CC BY
394
УДК 621.923(924):681.7.023.7
А.Н. Соснов, Н.К. Соснова, С.В. Критинина
СГГ А, Новосибирск
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Общие положения
Известно, что при изготовлении крупногабаритной прецизионной оптики традиционно возникают серьезные трудности технического и технологического характера, препятствующие решению основной задачи обработки - получению точной поверхности, заданной уравнением, на всей площади заготовки. Эти трудности определяются, прежде всего, следующими факторами:
- Несовершенством оптического станка и ошибками в его настройке;
- Неоднородностью твердости материала в различных точках заготовки;
- Сложными температурными процессами в зоне обработки;
- Неопределенностью характера распределения давления по поверхности заготовки и его эволюции в процессе обработки.
В результате формообразование оптических поверхностей во многом определяется опытом и интуицией рабочего, а не точными научными сведениями о сущности процесса, и технология изготовления детали не является сходящейся, т. е. в процессе работы оптик некоторое время улучшает качество поверхности, а часть времени непроизвольно тратит на ее ухудшение. По этой причине материальные и временные затраты на изготовление крупногабаритной оптики оказываются неоправданно большими и качество готовой детали зависит в основном от квалификации оптика. Это вносит значительный субъективный элемент в оптическую технологию.
Выходом из создавшегося положения может стать автоматизация процессов формообразования деталей с применением специализированных станков и средств вычислительной техники, на основе разработки математических моделей данных процессов. В этом случае технология станет строго сходящейся, т. е. за каждый сеанс обработки оптическая поверхность будет только улучшаться (независимо от личного опыта специалиста). Следующим, более высоким уровнем решения данной проблемы должно стать создание полностью автоматизированных технологических комплексов для изготовления оптических прецизионных деталей самых различных профилей, обеспечивающих автоматическую обработку поверхности и ее контроль в реальном времени, связанных обратной связью. Широкие возможности для решения указанных выше задач открывает развитие вычислительной техники. Хорошо известно, что применение ЭВМ вызвало революцию в вычислительной оптике [1-3] и привело к существенным изменениям методов исследований оптических элементов и систем.
Прежде всего, это относится к созданию и анализу математических моделей процессов обработки различных оптических поверхностей. Подавляющее большинство всех попыток промоделировать механизм шлифования и полирования основано на известной гипотезе Престона [4-5].
С изменением взаимного положения притирающихся поверхностей картина распределения скоростей также меняется, поэтому скорость является еще и функцией времени
- Удельное давление р распределено по поверхности контакта неравномерно и характер этого распределения непрерывно изменяется при движении центра верхнего звена. Поэтому р также является функцией координат и времени, а если учесть, что характер давления зависит в от эволюции притирающихся поверхностей, то станет очевидной следующая функциональная зависимость:
Р = р(Р,Н?,£,Ь.
)
(2)
Вращение верхнего звена чаще всего кинематически не определено и является результатом фрикционных связей с нижним звеном. Поэтому угловая скорость ю верхнего звена зависит от характера распределения давлений и относительных скоростей, от величины коэффициента трения f и от времени:
- Указанное обстоятельство увеличивает количество параметров от которых зависит величина V относительной скорости:
- Классическая технология формообразования предусматривает обработку с так называемым "выходом за край", при котором часть поверхности заготовки не все время находится в контакте с инструментом.
Таковы лишь основные трудности задачи, вынуждающие исследователей идти по пути разработки упрощенных решений ее частных проблем (определение характера распределения относительных скоростей во времени по обрабатываемой поверхности, изучение влияния на характер износа неравномерности распределения относительных скоростей и "выхода за край", исследование динамики свободного вращения верхнего звена, оценка влияния неравномерности распределения давлений по поверхности на характер износа и т. п.). Часть из них до сих пор не решена, другие исследованы и описаны, например, в [6-9]. Уместно вспомнить, что теоретические вопросы создания управляемых процессов формообразования оптических поверхностей одними из первых начали разрабатывать советские ученые. В МВТУ им. Баумана эти работы в 50-е года начал М.Н. Семибратов. Он классифицировал притир заготовки и инструмента как кинематическую пару 3-го класса с силовым замыканием и выделил в качестве независимых
Рис. 1
параметров процесса притирки траекторию и скорость движений инструмента и заготовки и геометрию их рабочих поверхностей, а также предложил 10 параметров для управления процессом [10]. Он же впервые ввел так называемый коэффициент покрытия, ставший одним из основных понятий для теоретических исследований "оптического направления". Суть сказанного понятна из рис. 1. Два плоских круглых диска-инструмента (I) радиуса R и деталь (2), произвольная точка М которой определяется радиусом р, вращаются с постоянными угловыми скоростями вокруг своих центров - точек "0" и "С" и скользят друг по другу с переменным эксцентриситетом е. Если зафиксировать расстояние l, то относительное время нахождения точки "М" детали, выходящей за край инструмента, в контакте с последним (это и есть коэффициент покрытия), будет равно:
где: t3 - эффективная часть промежутка времени, t - его полная продолжительность, 2р-центральный угол, соответствующий эффективному промежутку, ю - угловая скорость детали. Для инженерных расчетов пользуются ^развернутым выражением коэффициента покрытия:
где ys - средний коэффициент покрытия для зоны р, в которой определяется износ. Просчитанные авторами значения коэффициента для случаев обработки плоских и сферических поверхностей могут использоваться до решения производственных задач.
В 60-70-х годах С.И. Винокуром была предпринята попытка учесть распределение давления в зоне контакта двух плоских взаимно -притирающихся поверхностей и связанное с ним взаимное влияние распределения износа одной поверхности на износ другой. Он получая систему двух интегро-дифференциальных уравнений, определяющих эволюцию формы поверхностей [11].
Первая удачная попытка реализовать в условиях реального производства задачу автоматизации процесса обработки крупногабаритной прецизионной оптики принадлежит английской фирме Grubb & Parson, производящей астрономические зеркала. Ей разработан математический аппарат, создана математическая модель процесса полирования оптических поверхностей полноразмерным инструментом и отлажена программа получения от ЭВМ рекомендаций для назначения оптимальных режимов доводки профиля [12].
При создании математической модели сотрудники фирмы исходили из условия использования полноразмерного инструмента, основное достоинство которого они видели в способности получать и сохранять осесимметричный профиль на поверхности заготовки. Для исключения из модели сложно программируемого фактора "выхода за край" максимальное смещение инструмента относительно центра детали ограничивали несколькими процентами от величины ее диаметра. Разработанная программа состоит из
четырех разделов и оперирует с исходными данными, поступающими от оператора и из банка ЭВМ. Трудно, однако, согласиться с ориентацией авторов на использование полноразмерного инструмента и классической схемы обработки, поскольку при этом очевидны два момента, серьезно ограничивающие применимость методики:
- Значительная сложность (практически невозможность) исправления местных ошибок;
- Сложность создания инструмента, само назначение которого требует от него совокупности сложно-сочетаемых свойств (он должен быть достаточно эластичным для обеспечения надежного и полного контакта с заготовкой в течение всего процесса обработки и одновременно жестким для получения точной осесимметричной поверхности и ее сохранения.
Именно поэтому большинство технологических комплексов, создаваемых для автоматизированной обработки оптических деталей, при управлении ею от ЭВМ, успешно использует малоразмерный инструмент [13-14], .который значительно более удачно, чем полноразмерный, "вписывается" в систему четырех технологических факторов, позволяющих регулировать ход шлифования и полирования заготовок.
Управление процессом формообразования за счет времени обработки
Обзор исследований в данной области следует начать со ставших классическими разработок М.Н.Семибратова.
Так, описанный им инструмент для местной ретуши асферических поверхностей, рабочая поверхность которого представляет собой "лепестка" определенной конфигурации, осуществляет формообразование заданного профиля за счет управления временем обработки. Аналогичный принцип заложен в каблучный инструмент того же автора и в устройство, предложенное сотрудниками Крымской обсерватории [15], а также является основой так называемого метода масок [16-19]. Обработка по способу программирования времени заложена и в станки, разработанные в МВТУ им. Н.Э.Баумана [20-21]. Не останавливаясь подробно на достоинствах и недостатках всех описанных выше разработок, заметим лишь, что они, реализуя по существу квази-свободный притир, обеспечивают машинную обработку поверхностей с точностью в 2-4 интерференционных кольца.
Управление процессом формообразования за счет скорости инструмента
Скорость имеет три составляющие: скорость вращения заготовки, скорость вращения инструмента и скорость перемещения верхнего звена. Для случая обработки крупногабаритной оптики ввиду большой инерционности системы управление скоростями затруднено, и на сегодня этот принцип реализован только в станках "Старт". Очень интересно поэтому устройство [22], предназначенное для получения радиально-симметричной поверхности (рис. 2). На вращавшейся планшайбе (I) устройства закрепляют заготовку (2). Центральная плата (3) вращается на оси суппорта (4). Инструмент (5), ось которого пропущена через плату, приводится во вращение двигателем (6) через приводной ремень (7) и шкив (8).
На основании станка установлен управляющий механизм, состоящий из каретки (9), чувствительного элемента (10) и хомутика (II). Каретка скользит по заправляющей (12); движение осуществляется с помощью ходового винта (13) от двигателя (14). Блок управления состоит из двух кулачков (15) и (16) и протяженного источника света (17). Фотоприемник в чувствительном блоке предохраняется от боковой засветки трубкой (18). На боковых стойках станка установлены концевые выключатели (19) и (20), предотвращающие поломку станка в случае выхода из строя чувствительного блока. Электрическая схема устройства собрана так, что каретка движется в одном из направлений до тех пор, пока фотоприемник освещен. Когда один из кулачков экранирует источник, электросхема переключает направление вращения электродвигателя (14) на обратное и каретка начинает двигаться в противоположном направлении до тех пор, пока другой кулачок не экранирует, в свою очередь, источник (17). Инструмент совершает при этом возвратно-поступательное движение по поверхности заготовки. Желаемое соотношение съема стекла достигается непрерывным изменением по заданному закону амплитуды и скорости радиальных перемещений инструмента за счет придания кулачкам определенного профиля.
Значительный интерес представляет и станок, описанный в [23] и предназначенный для исправления местных ошибок поверхности.
Управление процессом формообразования траекторией движения инструмента
На наш взгляд, данный способ является наиболее оптимальным. К сегодняшнему дню он реализован уже в нескольких зарубежных технологически комплексах. Исключительный интерес представляет здесь работа сотрудников американской фирмы R. Aspden и др. [24]. Траектория перемещения инструмента рассчитывается, исходя из величины времени, необходимого для снятия припуска в различных зонах поверхности. Удачный выбор метода контроля позволил устранить проблемы стабильности установки, посторонних вибраций, потоков воздуха и т. п. Анализ интерферограмм проводился по методике, описанной в [25], и обеспечивал объективную оценку точности обработки с выдачей количественных значений отклонений поверхности от идеальной в различных ее точках (до 1 000 точек). На фирме функционирует два автоматизированных комплекса: в первом заготовка вращается, во втором - расположена неподвижно. Для подсчета времени нахождения инструмента на различных участках поверхности и для определения траектории его перемещения необходимы два типа данных:
- Набор данных, детально описывающий количество материала, подлежащего удалению с различных участков поверхности (его получают в результате компьютерного анализа интерферограмма);
Рис. 2
- Данные, необходимые для инженерного описания процессов шлифования и полирования и для прогнозирования величины съема материала за один проход инструмента. Технологические закономерности механизма обработки были заимствованы из [26-27]. Схема технологического цикла формообразования может быть укрупнено представлена следующим образом:
- На основе заложенной в компьютер математической модели последний вычисляет количество раз, которое центр инструмента должен пройти через каждый гексагон поверхности заготовки для исправления ее ошибок и определяет непрерывный путь, обеспечивающий полировальнику такое перемещение;
- В соответствии с координатами пути, записанными последовательно на магнитную ленту, моторы перемещают инструмент по поверхности, обеспечивая ее целенаправленную обработку. На описанных комплексах обработан ряд асферических поверхностей, в том числе внеосевых, диаметрами от 500 до 700 мм, причем была достигнута точность X / 40.
Точность, в два раза большая, обеспечивается при работе на технологическом комплексе фирмы Регкт-Е1тегСогр.[28-29]. Его отличительной чертой является использование двухэлементного инструменте, состоящего из двух близко расположенных полировальников, шарнирно связанных с поперечиной, совершающей эпициклическое движение, инструмент перемещается по поверхности по заранее определенной траектории, причем сам путь и скорость перемещения контролируются микрокомпьютером, связанным с интерфейсом. Информацию о положении обрабатывающей головки получают с кодирующего устройства и обратной связью передают в компьютер.
Важным достоинством описанных комплексов можно считать возможность обрабатывать любые профили с точностью, отвечающей критериям Рэлея и Шеффлера [30], а основной недостаток - необходимость иметь специальный станок с кинематикой, отличающейся от классической -не представляется принципиальный при условии, что оптика изготавливается в достаточно больших количествах.
Заключение
Представленный (далеко не полный) критический обзор отечественных и зарубежных работ по автоматизации технологии изготовления крупногабаритных оптических деталей свидетельствует об исключительно высоком интересе к этой проблеме со стороны ведущих коллективов и специалистов-оптиков. Авторы надеются, что их работа поможет правильно оценить перспективы и спланировать дальнейшее исследования в данном направлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Леонова В.Б. Автоматизация расчетов оптических систем / В.Б. Леонова. - М., Машиностроение. 1970.
2. Hopkins B.E.-Journ.of Opt.Soc of America, 1962, N11, p. 1218.
3. Слюсарев, Г.Г. Расчет оптических систем. - Л., Машиностроение, 1975.
4. Preston I".W.-"J.of the Soc.of Glass Techn. ", 1927, 11, p. 214.
5. Preston F.W.-'Hashlnee J.of the Soc.of Glass Techn.y 1927, 2o, N HZ.
6. Винокур С.И. Оптико-механическая промышленность. - 1976.- № 2.- С. 45.
7. Абрамов Ю.Т., Перец М.И. В сб.: Вопросы механики машиностроения. Вопросы
технологии машиностроения. Вып.4, РПИ, Рига, 1973, с.40.
8. Wagner R.E., Shannon R.H.-"Appl.Opt', 1974, vol.13, N7, p.1683.
9. Бобашов В.В. - Оптико-Механическая промышленность.-1976.- № 1. - С. 17
10. 10 Семибратов М.Н. -Оптико-механическая промышленность.- 1958.-№9.- С. 37.
11. Винокур СИ,- Оптико-механическая промышленность' 1974, №2, с.22.
12. 12 Brown D.S.-ESO/CERH Conf.on large telescope design. Genevi March 1-5, 1971, p. 273.
13. Лысянный Ю.К. - Оптико-механическая промышленность.-1974.- №5.- С.21.
14. Лысянный Ю.К. - Оптико-механическая промышленность.-1972. -№ 7.- С.5.
15. 15.Попов Г.М., Попова М.Б. -Оптико-механическая промышленность.-1970. -№ 8.-С.46.
16. 16.Голованова М.Н. и др.- Оптико-механическая промышленность.-1968.-№4.-
С.40.
17. 17 Лысянный Ю.К., Цеснек Л.С. - Оптико-механическая промышленность.-1973.- № 7.-С.51.
18. Богданов А.П., Цеснек Л.С. - Оптико-механическая промышленность.- 1976. -№ 3.-С.42.
19. 19.Савостин Т.Д. - Труды МВТУ им. Баумана. М., МВТУ.- 1972.- №155.-С.88.
20. 20.3аказнов Н.П., Савостин Т.Д. Авт. свид. СССР №427837, Бюл.изобр.-1974.-
№18.
21. Mayo M.J. Patent USA,1973, № 3.735.534 , № 3.769.762.
22. Aspden R. Patent USA, 1971, № 3.556.574.
23. Патент США № 3566544, 1970.
24. Aspden R. et al.-"Appl.Optics",1972,vol.11 ,№12,p.2739.
25. Rummer M.P., King C., POx D.-"Appl.ppt.", 1972, vol.11, №12, p.2790.
26. Meuser L.H.-"J.of Opt. Soc.of America", 1971, vol.61, p.651 (A ).
27. Rupp W.-"J.of Opt. Soc. of America", 1971, vol.61, p.651 (A).
28. Jones R.A.-"Appl. Opt. n, 1977, vol. 16. №1, p.218.
29. Jones R.A.-"Appl. Opt.", 1978, vol.17, №12, p.1889.
30. Витриченко Э.А. Методы исследования астрономической оптики. М., Изд.Наука.- 1980.
© А.Н. Соснов, Н.К. Соснова, С.В. Критинина, 2007
