環拋階段磨削量在線監測裝置及磨削量在線監測方法

2023-05-31 02:56:06

專利名稱：環拋階段磨削量在線監測裝置及磨削量在線監測方法
技術領域：
:本發明屬於光幹涉計量領域，特別是一種可用於環拋機上的實現在線監測磨削量的裝置以及基於該裝置進行實時監測磨削量的方法。
背景技術：
高精度的光學元件，尤其是大口徑高精度的光學元件經過成型、精磨和初拋工序後，一般都採用環形拋光(環拋)或者環拋與數控的組合加工來完成最終的精密拋光。在光學元件加工過程中，環拋是光學元件表面由精密到超精密的關鍵一步。目前，國內環拋階段的磨削量檢測全部採用離線方式，工件的環拋工序與面形檢測工序是分離的。技術工人對工件進行環拋加工到一定階段，將工件從環拋機上取下，利用面形檢測裝置(例如數字幹涉儀)檢測工件面形，依據檢測結果調節環拋機參數繼續環拋加工,如此交替進行環拋加工與面形檢測直至工件達到加工要求。這種離線式面形檢測方式，有以下缺陷:1.該檢測方式使得環拋加工對操作者的經驗依賴增強，工藝的自動化程度降低。測得工件面形數據後，磨削量與環拋機參數的設定以及環拋時間的關係很大程度上依賴於技術工人的經驗，限制工藝的工程化發展。2.該檢測方式降低了環拋加工質量的穩定性。由於鏡片裝夾姿態將導致面形變化，而環拋加工時工件的姿態與檢測時不同，這樣檢測結果勢必誤導技術工人選擇環拋機參數，降低了工件加工質量的穩定性。3.該檢測方式降低了工件加工的生產效率。採用離線式檢測工件面形，使其製造成本和工時佔整個製造流程的50%以上。因此面形檢測始終是大口徑平面光學元件冷加工流程線中的瓶頸。

發明內容
本發明的目的在於提供一種環拋階段磨削量在線監測裝置以及磨削量實時監測方法。實現本發明目的的技術方案為:一種環拋階段磨削量在線監測裝置，包括白光光源1、準直鏡2、起偏器3、普通分光鏡4、寬光譜偏振分光稜鏡5、色散補償鏡6、參考反射鏡7，檢偏器8、(XD9和顯示屏10 ;光路結構沿光路行進方向依次是光源1、準直鏡2、起偏器
3、普通分光鏡4、寬光譜偏振分光稜鏡5,之後光束分為兩路:一路經過色散補償鏡6、參考反射鏡7，為參考光；一路經過工件，為測試光，這兩路光方向相互垂直；之後兩束光原路返回，在寬光譜分光稜鏡5出射合併回到普通分光鏡4 ;普通分光鏡4反射面所在平面與光路系統光軸成45° ,從寬光譜偏振分光稜鏡5出射的合成光在普通分光鏡4反射面反射,之後一起從檢偏器8透射而出，最後入射到(XD9 ;(XD9與顯示屏10連接，輸出幹涉條紋。色散補償器件6採用與待磨工件厚度相同且基底材料相同的標準工件。光源I為白光光源或單色光LED。
一種實時監測磨削量的方法，步驟如下:a)標定磨削量在線監測裝置；將磨削量在線裝置中的白光光源換成波長已知的單色光LED，根據條紋間距以及顯示屏10上標註的刻度尺上的讀數確定條紋偏移量以及光程變化量之間的比例係數C，由該比例係數確定刻度尺上讀出的白光條紋偏移量與實際磨削量的關係；b)實測磨削量:將磨削量在線裝置中的單色光LED換成白光光源，旋轉起偏器3調節測試光與參考光相對光強；環拋過程中監測白光中心條紋偏移量，直至磨削量達到要求為止。白光條紋偏移量與實際磨削量關係S=AL' /neCAL』為白光中心條紋偏移量，為白光等效折射率，C為條紋偏移量與光程差變化量之間的比例係數。實時檢測磨削量的方法為:邊對工件進行環拋，邊從顯示屏上檢測中心條紋的偏移。本發明與現有技術相比，顯著優點為:實現了工件環拋加工與磨削量監測的同步；降低環拋對技師經驗的依賴性；降低工件檢測成本，尤其是大口徑工件的檢測成本；調整步驟簡單，操作方便快捷。


圖1是磨削量實時監測裝置光學結構。圖2是待磨工件以及待磨區域的定義。圖3是磨削量監測裝置標定條紋圖。圖4是工件磨削量監測示意圖。圖5是環拋過程中條紋偏移示意圖。
具體實施例方式玻璃磨削量反應為磨削量監測裝置中光程差的變化量，光程差的變化量反應為條紋的偏移量，通過監測條紋的偏移量可達到在線監測磨削量的目的，要實現該發明需包含以下內容:1.提供一種可用於環拋機的白光幹涉工件磨削量在線監測裝置(以下簡稱磨削量監測裝置)。該裝置可調節白光幹涉條紋的對比度，也可以消除色散對白光幹涉造成的影響。2.提供一種基於磨削量監測裝置的磨削量在線監測方法，包含兩個步驟:a.採用已知波長的單色LED標定磨削量監測裝置，得到磨削量與條紋偏移量之間的比例關係。b.採用白光作為傳感裝置的光源監測目標區域，環拋工件並監測中心條紋，由於環拋機對鏡面磨削，中心條紋發生偏移，監測偏移量磨削量達到要求為止。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，本發明提供一種磨削量在線監測裝置。光學結構包含白光光源1、準直鏡2、起偏器3、分光鏡4、寬光譜偏振分光稜鏡5、色散補償鏡6、參考反射鏡7,檢偏器8,CCD9、顯示屏10。從光源I出射的白光經過準直鏡2形成準直光，入射到起偏器3變成線偏振光，由普通分光鏡4透射而出，寬光譜偏振分光稜鏡5把光路分成兩部分:P光入射到色散補償鏡5與參考反射鏡7形成參考光,S光入射到環拋工件形成測試光。寬光譜偏振分光稜鏡5與參考反射鏡7組成的光學結構稱為參考臂，寬光譜偏振分光稜鏡5與工件組成的光學結構稱為測試臂，參考臂與測試臂相互垂直。由於偏振態不改變參考光與測試光按原光路返回，分別經寬光譜偏振分光稜鏡5透射、反射而出，由普通分光鏡反射到檢偏器8，普通分光鏡4反射面所在平面與光路系統光軸夾角為45°，檢偏器8的透振方向與測試光以及參考光的偏振方向夾角為45° ,普通分光鏡4與CCD9組成的光學結構稱為米集光路,它與參考臂相互垂直。從檢偏器8透射而出的測試光與參考光形成幹涉，幹涉圖被(XD9採集。該裝置的特點在於:其一，測試光反射界面由水層以及工件待磨麵組成，參考光反射界面由色散補償鏡6以及標準反射鏡7組成，因此該系統中參考光與測試光反射率差異很大，針對此點可通過旋轉起偏器3改變測試光與參考光的相對光強，實現了白光照明條件下工件與參考反射鏡7的反射率匹配，取消常規偏振幹涉儀中的波片等偏振元件，突破了常規偏振幹涉儀只能適用於單色光源的限制；其二，白光是寬光譜光源，在基底材料較厚工件中會產生色散，針對此點系統採用的色散補償鏡6與工件的基底材料相同、厚度一致，很大程度地消除色散，使磨削量監測裝置採集到的幹涉信號對比度不受色散影響。結合圖2，環拋工件是一塊待拋光大口徑鏡面。經過粗磨，精磨，它的表面面形已經接近加工要求，接著需要對鏡面拋光，A面是工件非拋光面，B面是拋光面。結合圖3，磨削量監測裝置標定條紋圖是在對裝置進行標定時從顯示屏上得到的一組條紋圖，圖中的刻度尺事先已標註在顯示屏上。結合圖3，圖4，圖5本發明還提供是一種利用磨削量在線監測裝置實時監測磨削量的方法，包括以下步驟 :步驟1:標定磨削量在線監測裝置。將圖2中光源換成波長單色LED光源。在標有刻度尺的顯示器10上顯示了一組條紋如圖3所示。從顯示器10上的刻度尺讀出N個條紋周期間距AL，條紋偏移量與光程變化量之間的比例係數C可以用下式表示:
2A/(I)C= ―1
' NAe式中是單色LED光源等效波長。不改變參考鏡7傾斜情況下將光源換成白光，將磨削量在線監測裝置放置在工件A面，B面接觸環拋機磨盤，如圖4所示。若中心條紋偏移AL』，如圖5所示，則此時磨削量可以用下式表示:S=AL' /neC (2)式中ne為白光等效折射率。步驟2:實測磨削量。開啟環拋機同時實時監測條紋偏移，此時對應於條紋偏移量的磨削量可由(2)式計算所得，當磨削量達到要求環拋停止。
權利要求
1.一種環拋階段磨削量在線監測裝置，其特徵在於:包括白光光源[I]、準直鏡[2]、起偏器[3]、普通分光鏡[4]、寬光譜偏振分光稜鏡[5]、色散補償鏡[6]、參考反射鏡[7]，檢偏器[8]、CCD[9]和顯示屏[10];光路結構沿光路行進方向依次是光源[I]、準直鏡[2]、起偏器[3]、普通分光鏡[4]、寬光譜偏振分光稜鏡[5]，之後光束分為兩路:一路經過色散補償鏡[6]、參考反射鏡[7]，為參考光；一路經過工件，為測試光，這兩路光方向相互垂直；之後兩束光原路返回，在寬光譜分光稜鏡[5]出射合併回到普通分光鏡[4];普通分光鏡[4]反射面所在平面與光路系統光軸成45° ,從寬光譜偏振分光稜鏡[5]出射的合成光在普通分光鏡[4]反射面反射，之後一起從檢偏器[8]透射而出，最後入射到CCD [9] ；CCD[9]與顯示屏[10]連接,輸出幹涉條紋。
2.根據權利要求1所述的環拋階段磨削量在線監測裝置，其特徵在於:色散補償器件[6]採用與待磨工件厚度相同且基底材料相同的標準工件。
3.根據權利要求1所述的環拋階段磨削量在線監測裝置，其特徵在於:光源[I]為白光光源或單色光LED。
4.一種實時監測磨削量的方法，其特徵在於，步驟如下: a)標定磨削量在線監測裝置；將磨削量在線裝置中的白光光源換成波長已知的單色光LED，根據條紋間距以及顯示屏[10]上標註的刻度尺上的讀數確定條紋偏移量以及光程變化量之間的比例係數C，由該比例係數確定刻度尺上讀出的白光條紋偏移量與實際磨削量的關係; b)實測磨削量:將磨削量在線裝置中的單色光LED換成白光光源，旋轉起偏器[3]調節測試光與參考光相對光強；環拋過程中監測白光中心條紋偏移量，直至磨削量達到要求為止。
5.根據權利要求4所述的實時監測磨削量的方法，其特徵在於:白光條紋偏移量與實際磨削量關係 5=AL' /neC AL』為白光中心條紋偏移量，為白光等效折射率，C為條紋偏移量與光程差變化量之間的比例係數。
6.根據權利要求4所述的實時監測磨削量的方法，其特徵在於:實時檢測磨削量的方法為:邊對工件進行環拋，邊從顯示屏上檢測中心條紋的偏移。
全文摘要
本發明公開了一種環拋階段磨削量在線監測裝置以及在線監測方法，包括白光光源[1]、準直鏡[2]、起偏器[3]、普通分光鏡[4]、寬光譜偏振分光稜鏡[5]、色散補償鏡[6]、參考反射鏡[7]，檢偏器[8]、CCD[9]和顯示屏[10]；方法為a)標定磨削量在線監測裝置；將磨削量在線裝置中的白光光源換成波長已知的單色光LED，根據條紋間距以及顯示屏[10]上標註的刻度尺上的讀數確定條紋偏移量以及光程變化量之間的比例係數C，由該比例係數確定刻度尺上讀出的白光條紋偏移量與實際磨削量的關係；b)實測磨削量將磨削量在線裝置中的單色光LED換成白光光源，旋轉起偏器[3]調節測試光與參考光相對光強；環拋過程中監測白光中心條紋偏移量，直至磨削量達到要求為止。依據本發明所述裝置以及所述方法可實現磨削量的在線監測。
文檔編號G01B11/24GK103144036SQ201210591550
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者陳磊, 李金鵬, 李博, 何勇, 王青, 朱日宏, 李建欣, 烏蘭圖雅, 鄭東暉 申請人:南京理工大學