекомендуется заполнить следующую таблицу:

k c y t X y … … … … … … … … В таблице приращение y можно взять, например, равным 0,25 — 0,5 мм;

следует выделить строку с tmax;

x и y — прямоугольные координаты, в которых для удобства вычерчивания и изготовления на координатных станках описыва ется вырез маски.

Переход от полярных координат к прямоугольным выполняют по фор мулам X = cos ( + k + c) и Y = sin ( + k + c). (21) Полученные координаты используют для вычерчивания маски с 5 — 10х увеличением. Затем следует получение негатива в натуральную величину. Мас ку изготавливают фотохимическим путем из латунной ленты.

Маска с одним вырезом показана на рис. 12.4, а, с четырьмя вырезами — на рис. 12.4, б.

В работе [3] предложено асферизуемой заготовке, помимо вращения, со общать возвратно-поступательные движения в направлении, параллельном плоскости маски, по закону е = e0 + emax sin ( / 2), (22) где e0 — начальное смещение заготовки;

еmax — амплитуда колебания;

— вре мя;

е — текущее положение заготовки.

Для обеспечения зависимости (22) используется кривошипно-шатунный механизм, позволяющий изменять e0 и еmax.

Кроме того, для управления процессом можно изменять расстояние от асферизуемой поверхности до испарителя и, конечно, заменять маску.

Изменение величин возвратно-поступательного перемещения заготовки и начального смещения e0 позволяет регулировать значения коэффициентов по крытия и заполнения (см. работу [4]), а при этом и толщину наносимого слоя.

Тот же эффект получается при угловых колебаниях заготовки вокруг оси, перпендикулярной оси маски.

Если конструкция испарителя, имеющего изменяемую, например ирисо вую, диафрагму, обеспечивает узкий молекулярный пучок, то, программируя перемещение испарителя в плоскости, перпендикулярной к его оси, и величину отверстия диафрагмы, можно обеспечить нанесение заданного асферизующего слоя на поверхность вращающейся детали (см. [5]). Испаритель перемещается координатным винтовым устройством в прямоугольной системе координат.

Для перемещения вдоль каждой оси этой системы используется отдельный ре версивный электродвигатель. Изменение диаметра диафрагм также происходит от отдельного электродвигателя. Все электродвигатели управляются програм мирующим устройством. Описанная схема может быть использована как для катодного распыления, так и для ионной бомбардировки, при которой происхо дит удаление избыточного слоя материала с исходной поверхности заготовки.

Установка по этой схеме может быть использована для изготовления асимметричных поверхностей с малым отступлением от базовой поверхности, а также для исправления ошибок АП.

Литература к лекции 1. Бабинцев В.Ф. К методике расчета масок / В.Ф. Бабинцев // Оптические приборы: сб. трудов ВЗМИ. – М., 1972. С. 8.

2. Шапочкин Б.А. Расчет масок / Б.А. Шапочкин, В.И. Кузичев // Расчеты оптических систем: МВТУ им. Баумана. – М.: Оборонгиз, 1961. № 102. С. 50.

3. Семибратов М.Н. Управление процессом формообразования оптических поверхностей методом термического испарения вещества в вакууме / М.Н. Се мибратов [и др.] //Технология производства оптикоэлектронных приборов:

МВТУ им. Баумана. – М.: МВТУ. 1973. № 155. С. 49.

4. Голованова М.Н. Способ изготовления АП с малыми отступлениями от сферы / М.Н. Голованова [и др.] // ОМП. 1968. №4. С. 40.

5. Горелик В.В. Изготовление асферической оптики / В.В. Горелик, Н.П. За казнов. – М.: Машиностроение, 1978.

6. Справочник технолога-оптика / под ред. М.А. Окатова;

изд. 2-е. – СПб.:

Политехника, 2004.

ЛЕКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ПО ЗОНАМ § 13.1. Общие закономерности процесса При изготовлении плоских и сферических поверхностей ОД припуск с заготовки снимается инструментом методом взаимного притира. Точная плос кость или сфера определенного радиуса получаются за счет того, что шлифо вальник и заготовка находятся в контакте по всей площади и взаимно притира ются при посредстве свободного абразива, постоянно корректируя друг друга.

Точность притира при шлифовании и полировании обеспечивается вы полнением ряда условий, вытекающих из гипотезы Престона [1]. В общем виде для каждой точки контакта ОД с инструментом эта гипотеза представляется следующим выражением:

Im = dt/d = СqV, (1) где Im — интенсивность съема материала с ОД (или износа инструмента);

t – линейная величина съема;

— время;

q — давление по нормали к притираю щимся поверхностям в данной точке;

V — относительная скорость в этой точке;

С — постоянная для конкретного процесса притира.

Съем материала прямо пропорционален затраченной работе, так как из формулы (1) следует, что dt = CqVd = Cqdl, (2) где dl — относительное перемещение инструмента за время d.

Формулы (1) — (2) справедливы как для хрупких материалов (стекла), так и для металлов. Однако износ инструмента во много раз меньше съема стекла;

то же самое относится и к полированию при помощи таких материалов, как сукно и смола [3].

Обеспечивая в процессе свободного притира во всех зонах контакта по стоянство давления q и относительной скорости V (или их произведения), полу чают точную плоскость или сферическую поверхность требуемого радиуса.

Управление свободным притиром ведется, как правило, через изменение кинематики обработки и конфигурации инструмента. Кинематико геометрический подход предполагает постоянство давления q во всех зонах контакта инструмента и заготовки.

Рис. 13.1. Определение коэффициента покрытия Распределение работы по узким кольцевым зонам радиуса r круглой за готовки, а следовательно, и величину съема припуска определяют через гео метрические и кинематические показатели: коэффициент покрытия sr, коэффи циент заполнения R и скоростной коэффициент vr, которые введены в техноло гическую практику М. Н. Семибратовым [4, 5].

Коэффициентом покрытия sr названо относительное время контакта элементарной площадки заготовки со сплошным инструментом, который лишь частично перекрывает кольцевую зону радиуса r заготовки.

На рис. 13.1 изображены элементы ОД и инструмента, используемые в расчетах для определения коэффициента покрытия. Плоская заготовка 1, вра щаемая с угловой скоростью 1 = const, обрабатывается плоским инструментом 2. Центры О1 и O2 заготовки и инструмента находятся на расстоянии е. На коль цевой зоне радиуса r поверхности заготовки взята элементарная площадка ds, которая в пределах угла 2 находится в контакте с инструментом 2 радиуса R.

Коэффициент покрытия согласно определению при 1 = const sr = 2 / 2, (3) где по теореме косинусов получается из треугольника со сторонами r, е и R:

r 2 + e2 R = arccos. (4) 2re Таким образом, в рассмотренном примере коэффициент покрытия r 2 + e2 R. (5) s r = arccos 2re Программа PolirMas.pas, приведенная в Прил. 4, производит вычисление коэффициентов покрытия для кольцевых зон заготовки при различных смеще ниях инструмента по формуле (5) и при необходимости выводит их значения на экран монитора.

Обычно шлифовальники изготавливают из алмазных пятачков. Тогда обработка площадки ds в пределах угла поворота 2 происходит только при контакте с этими пятачками. Этот случай показан на рис. 13.1, б. В изображен ном положении при 2 = 0 рабочие элементы инструмента 2, имеющие суммар ную площадь Si, находятся в соприкосновении с поверхностью заготовки 1 по кольцевой зоне радиуса r, шириной dr и центральным углом 2.

Таким образом, используя рис. 13.1, б, получим dS1 + dS. (6) R = 2rdr Для вращающегося инструмента (2 0) (dS i ) cp, (7) R = 2rdr где (Si)cp представляет собой среднее значение активной площади инструмен та, находящейся в контакте с кольцевой площадкой заготовки.

Коэффициенты покрытия sr и заполнения R являются геометрическими показателями, характеризующими снятие припуска на определенной кольцевой зоне заготовки.

Рис. 13.2. Схема станка для обработки точных плоскостей Кроме рассмотренных геометрических показателей необходимо учиты вать кинематический показатель, характеризуемый скоростным коэффициен том vr.

Скоростной коэффициент vr представляет собой отношение осредненной относительной скорости обработки для данной кольцевой зоны заготовки к ос редненной относительной скорости обработки для центра заготовки. Значения коэффициента vr для различной кинематики притира также опубликованы в ра боте [12].

Из формулы (2) следует, что величина снятия припуска при постоянном давлении q tr = k sr R vr r, (8) где k — постоянная для данного процесса обработки;

tr — величина съема ма териала по нормали к поверхности в зоне радиуса r;

r — время обработки в зо не радиуса r.

Если обеспечить постоянство коэффициентов sr, R и vr или их произве дения во всех зонах обработки, то тем самым при одинаковых r получим рав номерный съем стекла, т. е. идеальную плоскую или сферическую поверхность.

Рассмотрим пример выполнения условия (8) для равномерного снятия припуска при обработке плоской оптической детали. На рис. 13.2 показана ки нематическая схема станка [6]. В этом станке коэффициенты покрытия и запол нения sr = R = 1, так как заготовка 5, закрепленная на сателлите 3, во все время обработки полностью соприка сается с неподвижным шлифоваль ником 9. Скоростной коэффициент vr также равен единице, что следует из схемы станка. Заготовка 5 приводит ся в движение от электродвигателя через планетарную передачу, со стоящую из зубчатого колеса 2, вра щающего водило 7, неподвижного солнечного колеса 8, планетарного колеса 6 и сателлита 3.

Рис. 13.3. Обработка выпуклых поверхно стей коническим инструментом Известно, что в такой планетарной передаче 3 в z =, 8 в z где 8, 3 — угловые скорости колес 3 и 8 соответственно, a Z8 и Z3 — число зубьев;

в = 2 = 7 — угловая скорость водила.

Если числа зубьев колес 8 и 3 равны, то 3 в =1.

8 в Но так как 8 = 0, то получаем, что и 3 = 0. Следовательно, скорость любой точки сателлита 3 (заготовки 5), т. е. скорость при обработке, равна ско рости V точки В:

VB = BLOB, где LOB — расстояние между точками О и В, которое можно изменять установ кой угла (см. Рис. 13.2) при повороте рычага 4.

Таким образом, и скоростной коэффициент vr = 1.

Другим примером равномерного снятия припуска уже при обработке сферических поверхностей является изготовление линз с выпуклой сфериче ской поверхностью. На рис. 13.3 показана схема обработки [6]. В конической полости вращающегося инструмента 3 расположен блок заготовок 2, которому водилом 1 сообщается крутильно-колебательное движение, в результате чего обрабатываемые заготовки контактируют с конической поверхностью инстру мента 3 по замкнутому кольцевому пояску. По этой схеме обработки коэффи циенты покрытия и заполнения остаются постоянными, а скоростной коэффи циент vr = 1. Изготовленные таким образом линзы характеризуются «соломен ным» цветом при контроле пробными стеклами.

Формула (8) определяет величину снятия припуска при условии сохра нения постоянства давления q в процессе обработки. Это, во-первых, ограничи вает точность обработки, так как поддерживать q = const на всех зонах, особен но при изготовлении выпуклых и вогнутых поверхностей, удается не всегда, и, во-вторых, сужает возможности использования гипотезы Престона для изго товления асферических осесимметричных поверхностей.

Во многих случаях формулу (8) целесообразно представить в виде tr = km q sr R vr r, (9) где km — постоянная для данного процесса обработки, зависящая от технологи ческих факторов (качества материала инструмента, химической активности суспензии, ее концентрации и т. п.) [4].

Таким образом, распрделяя работу по съему припуска с круговых зон поверхности, можно обрабатывать любую осесимметричную АП. Изменяя не которые технологические факторы, можно изменять один из множителей (или несколько из них) в формуле (9) как функцию от r, обеспечивая тем самым сня тие припуска на кольцевых зонах по заданному закону.

§ 13.2. Обработка АП малоразмерным инструментом Из рассмотрения формулы (9) § 13.1 следует, что программирование времени обработки отдельных кольцевых зон обеспечивает съем материала с исходной поверхности по заданному закону. При этом необходимо учитывать изменение кинематических и геометрических параметров и давления при пере ходе от зоны к зоне [7].

Схема обработки получается наиболее простой, если инструмент имеет малые размеры, при которых обеспечивается его прирабатываемость к поверх ности заготовки при переходе от одной кольцевой зоны к другой.

Из формулы (9) § 13.1 получаем, что время обработки для отдельной кольцевой зоны r = tr / km q sr R vr, (1) Эту зависимость используют при создании устройств и станков для ре туши и обработки АП.

В Крымской астрофизической обсерватории [8, 9 разработан инструмент (рис. 13.4), применяемый на станках типа ШП как для устранения зональных ошибок (ретуши), так и для формообразования АП из исходной плоской заго товки диаметром свыше 1 м.

Инструмент, представленный на рис. 13.4, выполнен в виде трех направ ляющих, расположенных под углом 120° друг к другу и укрепленных на ниппе ле 1, соединяемом с поводком станка. Рабочие элементы — шлифовальники диаметром d – шаровыми шарнирами соединены с ползунами, перемещающими их в радиальном направлении.

В этом случае коэффициент заполнения R постоянен, коэффициент по крытия для зоны r вычисляется по формуле sr = 0,375d/r, скоростной коэффици ент vr = Vr = r, где – угловая скорость вращения заготовки.

Рис. 13.4. Шлифовальник конструкции Г.М. Попова.

Изображенное на рис. 13. приспособление в модификации Л.В. Тевелева (ГИПО, г. Казань) ус танавливается на станок «Планета».

Вращающийся поводок станка (не изображен) приводит в движение шестерню, находящуюся в ниппеле устройства, которая вращает винты, перемещающие шлифовальники 2 по дета ли в радиальном направлении. Деталь вращается под шлифовальниками с по стоянной угловой скоростью. Изменение скорости вращения приводного по водка производится программно от ЭВМ типа СМ-4 с целью обеспечения вре мени пребывания шлифовальников на каждой зоне по заданному закону.

Определим полное время формообразования АП малоразмерным инст рументом при различных распределениях припуска по АП для случая непод вижной ОД и инструмента, движущегося с постоянной окружной скоростью V.

Исследуем профиль Кербера = 0(m – 2)2, (2) где 0 и m - параметры профиля;

= у/Н – относительное расстояние от центра ОД (графики профилей представлены на рис. 7.2).

Продифференцируем (2) и определим точки экстремумов (ym и max) и размах по высоте А профиля для разных значений m:

m = 0(2my/H2 - 4y3/H4) = 0;

y1 = 0, y2 = H, (3) А = max - min, (4) где min = 1 при 1 0 и min = 0 при 1 0;

1 – высота профиля на краю (с уче том знака).

Определим объем Q материала, снимаемого с АП:

my 3 y H m Q = 2 [ 0 2 4 y min ]dy = H 2 [ 0 min ]. (5) H 2 H Результаты вычислений сведем в табл. 13.1.

Таблица 13. Зависимость съема материала от параметра m профиля Кербера 0 0,5 1,0 1,5 2, m 0 0,5Н 0,707Н 0,87Н ym Н m 0 0,063 0 0,25 0 0,563 0 min - 0 - 0,5 0 0 0 А 0 0,563 0 0,25 0 0,563 0 Q/0Н2 0,667 0,480 0,167 0,417 0, Как видно из таблицы, минимальный объем снимаемого материала (при m = 1) меньше максимального (при m = 0 или при m = 2) в 4 раза. Следователь но, при m = 1 требуется в 4 раза меньше времени на асферизацию ОД малораз мерным инструментом, чем при m = 0 или при m = 2.

Общее развитие оптической технологии привело к тому, что практиче ски все современное оборудование производит формообразование АП по рас смотренной выше схеме: обработка ведется по зонам, малоразмерным инстру ментом (алмазным), задержка на зонах происходит пропорционально требуе мому съему (2) материала с исходной поверхности. Механизмы работают по программе, находящейся во встроенном компьютере (см. лекции 14 и 15).

§ 13.3. Асферизация инструментом-маской Маской называют полировальник (иногда шлифовальник), рабочая по верхность которого состоит из отдельных участков определенной формы и рас положения. Метод полировальной маски применяют к АП с небольшим отсту плением от сферы.

Идея такого инструмента родилась в процессе подрезки полировальни ков. Этот метод применяется оптиками-полировщиками при доводке точных сферических поверхностей.

Конфигурация маски определяется коэффициентом покрытия Sy:

ty, (1) Sy = C V y q где ty — величина снимаемого слоя по нормали к исходной сфере для зоны ра диуса у;

Vy — относительная скорость в этой зоне;

— время обработки (оди наковое для всех зон);

q — давление по нормали к поверхности;

C — константа.

При изучении закономерностей формообразования АП упругодеформи рованным инструментом (см. лекцию 10) мы видели, что в результате взаимно го притира при установившемся режиме осевое усилие P от поводка станка трансформируется в нагрузку q, равномерно распределенную по всей площади обрабатываемой поверхности ОД. Причем давление становится не только оди наковым во всех точках поверхности, но и направленным по нормали к ней.

Это тем более справедливо для случая, когда эластичная полировальная про слойка 2, на которой сформирована маска, находится на жесткой металличе ской оболочке 1 (рис. 13.5). Таким образом, давление q в формуле (1) – величи на постоянная, направленная по нормали к поверхности.

При работе производится равномерное орошение полиритной суспензи ей. Маска совершает малые колебательные движения, без нарушения контакта с поверхностью заготовки, поэтому скоростной коэффициент Vy = y ( — угло вая скорость вращения заготовки).

Подставив в (1) вместо ty профиль Кербера с параметрами m = 1, Vy = y и сгруппировав постоянные, получим y2 y 0 2 H H = C (1 2 ), (2) Sy = C y где C = – константа, определенная из условия Sy = Smax = 1;

– текущая от носительная ордината на полировальнике.

Рис. 13.5. Распределение нагрузки при полировании маской выпуклой (а) и вогнутой ОД (б):

1 – наклеечная шала;

2 – смоляная маска;

3 - ОД В полярных координатах величина центрального угла Uy контура рабо чей поверхности инструмента-маски согласно равенству (3) § 13.1 определяется по формуле sy, (3) U y = U max smax где Umax и Smax выбирают для зоны с наибольшей величиной снимаемого слоя;

Sy и Smax = 1 – коэффициенты покрытия – текущий и максимальный.

Следовательно, формула для вычисления центрального угла контура ра бочей поверхности инструмента с учетом зависимости (2) примет следующий вид:

, (4) U y = U max (1 2 ) * 3 * где Umax – наибольший угол заполнения поверхности полировальника маской, который должен иметь место на зоне ym для получения на ОД максимального съема tmax.

На рис. 13.6 представлен график зависимости (4) при Umax =1.

На рис 13.7, а показан образец маски, который получен в результате пе рераспределения величины съема к краю заготовки за счет уменьшения съема вблизи центрального отверстия. При этом условии маска имеет более техноло гичную форму. Для этой цели уменьшают радиус исходной сферы на ОД.

Как следует из рис. 13.7, а, контур маски разбивают на несколько частей (в данном случае на три), чтобы обеспечить симметричное распределение по АП нагрузки, действующей со стороны инструмента.

Рис. 13.6. Зависимость угла заполнения поверхности полировальника маской от расстояния до центра, в относительных единицах: Umax – максимальное значение угла;

H – половина диаметра АП Другой разновидностью маски является инструмент (рис. 13.7, б), при мененный французской фирмой РЕОСК при изготовлении асферических зеркал диаметром до 3,65 м [10, 11].

Подобным же инструментом производили шлифование для получения исходной поверхности. Этот инструмент был выполнен в виде тонкого дере вянного диска, склеенного из двух-трех слоев 3 и 5 с взаимно перпендикуляр ным направлением волокон древесины. Рабочую поверхность диска сделали сферической с радиусом кривизны, большим радиуса исходной сферы на ОД.

На этой поверхности крепили шлифующие накладки (при шлифовании) или от дельные квадраты смолы (при полировании), которые образовывали прямо угольную сетку. Внешнее деревянное кольцо 4 придавало диску достаточную жесткость;

к внутреннему кольцу 2 крепился металлический треугольник 1, со единявшийся с поводком станка.

Рис. 13.7. Примеры конфигурации инструментов-масок Инструмент из дерева обладает достаточной гибкостью, легкостью и не значительным термическим расширением. Шлифующие накладки или квадраты смолы образуют на нем «двухлепестковую маску», которая рассчитывается как обычно.

Для шлифовки АП сначала использовался инструмент диаметром 3,6 м, затем – диаметром 2,6 м. Диаметр полировальника 3,05 м. Для уменьшения влияния веса инструмента применяли поводок с пневматической разгрузкой. Во время работы заготовка медленно вращалась, инструменту от эксцентрика пе редавалась осцилляция с амплитудой 6 — 7 см, вращение увлекаемого ОД ин струмента исключалось при помощи охватывающего его нейлонового каната.

Каждый сеанс при обработке длился 2 часа. Контроль шлифуемой по верхности выполняли накладными прямолинейными сферометрами, имевшими базу от 62,5 мм до 1 м (см. лекцию 18). Результаты измерения обрабатывались на ЭВМ. Контроль полируемой поверхности выполняли по методу Гартмана при горизонтальном расположении зеркала;

для этого над станком была соору жена специальная башня. При обработке и контроле в помещении поддержи вался определенный температурный режим. Перед контролем зеркала делалась пауза для выравнивания температуры по всем зонам.

Зеркало, изготовленное по технологии фирмы РЕОСК, имело отклоне ние нормалей от расчетного не более 0,1 угловой секунды.

Расчет полировальной маски для случая периодического ее колебания с размахом конечной величины производится по программе PolirMas.pas, приве денной в Прил. 5. В программе помимо коэффициента заполнения учитывается для каждой зоны ОД коэффициент покрытия инструментом, усредненный за период колебания инструмента.

Литература к лекции 1. Preston F.W. Theory and design of plate polishing machines / F.W. Preston // JOSA. 1927. N 11. P. 214.

2. Голованова М.Н. Соотношение между механической работой, количеством выделяемого тепла и энергией диспергирования при шлифовке стекла / М.Н.

Голованова, О.А. Сергеев // ОМП. 1959. № 8. С. 56.

3. Формообразование оптических поверхностей / под ред. К.Г. Куманина. – М.:

Оборонгиз, 1962.

4. Семибратов М.Н. Управление формообразованием оптических поверхностей в процессе притирки / М.Н. Семибратов // ОМП. – 1970. № 11. С. 55.

5. Справочник технолога-приборостроителя / под ред. А.Н. Малова. – М.: Маш гиз, 1962.

6. Заказнов Н.П. Специальные вопросы расчета и изготовления оптических сис тем / Н.П. Заказнов. – М.: Недра, 1967.

7. Способ изготовления АП с малыми отступлениями от сферы / М.Н. Голова нова [и др.] // ОМП. 1968. № 4. С. 40.

8. Попов Г.М. Изготовление больших ситалловых зеркал для телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена / Г.М. Попов // Изв. КрАО. 1972. № 46. С. 156.

9. Попов Г.М. Шлифовка и полировка больших высокоточных поверхностей, используемых в астрономической оптике / Г.М. Попов, М.Б. Попова // ОМП.

1970. № 8. С. 46.

10. Леушина Т.М. Изготовление АП ОД с использованием многоэлементных инструментов / Т.М. Леушина // ОМП. 1975. № 4. С. 57.

11. Bayle A. Quelques remarques d’un constructeur spcialis sur la construction des grands tlescopes d’astronomie / A. Bayle, J. Espiard // Nouvelle revue d’optique ap lique. 1972. Ann. 3. N 2. P. 67.

12. Технология оптических деталей / В.Г. Зубаков [и др.] // под ред. М.Н. Семи братова;

2-е изд. – М.: Машиностроение, 1985.

ЛЕКЦИЯ АСФЕРИЗАЦИЯ ОД НА СТАНКАХ ФИРМЫ LOH § 14.1. Общая характеристика станков и технологии.

У нас, и особенно за рубежом, начиная с 60-х гг. стала интенсивно раз рабатываться технология формообразования сложных поверхностей ОД с ис пользованием встроенной микропроцессорной аппаратуры. Вначале это были встроенные процессоры, затем - так называемые станки с ЧПУ, где исполни тельный механизм станка управлялся от ЭВМ (см. лекцию 13).

В настоящее время иностранные фирмы поставляют оборудование с ЭВМ, встроенной в станок. Этот шаг ознаменовал начало новой эры в оптической технологии: на базе обычной аппаратуры (ЭВМ, высокооборотные шпиндели, алмазный кольцевой инструмент, прецизионные направляющие, кольцевой сферометр) создан принципиально новый обрабатывающий центр, выполняющий по программе целый комплекс операций, начиная с грубой обдирки исходной заготовки и кончая промывкой готовой ОД.

Компоновка станка выполнена по типовой схеме: на станине смонтиро ваны подвижные узлы, охлаждающий агрегат, средства измерения и управле ния (рис. 14.1 и 14.2). Деталь вкладывается в патрон типа цанги либо вакуумно го зажима. Две алмазные фрезы установлены на высокооборотных шпинделях:

одна – для грубой обработки исходной заготовки, вторая – для тонкой алмазной шлифовки поверхностей перед полировкой. Обработка деталей ведется по штучно с одной стороны. После обработки заготовки грубой фрезой стол со шпинделями поворачивается, де таль подается ко второй фрезе, производится тонкая дошлифовка обрабатываемой поверхности.

Рис. 14.1. Станок SPM-50 с роботом фирмы LOH В станке предусмотрены следующие степени свободы:

- шпинделя с деталью по двум координатам: в горизон тальном направлении вдоль оси Х и в вертикальном направлении вдоль оси Y;

- поворот стола с фрезами вокруг горизонтальной оси стола.

Имеются исполнения станков с роботизированной рукой (рис. 14.1), обеспечивающей обработку партии из 12, 24 или 48 деталей в автоматическом режиме.

Работа на станке начинается с введения в управляющую программу ис ходных данных заготовки, готовой ОД и инструмента: диаметров, радиусов кривизны, толщин, параметров АП. Для обеспечения необходимой скорости шлифования вводятся числа оборотов шпинделей, скорость подачи, частота контроля толщины по центру детали, коррекция износа инструмента (в микро метрах на обработанную деталь).

Затем на опытной партии ОД производится отладка работы станка по программе. По достижении требуемых результатов запускается в работу партия рабочих ОД.

Рис. 14.2. Полировальный станок SPS-25 фирмы LOH Отлаженная программа с массивом данных сохраняется на жестком диске встроенного компьютера. При необходи мости ввод-вывод информации со встро енного компьютера осуществляется с дис кет.

Отработка станком заданной про граммы по своей сути аналогична формообразованию методом траекторного копирования, в котором в качестве шаблона выступает программа. Однако в отличие от механического копира при необходимости коррекции программа позволяет гибко и оперативно изменять свой «шаблон».

Отмечаются высокая производительность станков и воспроизводимость результатов.

Следует отметить нежесткость несущих конструкций станков, необхо димость термостабилизации рабочих помещений, а также специфическое тре бование, свойственное западноевропейской культуре производства: минимиза ция припусков на исходных заготовках.

§ 14.2. Обработка АП на станке SPM- На рис. 14.3 приведены кадры из рекламного клипа, демонстрирующего процесс асферизации ОД на оборудовании фирмы LOH. На кадре а представле но аналитическое выражение кривой, образующей АП ОД. По этой формуле составляется таблица данных (кадр б), заполняемая вручную разработчиком (такие таблицы входят как неотъемлемое составляющее в чертеж ОД – см. рис.

8.1). Затем таблица задания АП в электронном виде с дискеты вводится в па мять встроенного компьютера.

Рис. 14.3. Формообразование АП на станке SPM-120: а – уравнение образующей АП;

б – табличное задание АП и эскиз ОД;

в – установка ОД в станок;

г – имитация отработки программы (на мониторе станка);

д – измерение отступления профиля ОД на измерительном приборе;

е – результаты измерений отступления АП от заданного профиля для трех прибли жений Работа по формообразованию заданной АП на современном оборудова нии заключается в последовательном приближении формы исходной заготовки к заданному профилю: машина отрабатывает разницу между теоретической кривой и результатами измерения реального профиля (кадры в, г, д, е).

Как видно из графиков (кадр е), после трех приближений уже на стадии шлифования реальный профиль отличается от заданного на ± 1 мкм. Это доста точно высокая точность, если учесть, что точность измерений контактной из мерительной головки, использованной фирмой LOH, не превышает ± 0,5 мкм.

Литература к лекции Информация о фирме LOH. Режим доступа: e-mail: LOH@loh-optic.com ЛЕКЦИЯ ДОВОДКА АП НА СТАНКЕ Q22 ФИРМЫ SCHNEDER § 15.1. Проблема доводки геометрии АП В настоящее время рассчитаны оптические системы, которые практиче ски являются безаберрационными с разрешением, близким к дифракционному пределу. Однако реализовать подобные системы оказывается чрезвычайно трудно, так как при изготовлении оптических элементов и их сборке возникают ошибки, которые существенно искажают волновой фронт системы.

Наиболее трудными для исправления оказываются нерегулярные ло кальные ошибки, вызванные неточной обработкой поверхности детали и неод нородностью массы стекла. Кроме того, в результате биений механизмов станка в процессе механической обработки на поверхности возникают различные сис тематические и случайные макронеровности.

Для исправления указанных ошибок, как правило, применяется ручная ретушь, эффективность которой зависит от искусства оптика. Процесс этот чрезвычайно трудоемкий, длительный и не имеет гарантированного выхода.

Для плоских и сферических ОД описанные дефекты устраняются после тонкой шлифовки полноразмерными чугунными или латунными шлифовальни ками. Но те же дефекты макрогеометрии АП при полировке, которая также осуществляется малоразмерным инструментом, практически сохраняются в не изменном виде. «Выглаживание поверхности» – это актуальная проблема для всех «машинных» технологий, используемых в настоящее время для формооб разования АП.

Поскольку для АП не представляется возможным произвести полировку полноразмерным полировальником с большим размахом, то всю кропотливую работу по устранению множества неровностей АП целесообразно поручить ис полнительному малоразмерному инструменту, перемещение которого по ис правляемой АП производится под управлением ЭВМ по соответствующей про грамме.

Указанная идея существовала с самого начала зарождения технологии формообразования АП: вспомним многотрубчатый инструмент, но то было ре шение на механическом уровне. Однако возможность претворения этой идеи в практику возникла только после создания микропроцессорных устройств.

Изготовление высокоточных АП долгое время оставалось уделом мас терства высококвалифицированных оптиков-полировщиков. Разработка техно логии доводки АП по программе и изобретение МРЖ позволили перевести из готовление высокоточной оптики из разряда искусства в разряд рядовой инже нерно-технической работы, зависящей только от работоспособности измери тельных приборов и исполнительных механизмов станка.

В начале 90-х гг. ХХ в. в НПО «Оптика» (г. Москва) на базе технологии ионно-лучевой обработки АП была создана вакуумная установка с двухкоорди натным столом для доводки точных АП.

Доводка АП велась в следующей последовательности:

1. Производилось картографирование ошибок поверхности: на плане АП в декартовой системе координат в микрометрах отмечались высоты неровно стей (отступлений АП от заданного профиля).

2. Данные картографирования ошибок вводились в ЭВМ.

3. ОД с исправляемой АП точно позиционировалась на координатном столе установки.

4. Исполнительный механизм, отрабатывая команды программы, начи нал перемещать по АП ионно-лучевую пушку, которая задерживалась на «вы ступах» АП пропорционально их высоте. Возвратно-поступательное движение исполнительного механизма способствовало устранению систематической ошибки окружного движения шлифовальника на станке.

5. После каждого сеанса доводки АП повторно контролировалась, и цикл повторялся по пп. 1 – 4 до получения удовлетворительной точности гео метрии АП.

Вариант улучшения качества ОС с помощью введения фазовой коррек ционной пластины был рассмотрен нами в лекции 11 (см. «Ионная ретушь» в § 11.3). Однако вакуумные методы исправления ошибок оптических поверхно стей по сложности процесса и затратам уступают рассмотренному ниже меха ническому методу доводки.

§ 15.2. История создания магнито-реологической жидкости Доводка АП с помощью вакуумной установки с ионно-лучевой пушкой предполагает наличие сложной вакуумной техники. Производительность ион но-лучевой обработки оптических материалов составляет около 1 мкм/ч. Кроме того, по варианту ГОИ корректируемая поверхность имеет ступенчатый про филь. Все это способствовало продолжению усилий в поисках более прием лемой технологии доводки высокоточных АП.

В середине 80-х гг. XX в. в НИИ оптического станкостроения и вакуум ной техники (филиал НПО «Оптика» в г. Минске) Леонидом Константиновичем Глебом была изобретена полирующая суспензия, способная изменять свою вяз кость в зависимости от силы магнитного поля, в которое она помещалась. Жид кость, составляющая основу разработанной суспензии, была наименована как «магнито-реологическая» (МРЖ), т.е. как восстанавливающая свои свойства после снятия воздействия магнитного поля. В 90-х гг. автор изобретения пре творил свои замыслы по использованию МРЖ для доводки точных АП на стан ках немецко-американской фирмы Schneider.

Как отмечают авторы и сторонники этой технологии, чистота обработки АП приближается к нулевой, т.е. на поверхности, обработанной в среде МРЖ, практически отсутствуют ласины, точки и царапины.

Размеры контактной площадки МРЖ с исправляемой АП зависят от си лы магнитного поля устройства, поэтому точность геометрии АП практически зависит только от терпения исполнителя.

§ 15.3. Доводка АП на станке Q Перед доводкой в компьютер станка вводится информация об ошибках поверхности ОД. Затем производится ретушь исправляемой поверхности и кон троль. При необходимости цикл повторяется. Как правило, достаточно двух циклов доводки. Для вогнутых АП минимальный радиус вогнутой поверхности ограничен минимальным диаметром полировального колеса и составляет 10 мм.

На рис. 15.1, а изображен общий вид станка Q22, на рис. 15.1, б - вра щающееся колесо с желобом, заполненным МРЖ, и приемный патрубок.

а б Рис. 15.1. Общий вид станка Q22 (а), полировальник крупным планом (б) На рис. 15.2, б показана обработка ОД микрообъектива на том же коле се, что и деталь средних размеров (рис. 15.2, а).

а б Рис. 15.2. Полировка различных деталей с применением МРЖ На рис. 15.3 приведены интерферограммы поверхности ОД: а – исход ная поверхность (до исправления ошибка геометрии составила 2 полосы);

б - на стадии улучшения.

а б Рис. 15.3. Результаты контроля исправляемой АП: а – до исправления;

б - после доводки Из рис. 15.3, б видно, что амплитуда ошибки АП уменьшилась на поря док и составила 1/5 полосы, что при цене полосы в /2 = 0,32 мкм дает остаточ ную ошибку в /10 = 0,06 мкм.

ЛЕКЦИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЕ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ОПТИКИ В ХХ в. были введены в строй несколько средних и крупных телескопов.

В табл. 16.1 [1, 7] приведены данные для главных зеркал этих телескопов;

Е – содержание энергии в изображении звезды в диаметре кружка Эйри.

Таблица 16. Крупнейшие телескопы мира Обсерватория, м Материал Е Ла Пальма, Канарские о-ва 10,0 * ** Мауна Кена, Гавайи 10x2 * ** Маунт Фоулкс, Техас 9,2 * ** СазерЛэнд, Ю. Африка 9,1 * ** Маунт Грэхэм, Аризона 8,4x2 * ** Серо Параналь, Чили, VeryLarge 8,2x2 * ** Мануа Кеа, Гавайские о-ва, Subaru 8,2 * ** Там же, Gemini North 8,1 * ** Серо Пашон, Чили, Gemini South 8.1 * ** Маунт Хопкинс, Аризона 6.5 * ** САО АН (СССР), Кавказ 6,0 Пирекс 0, Маунт-Паломар (США) 5,0 Пирекс 0, Китт-Пик (США) 3,8 Кварц. ст. 0, ЕSO (Чили) 3,6 То же 0, Ликская (США) 3,0 Пирекс 0, Мак-Дональд (США) 2,72 Кварц.ст. 0, КрАО АН (СССР) 2,6 Пирекс 0, Институт им. Планка (ФРГ) 2,2 Ситалл 0, Таутенбург (ГДР) 2,0 Пирекс 0, ШАО (СССР) 2,0 Пирекс 0, Асьяго (Италия) 1,8 Ситалл 0, * Материал зеркала – ситалл, сотовая конструкция. ** Пятно рассеяния менее 0.4;

при использовании адаптивных элементов имеет дифракционное качество изображения.

Когда говорят об отличительных чертах современных телескопов, обыч но имеют в виду то обстоятельство, что их размеры существенно превосходят прежние достижения, еще недавно считавшиеся близкими к предельным.

Рефлектор Хейла диаметром 5 м, введенный в действие в 1948 г., более четверти столетия оставался крупнейшим телескопом, пока на Кавказе не уста новили рефлектор БТА диаметром 6 м. Изготовление обоих телескопов заняло десятилетия и потребовало столь значительных усилий и расходов, что, каза лось, апертура не скоро будет заметно увеличена. Но к началу 2004 г. БТА за нимал уже место в конце второй десятки инструментов, ранжированных по диаметру апертуры.

Столь быстрое развитие было трудно предвидеть в 1970-е годы. Строи тельство больших телескопов и опыт работы с ними выявили трудности поро гового характера. Например, главное зеркало с классическим отношением диа метра к толщине порядка 8 оказывается столь массивным, что становится весь ма острой проблема его тепловой инерции. Другая проблема — компенсация искажений приходящего от объекта волнового фронта, величина которых на большой апертуре достигает нескольких длин волн.

Однако не только — и не столько — размеры отличают нынешние теле скопы от инструментов предыдущих поколений: новые телескопы обеспечива ют гораздо лучшее качество изображений даже при обычных наблюдениях, не связанных с коррекцией влияния атмосферной турбулентности. Если раньше считались хорошими изображения звезд диаметром порядка одной - полутора угловых секунд (1,0— 1,5"), то теперь таковыми признают изображения раз мером около 0,5". Последующее использование систем адаптивной оптики по зволяет преодолеть «атмосферный барьер» качества изображений, приблизив последнее к дифракционному пределу.

Какие же причины обусловили резкий подъем эффективности оптиче ских телескопов в течение последних трех десятилетий?

Произошло общее развитие технологии, в том числе:

— отлив крупных заготовок оптического стекла с пренебрежимо малым коэффициентом теплового расширения;

— полировка светосильных АП под компьютерным управлением;

— контроль зеркал в процессе их изготовления;

— изготовление тонких и сегментированных зеркал большого размера;

— использование активной оптики, позволяющей корректировать па раметры ОС и компенсировать атмосферные искажения волнового фронта в диапазоне частот вплоть до нескольких килогерц;

— развитие компьютерного моделирования формы зеркал и конструк ций в поле тяжести;

— внедрение приемников излучения с квантовым выходом, близким к теоретическому пределу.

Взятые в совокупности, эти достижения радикально изменили вид спи ска крупнейших телескопов. Четверть века назад создание рефлекторов диа метром 8 – 10 м было невозможным ни в техническом, ни в финансовом отно шениях. Сейчас работают полтора десятка инструментов диаметром более 8 м, обсуждаются вполне реалистические проекты создания телескопов диаметром 25 – 30 м, а в перспективе намечается строительство 100-метрового рефлектора.

§ 16.1. Особенности обработки крупногабаритных ОД Принципиальной особенностью крупногабаритной (более 1 м в попе речнике) оптики является то, что в основном это зеркала. При больших массах стекла невозможно достичь высокой однородности и прозрачности, но самое принципиальное – линзы невозможно разгрузить с тыльной стороны, поэтому их размеры ограничены 1 м.

Масса ОД достигает нескольких десятков тонн. Для перемещения таких ОД требуются мощные грузоподъемные механизмы.

На отлив, отжиг и термостабилизацию при обработке требуется большое время. Масса и ресурсозатраты растут пропорционально 3-й степени линейных размеров ОД, стоимость телескопа пропорционально 4-й степени. Однако опыт последних десятилетий показал, что эти расходы завышены;

на самом деле стоимость телескопа пропорциональна не 4-й степени, а только 2,5.

Хрупкость материалов (ситаллов, кварцевого стекла) при таких огром ных размерах ОД имеет принципиальное значение: любая аварийная ситуация, как правило, приводит к разрушению заготовки.

Начиная с 30-х годов ХХ века для повышения надежности ОД ведутся исследования с целью замены стеклянных заготовок на заготовки из металла. В этом направлении достигнуты некоторые успехи: разработана технология се рийного производства металлостеклянных зеркал, в которых основа выполнена из титана или инвара, на рабочую поверхность которой методом спекания нане сен тонкий слой t стекла, который затем подвергается механической обработке по традиционной технологии (рис. 16.1, б).

Рис. 16.1. Особенности конструкции зеркал крупных телескопов: а – система разгрузки;

б – металлостеклянное зеркало Необходимо отметить, что окончательного решения проблемы замены стекла металлостеклянные зеркала не дают. С одной стороны, это объясняется тем, что в погоне за уменьшением массы заготовки конструктор применяет слишком тонкие перемычки, забывая о «золотом» соотношении 1 : 5 для ребер жесткости. С другой стороны, даже в слое порядка 0,1 – 0,3 мм стекло все еще проявляет свою природу, оказывая воздействие на поверхность в виде коробле ния, а также растрескиваясь при больших температурных или механических напряжениях. В-третьих, операция тонкого отжига механиками и оптиками по нимается по-разному. В результате всех перечисленных обстоятельств на ис полнительной поверхности металлостеклянного зеркала всегда видна в виде ошибок сетка ребер жесткости. Кроме того, металлостеклянные зеркала во вре мени и при воздействии градиентов температуры ведут себя нестабильно.

§ 16.2. Обработка заготовки С целью 2 – 4-кратного облегчения в зеркалах производятся по всей тыльной стороне выборки материала (рис. 16.1, б).

Массу крупного зеркала можно снизить путем изготовления методом спекания из отдельных элементов или из вспененного стекла с последующей облицовкой всех сторон заготовки стеклянными пластинами. Однако таким «сборным» зеркалам свойственны все недостатки, перечисленные для металло стеклянных конструкций, хотя и в меньшей степени.

Ввиду большой массы цельнолитые зеркала стремятся сделать с непри вычно малым отношением толщины к диаметру, например 1 : 40.

Поскольку жесткость диска уменьшается по кубической зависимости от толщины ОД, то такое утонение приводит к необходимости разрабатывать спе циальные оправы с высокочувствительной разгрузкой ОД по всей площади (рис. 16.1, а). Эти оправы применяются как при изготовлении и асферизации ОД, так и в дальнейшем - при покрытии в вакууме и в процессе эксплуатации.

§ 16.3. Асферизация Крупногабаритная оптика производится, как правило, в единичных эк земплярах, редко – малыми партиями. Обычно под каждый заказ изготавлива ются специальные станки и оснастка.

Обработку поверхностей, начиная с формообразования исходной сферы, целесообразно вести малоразмерным инструментом [2]. Масштабы обрабаты ваемой поверхности иногда таковы, что по ней приходится перемещаться в спецобуви пешком и орошать суспензией из ведра.

Выглаживание поверхности производится полноразмерным инструмен том-маской с обязательной разгрузкой инструмента [3].

Ввиду трудностей асферизации оказывается целесообразной разработка оптической схемы без применения крупногабаритной АП (см., например, 3 зеркальную систему Мейнела в [6], в которой главное зеркало – сфера, вторич ное зеркало – эллипсоид, 3-е зеркало – планоид).

В настоящее время достигается точность фигуризации поверхностей со среднеквадратичной ошибкой не более /80 [7].

С уровнем качества современного зеркала познакомимся на примере па раболического зеркала диаметром 10 м и относительным отверстием 1 : 1.2 (ра диус кривизны при вершине – 24 м).

Составим табл. 16.2, аналогичную табл. 8.1: вычислим стрелку шарового сегмента на ближайшей сфере, затем – стрелку на параболоиде. Асферичность зеркала, определенная по нормали к сфере сравнения, составит разность этих стрелок, умноженную на косинус угла наклона нормали к оптической оси. Со поставим асферичность параболоида с профилем Кербера 3, вычтя его значе ние из значения асферичности.


Таблица 16. Асферичность параболоида 10 м, R0 = 24 м Параметр Значение параметра на зоне ОД 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1, Стрелка 5,2 20,8 46,9 83,3 130,2 187,5 255,2 333,3 421,9 520, сферы, мм Стрелка 5,2 20,6 46,4 82,6 129,2 186,2 253,8 332,0 421,0 520, АП, мм, мкм 55,4 214,7 457,9 751,4 1048 1288 1397 1288 860,4 0, 3, мкм 55,4 214,7 457,9 751,4 1048 1288 1397 1288 860,4 0, - 3, нм -1 -4 -7 -7 -3 3 7 4 -5 0. Среднеквадратичная ошибка – 4,8 нм при допуске /80 = 6,95 нм.

Как и в случае с зеркалом 140 мм, асферичность огромного 10 метрового зеркала при той же светосиле точно описывается профилем Кербера.

Среднеквадратичная ошибка менее /80.

§ 16.4. Контроль качества поверхности Положение заготовки во время контроля возможно либо горизонтальное – в спецоправе, либо вертикальное – с разгрузкой по цилиндрическому торцу зеркала с помощью металлической ленты. В первом случае для создания замк нутого термостабилизированного помещения сооружаются специальные баш ни. Во втором случае достаточно невысокого сооружения необходимой протя женности.

Во время технологического контроля крупногабаритной оптики предпо читают измерять по методу Гартмана отклонение нормалей от положения, за данного расчетом (см. § 20.4).

Для аттестационного контроля используют специально рассчитанные компенсаторы или ДОЭ (см. лекцию 21).

§ 16.5. Транспортировка, монтаж и профилактические работы Доставка на место эксплуатации изготовленных крупных ОД представ ляет собой самостоятельную проблему, так как негабаритный груз приходится транспортировать по бездорожью в труднодоступные горные районы. Требует ся спецсопровождение дорожной инспекции.

Покрытие зеркала отражающим слоем производится, как правило, на месте эксплуатации, где сооружаются специальные вакуумные камеры для по крытия. Эти камеры в дальнейшем используются для повторного нанесения от ражающего и защитного покрытий.

На обсерваториях под куполом предусмотрены монтажные краны для установки и съема крупных ОД.

Литература к лекции 1. Горелик В.В. Изготовление асферической оптики / Н.П. Заказнов, В.В. Горе лик. – М.: Машиностроение, 1978.

2. Попов Г.М. Изготовление больших ситалловых зеркал для телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена / Г.М. Попов // Изв. КрАО. 1972. № 46. С. 156.

3. Bayle A. Quelques remarques d’un constructeur spcialis sur la construction des grands tlescopes d’astronomie / A. Bayle, J. Espiard // Nouvelle revue d’optique ap lique. 1972. Ann. 3. N 2. P. 67.

4. Проблемы оптического контроля / под ред. И.В Самохвалова. – Новосибирск:

Наука, 1990.

5. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей / Д.Т.

Пуряев. – М.: Машиностроение, 1976.

6. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы / Н.Н. Михельсон. – М.: Наука, 1984.

7. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы / В.Ю. Теребиж. – М.:

ФизМатГИз, 2005.

Раздел КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОЧНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В этом разделе мы рассмотрим критерии, которые определяют требуе мую точность оптического прибора, а значит, его отдельных ОД и поверхно стей. В конце раздела остановимся на факторах, влияющих на точность поверх ностей в процессе их формообразования.

ЛЕКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ И ТОЧНОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ Как можно было заметить из рис. 15.3, б, ошибки исходной поверхности устранены не полностью – еще видны небольшие макронеровности. Допустимы ли они? Где тот критерий, который поставил бы предел требованиям заказчика?

Полезность точного оптического прибора определяется его разрешаю щей способностью, поэтому, если ошибки поверхностей ОД, входящих в опти ческий прибор, заметно снижают разрешающую способность прибора, то такие ошибки недопустимы.

В XIX в. эта проблема была осознана и исследована. Нам предстоит только пройти по этому пути.

§ 17.1. Критерий Эйри Исследуя дифракцию на круглом отверстии (рис. 17.1) идеальной ОС, Эйри обнаружил следующее:

1. Диаметр кружка рассеяния d, мм, наблюдаемый на длине волны = 0,000556 мм в ОС с фокусным расстоянием F и диаметром D, не может быть меньше, мм:

2.44F F = 1.36 *10 3.

d= D D 2. Энергия, сосредоточенная в кружке рассеяния диаметром d (центральное ядро кружка рассеяния), составляет 83,8 %. Остальная энергия рассеяна в кольцах, окружающих ядро.

а б Рис. 17.1. Дифракция на круглом входном зрачке: а – изображение точечного источника;

б – распределение интенсивности излучения в изображении точки (1) и концентрация энергии (2);

d – диаметр первого минимума Что из этого следует?

1. Изображение точечного источника света не бесконечно малая точка.

Эта точка имеет конечные размеры, ее размер определен явлением дифракции на входном зрачке.

2. Размер дифракционного кружка зависит от диаметра входного зрачка и длины фокусного расстояния ОС: чем больше входной зрачок и чем короче фокусное расстояние, тем меньше изображение звезды, и наоборот.

3. Не имеет смысла стремиться к математически точному воспроизведе нию теоретического профиля АП. Если ошибки реальной АП позволяют полу чать кружок рассеяния, не хуже «идеального» дифракционного кружка, такие ошибки допустимы.

В ОСТ 3-5418-93 «Детали оптические асферические» за критерий каче ства изготовления АП взят размер кружка рассеяния.

Как увидим в дальнейшем, кружок рассеяния не единственный критерий качества оптики.

§ 17.2. Критерий Рэлея Понятие о разрешающей способности возникло в астрономии при рас смотрении вопроса разрешения близких двойных звезд. На рис. 17.2 изображе ны два распределения освещенности в фокальной плоскости телескопа при раз личных угловых расстояниях между звездами. На рис. 17.2, а – провал в сум марной освещенности отсутствует («абсолютный критерий»): считается, что никакими средствами невозможно разделить пару звезд.

Сделаем здесь небольшое замечание.

Если вести речь только о близко расположенных двойных звездах или об объекте, структура которого известна заранее, то численная оценка «абсо лютной» разрешающей способности установлена неверно.

Рассмотрим изображение двойной звезды на виде в плане (рис. 17.2, в и г). Для распределения суммарной освещенности, приведенного на рис. 17.2, а, на виде в плане (рис. 17.2, в) вытянутость (эллиптичность) составляет 1,4. Как известно, глаз способен заметить вытянутость до 1,05, а с применением точных фотометрических приборов это значение еще меньше. Это первое возражение против невозможности различения близких двойных звезд по их слитному изо бражению.

Второе возражение заключается в возможности применения пространст венного фильтра с целью снижения яркости обоих источников. Это позволяет исследовать суммарный сигнал не на уровне его «подошвы», где обе звезды действительно слитны, а на уровне их «вершин». В качестве пространственного фильтра хорошо зарекомендовал себя кольцевой телескоп, частотно контрастная характеристика которого приведена на рис. 17.4, как раз иллюст рирует указанное обстоятельство: в результате понижения яркости и контраста на низких и средних частотах происходит повышение контраста и разрешаю щей способности в области высоких пространственных частот.

Рис. 17.2. Разрешение по Рэлею: а и в – «абсолютный» критерий;

б и г – критерий Рэлея Описанная процедура с применением пространственного фильтра в оп тике известна как аподизация. Она применяется как для объектов с заранее из вестным очертанием, так и для объектов неизвестной конфигурации.

Замечено также, что если при рассматривании в зрительную трубу како го-либо объекта сместить зрачок глаза относительно зрачка окуляра, как это показано на рис. 17.3, то контраст и отчетливость изображения мелких деталей возрастают более чем в 2 раза. Во-первых, это происходит потому, что орган зрения, будучи чувствительным фотоприемником, автоматически подбирает оптимальную освещенность, при которой контраст достигает максимума. Во вторых, несмотря на то, что именно на краях зрачков сферическая аберрация ОС и глаза достигают наибольших значений, интерференционные явления, происходящие у краев диафрагмы, каким-то удачным образом не только ком пенсируют указанные ошибки ОС и глаза, но и увеличивают контраст в изо бражении мелких деталей.

Рис. 17.3. Смещение зрачка глаза (2) относительно зрачка окуляра (1);

3 – зона повышенного контраста Таким образом, при умелом использовании указанных свойств на оптике того же качества возможно преодоление «абсолютного» критерия.

На рис. 17.2, б первый минимум 1-й звезды приходится на максимум 2-й звезды – провал на кривой суммарной освещенности составляет 22,5 %. Рэлей установил, что именно в этом случае двойные звезды разрешаются надежно.

Если ОС имеет плавную ошибку волнового фронта по всему диаметру входного зрачка с амплитудой не более /4, то кружок рассеяния остается в пределах дифракционного, а интенсивность в центральном максимуме кружка Эйри не снижается ниже 0,8. Указанный допуск (/4) на волновую ошибку на зывается критерием Рэлея.

§ 17.3. Число Штреля и ЧКХ Итак, для плавной ошибки ОС критерий имеется: амплитуда волновой ошибки не должна превышать /4. Но как быть с ошибкой профиля, амплитуда и частота которой изменяются по поверхности случайно?

Для подобных случаев введены понятия о частотно-контрастной харак теристике (ЧКХ) и о критерии Штреля. Последний рассматривает разрешаю щую способность прибора как интегральную характеристику по всему спектру пространственных частот для данного прибора.

Число Штреля есть отношение интенсивности в центре реального ядра к интенсивности в центре идеального ядра. Под ядром понимается площадка внутри первого дифракционного минимума в изображении звезды. Если это от ношение больше или равно 0,8, система первоклассна.

Число Штреля для реальных ОС, имеющих малые аберрации (скв /6), определяют по приближенной формуле S = 1 2CKB, где – рабочая длина волны излучения;

скв – среднеквадратичная ошибка вол нового фронта.


ЧКХ есть кривая зависимости контраста от пространственной частоты.

Под пространственной частотой понимается число линий в тест-объекте на миллиметр, под контрастом – отношение минимальной освещенности в изо бражении тест-объекта к максимальной освещенности. На рис. 17.4 представ лена ЧКХ безаберрационного кольцевого телескопа в зависимости от величины центрального экранирования. По оси ординат отложена относительная вели чина контраста, по оси абсцисс – относи тельная пространст венная частота.

Рис. 17.4. Частотно контрастная характери стика ОС с центральным экранированием Как видно из рис. 17.4, ЧКХ дости гает максимального значения на частоте = 0, когда размер тест-объекта равен диаметру входного зрачка D. Минимальное значение ЧКХ принимает при пре дельной пространственной частоте, когда max = D/d, где D – диаметр входного зрачка, а d – диаметр кружка Эйри. Относительная частота на графике 17. нормирована как /max.

§ 17.4. Критерий Марешаля Для волновых фронтов с ошибкой, хаотически меняющейся по диаметру ОС (как это имеет место, например, для АП, изготовленной с применением ма лоразмерного инструмента), Марешалем был определен допуск на среднеквад ратичную ошибку как /14.

Таким образом, если при изготовлении зеркала максимальная амплитуда max ошибки его поверхности, плавно изменяющейся по всему диаметру, не пре вышает /8, можно заканчивать работу: волновая ошибка ОС не превысит /4.

Для ошибок зеркала типа косинусоида среднеквадратичная ошибка ограничи вается скв /28.

Просуммируем среднеквадратичную ошибку плавного профиля Кербера (см. формулу 5 в лекции 7) при m = 1 по формуле n k CKB = k = n и получим скв = скв = 0/12,54. Такую среднеквадратичную ошибку должно иметь сферическое зеркало, эквивалентное параболическому.

§ 17.5. Взаимосвязь ошибок АП с волновой ошибкой ОС Итак, мы установили, что плавные по всему диаметру ОС ошибки по верхностей в сумме должны давать волновую ошибку с амплитудой не более /4;

среднеквадратичная величина случайной ошибки, ограниченная Мареша лем, не должна быть более /14. В этом случае ОС практически неотличима от идеальной.

Положим в дальнейших выкладках = 0,6 мкм. Поскольку на длине волны укладывается два максимума, которые визуально видны как цветные по лосы, то цена одной полосы будет составлять 0,3 мкм.

Волновая ошибка h, вносимая ошибкой каждой поверхности, опреде ляется по формуле h = (n - n), (1) где n и n - показатели преломления сред, разделяемых поверхностью (для зер кала n = 1, n = -1). Тогда для одной поверхности линзы, выполненной из мате риала с показателем преломления 1,5, h = (n - 1) = 0,5, (2) а для зеркала h = (1– (-1)) = 2. (3) Полагая h /4, получаем допуск на ошибку общей асферичности:

- для линзы /2 = 0,3 мкм, - для зеркала /8 = 0,075 мкм.

Полагая h /14, получаем допуск на местную ошибку поверхности:

- для линзы /7 = 0,085 мкм, - для зеркала /28 = 0,02 мкм.

Как видим, требования жесткие, особенно к местной ошибке.

Наибольшую ошибку вносят поверхности, отражающие внутри стекла:

линзы Манжена, призмы полного внутреннего отражения (призмы с крышей, триппель-призмы и т. п.). В этих ОД всякое искажение поверхности, от которой происходит отражение в стекле, увеличивается в 2n/cos раза, где n – показа тель преломления стекла, - угол между лучом и нормалью к поверхности.

ЛЕКЦИЯ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ § 18.1. Оптимизация распределения асферичности по АП Обратим внимание (§ 13.3) на то, что при асферизации астрозеркала фирмой РЕОСК был использован прием перераспределения съема припуска по поверхности исходной сферы в сторону края детали. В связи с этим уместен вопрос: только ли технологическими удобствами вызвана необходимость пере распределения? И далее – каково оптимальное распределение припуска по ис ходной сфере при асферизации АП?

Обратимся к профилю Кербера (см. рис. 7.2). Специалисты фирмы РЕОСК отказались от минимального съема, который предоставляет профиль с m = 1. Они произвели съем больше с края, сместив тем самым точку перегиба профиля ближе к краю. При этом параметр m профиля Кербера стал больше единицы. Но самое главное – наклон касательной и градиент асферичности на краю сделались меньше. Очевидно, что при этом снизилась опасность срыва края.

Проведем небольшой анализ.

Из аналитической геометрии известно, что производная дает тангенс уг ла наклона касательной к кривой. Продифференцируем по ординате кривую профиля Кербера (2) из § 9.3 и получим ' = 20(m – 22)/H. (1) На краю производная примет значение '(H) = 20(m – 2)/H. (2) Назовем угол касательной (1) крутизной профиля.

Найдем вторую производную профиля Кербера, вторично продиффе ренцировав (1):

= 20(m – 62)/H2. (3) Приравняв (3) нулю, найдем, на какой зоне производная имеет макси мальное значение m. (4) max = Подставив найденное значение относительной ординаты в (1), получим максимальное значение производной на зоне 4m 0 m. (5) ' ( 'max ) = 3H Уравнивая между собой (2) и (5), найдем значение параметра m, при ко тором углы наклона на краю и на зоне оказываются по модулю равными между собой. Этот профиль и окажется с минимальным значением градиента асфе ричности из всех возможных.

Итак, m = 3/2, max = 0,5 и '(0,5) = - '(1) = 0/H.

Запомним: минимальная крутизна профиля равна 'min = 0/H. (6) Интересно отметить, что профиль Кербера, дающий минимальный хро матизм, одновременно обеспечивает и минимальный градиент асферичности, что благоприятствует получению наивысшей точности АП.

§ 18.2. Регулярная ошибка профиля Зададимся вопросом: чем вызван переход от критерия Марешаля к более жесткому критерию /80 при асферизации современных астрономических зер кал?

Безусловно, это связано со стремлением астрономов получить макси мально возможный объем информации от оптического инструмента, используя приемы сверхразрешения, упомянутые в § 17.2. А в этом случае возрастает роль местных и особенно зональных ошибок АП.

Проведем небольшое исследование.

Рассмотрим АП, имеющую регулярную ошибку типа косинусоиды, изо браженной на рис. 18.1, а.

Рис. 18.1. К расчету допуска на регулярную ошибку: а – исходная ошибка;

б – после устра нения «бугров» на исходной поверхности Это зональная, осесимметричная ошибка, описываемая уравнением max 2y, (1) = 1 + cos 2 T где max – размах ошибки, Y - текущая переменная (в данном случае – абсцисса), T – период косинусоиды.

Продифференцировав выражение (1), найдем тангенс угла наклона каса тельной к кривой max 2y. (2) ' = sin T T Взяв вторую производную от (1) и приравняв ее нулю, найдем, что мак симального значения угол наклона касательной к кривой (1) достигает при y = T/4, т. е. в точках 1, 2, 3 и 4. Подставив это значение в (2), находим макси мальное значение тангенса угла наклона max. (3) 'max = T Сравнивая (3) с (6) предыдущего параграфа при T = H, отметим, что ко синусоида дает в раз больший наклон касательной, чем профиль Кербера с m = 3/2.

Положим, АП является зеркалом. Тогда кружок рассеяния, который соз даст ошибка (1) поверхности, определится по формуле 4 max F 4n max F 8n max. (4) d = 4 'max F = = = T H A Здесь F – фокусное расстояние;

H – половина диаметра;

A – относительное отверстие зеркала, n – число периодов косинусоиды на половине диаметра АП.

Теперь проанализируем процесс асферизации.

Получив картограмму ошибок поверхности, оптик (или исполнительная программа – что одно и то же, так как программа вбирает в себя опыт оптика) направляет инструмент на «бугор» на исправляемой АП и снимает его.

На месте бугра образуется «яма» (между точками 0-1 и 2-3), как это по казано на рис. 18.1, б. При этом амплитуда ошибки уменьшится в 2 раза, а зна чит, и среднеквадратичная ошибка снизится вдвое.

Но на рис. 18.1, б мы видим, что и период T косинусоиды также умень шился в 2 раза. Если мы подставим новые значения для периода и амплитуды m ошибки в (3), то обнаружим, что работа проделана напрасно: угол наклона касательной остался прежним, а значит, и кружок рассеяния не изменился!

Косинусоидальная ошибка профиля – самый типичный и трудно устра нимый вид ошибки для всех современных машинных способов обработки по верхностей малоразмерным инструментом. Причем, среднеквадратичная оцен ка скрывает эту ошибку. В данном случае более корректной характеристикой качества АП является ошибка направления нормали к АП, определяющая раз мер кружка рассеяния. Устранение косинусоидальной ошибки профиля может быть достигнуто только уменьшением амплитуды и увеличением периода этой ошибки.

Оценим качество современного телескопа 10 м при A = 1 : 1,25 = 0,8, n = 2 и max = 12,54/80 = 0,0001 мм. Кружок рассеяния по (4) составит d = 8*2*0,0001/0,8 = 0,006 мм = 6 мкм, что при фокусном расстоянии 12,5 м даст разрешение (6*10-3 / 12,5*103) / 5*10-6 = 0,1". Теоретическое (дифракцион ное) разрешение 10-метрового зеркала составляет 140 / 10000 = 0,014". Как ви дим, реальное разрешение для рассмотренного телескопа еще далеко от теоре тического.

Отметим: разрешение в 0,1 секунды получилось при двух периодах ко синусоиды, имитирующих два ряда ячеек, из которых состоит современное сегментированное зеркало. Если рядов будет 4, то чтобы получить такое же ка чество, как и при 2 рядах сегментов, необходимо среднеквадратичную ошибку уменьшать в 2 раза. А для достижения теоретического предела разрешения по требуется выполнить поверхность со среднеквадратичной ошибкой /560.

§ 18.3. Деформация заготовок при блокировании При блокировании на ОД оказывается силовое воздействие, которое де формирует ее. По окончании блокировки деформация ОД фиксируется посред ством наклеечной смолы или оптического контакта (рис. 18.2, а).

Рис. 18.2. Влияние деформации заготовки на точность поверхности: а – искажение формы ОД при блокировании;

б - обработанная по плоскости ОД после разблокирования Обработанная в деформированном состоянии ОД после разблокировки под действием упругих сил своего материала разгибается, искажая геометрию обработанной поверхности (рис. 18.2, б).

Величина искажения равна величине упругой деформации ОД при бло кировании. Эта деформация и составляет ошибку профиля поверхности.

§ 18.4. Остаточные напряжения в стекле Заготовки ОД обычно отливают в виде плоских круглых дисков. После литья оптическое стекло подвергается отжигу.

На этапе ответственного охлаждения отжигаемого стекла в нем из-за пе репада температуры между внутренними и наружными областями возникают напряжения. После охлаждения до нормальной температуры внутренние облас ти оказываются под действием растягивающих напряжений, а наружные — под действием сжимающих (рис. 18.3).

Напряжения распределяются по толщине 2l плоской заготовки по па раболическому закону E T (l 3x 2 ), (1) = 6a(1 ) где – коэффициент термического расширения стекла, град-1;

Е — модуль уп ругости стекла, кГ/см2;

а — коэффициент теплопроводности стекла, см2/град;

, — коэффициент Пуассона;

T — скорость снижения температуры стекла при отжиге, °/ч;

l — полутолщина заготовки, см;

х — текущая координата, см.

Рис. 18.3. Распределение остаточных напряжений по толщине плоского диска При обработке с плоского диска произ водится съем материала dh. После освобожде ния заготовки от закрепления напряжения пе рераспределяются, их равновесие восстанав ливается относительно новой плоскости сим метрии. При этом диск деформируется и при обретает форму концентрического мениска со стрелкой прогиба поверхности, равной w=3gdhD2/4ВЕh2, (2) где g — двойное лучепреломление стекла, нм/см;

В — оптический коэффициент напряжения, кГ;

D, h — диаметр и толщина заготовки, см;

Е — модуль упруго сти.

§ 18.5. Градиенты температуры Особенностью процесса полирования методом взаимного притира, ис пользуемого при формообразовании сферических поверхностей, является ти пичный срыв края типа «фаски» и образование «ямы» в центре ОД.

Такие искажения геометрии поверхности возникают в результате того, что край и центр ОД находятся в разных тепловых условиях.

Ввиду того, что с краев притирающихся поверхностей идет интенсивное испарение влаги, края остывают и сжимаются, отходя друг от друга. Притир на краю прекращается. Подача полирита идет с края, поэтому на краю слой поли рита нарастает и производит энергичное удаление стекла в этой зоне. На ОД происходит срыв края.

Напротив, центр ОД постоянно «прикрыт», теплоизолирован полиро вальником от внешней среды. Здесь идет интенсивный нагрев. Материалы по лировальника и ОД расширяются, интенсивность притира возрастает, в цен тральной зоне поверхности ОД образуется «яма».

Для устранения краевого искажения геометрии поверхности полиров щик заранее устанавливает соотношение размеров полировальника и ОД таким образом, чтобы верхнее звено элементов взаимного притира было на 10 – 15 % меньше нижнего. Этим самым уменьшается зона с «присушенным» полиритом.

Рабочий следит за постоянным увлажнением края, предотвращая «присушку»

полирита.

Принципиальное решение проблема срыва края получает при использо вании помп, обеспечивающих непрерывную подачу суспензии в зону притира.

Для устранения дефекта типа «ямы» в центре ОД производится выборка материала в центре полировальника, уменьшающая площадь притира в этой зо не. Таким образом, устранение искажения геометрии поверхности достигается путем уменьшения в центральной зоне коэффициента покрытия ОД инструмен том.

§ 18.6. Шероховатость поверхности Поверхности ОД, как правило, обрабатываются последовательно одна за другой. В результате после полировки одной поверхности другая (для призм – даже несколько других поверхностей) остается еще шлифованной.

Шлифованные поверхности адсорбируют на себя ионы и молекулы вла ги, которые, попадая в поры, оказывают расклинивающее воздействие на шли фованную поверхность. В результате ОД изгибается в сторону полированной поверхности. Прогиб w определяется по формуле w = 3PD2(1 - )/4Eh2, где P – величина расклинивающей силы со стороны шлифованной поверхности ОД.

При понижении влажности в атмосфере указанный изгиб уменьшится:

ОД будет вести себя подобно датчику влажности, нестабильно.

Для уменьшения описанного эффекта ОД придают увеличенную толщи ну, либо полируют с обеих сторон. Очевидно, что после полировки второй сто роны первая требует переполировки. Поэтому для точных ОД вводится опера ция «доводка поверхностей».

§ 18.7. Срыв края на поверхности ОД Как описано в § 18.5, срыв края является типичной ошибкой процесса формообразования поверхностей ОД. Большое влияние на величину этого ис кажения оказывает выбор материала полировальника.

В последнее время в качестве основы для полировальников рекоменду ются синтетические материалы типа кожзаменителей (особенно настойчивы в этом поставщики зарубежного оборудования).

Благодаря пористости кожзаменителя с поверхности полируемого стекла удаляются все микрочастицы. В результате обрабатываемая поверхность при обретает нулевой (самый высокий) класс чистоты. Однако – в силу мягкости материала полировальника края оказываются сорванными на достаточно про тяженном, наиболее ответственном участке поверхности ОД.

В связи с этим при обработке высокоточных ОД применение мягких ма териалов в качестве основы для полировальников недопустимо.

§ 18.8. Возникновение ряби на поверхности ОД Стекло и материал полировальника (смола, полиуретан, фетр и т. д.) об ладают высокой упругостью. При достижении определенного значения относи тельной скорости на притирающихся поверхностях возникают высокочастот ные колебания, приводящие к образованию на обрабатываемой поверхности ряби, недопустимой для точных ОД.

Режимы, на которых синтетические и мягкие материалы обеспечивают высокую чистоту, приводят к образованию ряби на поверхности ОД.

Оптические смолы, обеспечивая заданную чистоту на приемлемых ско ростях обработки, не образуют ряби, поэтому вот уже несколько столетий пе ковые смолы остаются непревзойденным материалом для полировальников, используемых при обработке высокоточных ОД.

Литература к разделу 1. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1975.

2. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения / М.Н.Сокольский. – Л.: Машиностроение, 1989.

3. Афанасьев В.А. Оптические измерения / В.А. Афанасьев. – М.: Недра, 1968.

4. Мальцев М.Д. Расчет допусков на оптические детали / М.Д. Мальцев. – М. Машиностроение, 1974.

5. Справочник технолога-оптика / под ред. М. Окатова. – СПб.: Политехни ка, 2004.

Раздел МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В этом разделе мы рассмотрим методы и средства, используемые для контроля геометрии исполнительных поверхностей ОД.

Работоспособность оптического прибора всецело зависит от качества ОД, составляющих ОС, и правильной их сборки. Своевременное измерение ошибок ОД в процессе формообразования поверхности организует обратную связь: чем точнее измеряется ошибка, тем точнее возможно исправление гео метрии поверхности.

На протяжении всего техпроцесса изготовления ОД подвергается про верке на правильность хода формообразования. Причем, по мере приближения к финишной операции точность контроля возрастает. Для этого производится смена средств контроля – от грубых контактных переходят к прецизионным, бесконтактным.

Кривизну сферических поверхностей при шлифовании проверяют шаб лонами или притирочным инструментом, а после мелкого шлифования и поли рования контролируют сферометрами, пробными стеклами и интерферометра ми. В процессе изготовления АП контролируются накладными сферометрами, теневым методом или методом Гартмана, аттестацию АП производят интерфе ренционным методом с применением компенсаторов и голограмм.

ЛЕКЦИЯ КОНТРОЛЬ ШЛИФОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ § 19.1. Инструмент для измерения радиуса кривизны После обдирки заготовки на станке «Алмаз» или «Мениск» обработан ная сфера проверяется на просвет шаблоном на соответствие заданному значе нию. Шаблон представляет собой стальную пластину толщиной 3 – 4 мм с об работанной по заданному радиусу одной кромкой. При наложении шаблона на обработанную поверхность смотрят на источник света: глазом заметен зазор до 1 микрометра.

Контроль плоских поверхностей осуществляют с помощью лекальных линеек на просвет с точностью около 0,1 мм и стеклянных оптических линеек с точностью 0,02 — 0,05 мм.

Рис. 19.1. Контроль формы плоских поверхностей оптических деталей на просвет: а — пло ская поверхность;

б — «яма»;

в — «бугор»;

г — волнистая поверхность;

1 – контрольный ин струмент;

2 – контролируемая ОД;

3 – след на ОД от касания инструмента или зазор При контроле на просвет стальную лекальную линейку 1 устанавливают на поверхность детали 2 и по величине и форме зазора 3 оценивают вид непло скостности поверхности (рис. 19.1).

При другом способе контроля стеклянную лекальную линейку слегка притирают к измеряемой поверхности и по оставшимся на ней следам (блест кам) судят о виде неплоскостности.

Контроль кривизны шлифуемых сферических поверхностей осуществ ляют притирочным инструментом (присосной шалой), радиус поверхности ко торого равен радиусу, рассчитанному для последующего перехода обработки блока. Перед контролем линзу или блок промывают, вытирают насухо и вруч ную слегка притирают к притирочному инструменту. От притирки на стекле остается след. Если след расположен в центре — «бугор», если на краю — «яма». По длине следа судят о величине ошибки сферы ОД. Чем длиннее след, тем это отступление меньше и точнее обработана поверхность.

Для численной оценки ошибок формы поверхности служат сферомет ры, которые измеряют величину стрелки шарового сегмента на заданной базе.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.