Автоматизированный комплекс для производства крупногабаритной астрономической оптики

М.А.Абдулкадыров, С.П.Белоусов, А.П.Семенов, Ю.А.Шаров

Когда вдали угаснет свет дневной

И в черной мгле, склоняющейся к хатам,

Все небо заиграет надо мной,

Как колоссальный движущийся атом...

Н. Заболотский.

Научно-технические достижения последних десятилетий вызвали значительный подъем в мировом телескопостроении, которое развивается по пути модернизации старых инструментов и изготовления принципиально новых телескопов.

Для создания высокоразрешающих оптических систем наземного, воздушного и космического базирования в интересах обороноспособности страны, исследований космического пространства, глобального мониторинга поверхности Земли, состояния ее атмосферы и т.п., используют оптические элементы специальной конструкции, для обеспечения требуемых оптических параметров системы, с одновременным снижением ее массо-габаритных характеристик. Поэтому, в настоящее время требуются:

- оптические детали с асферическими поверхностями второго и высшего порядков;

- оптические высокоапертурные детали;

- оптические детали с облегченной структурой;

- тонкие адаптивные оптические элементы для управления формой отраженного волнового фронта;

- составные компоненты главных зеркал оптических телескопов с различной конфигурацией внешних границ и асферической формой поверхности;

- оптические элементы с внеосевыми асферическими поверхностями;

- оптические детали из нетрадиционных материалов (карбид кремния, бериллий и т.д.).

Интегральной характеристикой точности обработки поверхности оптической детали является среднеквадратическое отклонение формы поверхности (RMS) от требуемой. Распределение нормальных отклонений поверхности от требуемой описывается топографической картой отклонений с максимальным размахом ошибки (P-V) и регулярными ошибками на поверхности (астигматизм, кома и т.п.). Качество оптической поверхности характеризуется концентрацией энергии в заданном кружке рассеяния в фокусе оптической системы.

Диапазон габаритных параметров оптических компонентов достигает 8 метров, а требования к точности поверхности по среднеквадратическому отклонению от требуемой формы соcтавляют /40-/80 (=0.6328 мкм).

Методы классической оптической технологии не позволяют обеспечить получение требуемой точности обработки таких сложных по форме оптических элементов. Требовалось создание такой современной технологии, которая позволила бы обеспечить обработку вышеперечисленных оптических элементов.

Прошло немало времени с момента начала наблюдений на телескопе БТА САО в Зеленчуке с 6-ти метровым зеркалом, которое изготавливали в подмоcковном городе Лыткарине. В настоящее время в оптическом зале, где его обрабатывали, произошли существенные изменения. Создан современный технологический комплекс для формообразования и точной доводки поверхностей крупногабаритных оптических деталей автоматизированным способом.

В основу разработанной технологии положено компьютерное управление автоматизированным комплексом по формообразованию поверхностей оптических деталей с компьютерной обработкой информации о форме поверхности, расчетом, уточнением и прогнозированием технологических режимов, управлением движением малого инструмента, расчетом конструкций оптических элементов.

В состав автоматизированного комплекса входят:

- автоматизированные станки, управляемые от компьютера, серии АД (АД-250, АД-400, АД-1000, СД-1000, АД-2000, АД-4000) для формообразования оптических деталей размером 100-4000 мм с использованием малого осциллирующего инструмента;

- вакуумно-доводочный комплекс, управляемый от компьютера, для автоматизированного формообразования оптических поверхностей ионным пучком;

- комплект интерферометров для контроля формы поверхности на всех технологических стадиях, включающий автоматизированную фотоэлектрическую систему регистрации и обработки интерферограмм поверности;

- гамма разгрузочно-базировочных технологических оправ мембранно-пневматического типа для разгрузки и стабилизации формы поверхностей оптических элементов на стадии их обработки и контроля, в том числе с автоматическим поддержанием параметров настройки при изменении внешних воздействий (атмосферное давление, температура);

- система активного воздействия (система адаптации) на форму рабочей поверхности оптического элемента;

- комплекс технологических программ KCPM, AD2, ПЛАНК-АСТРО, применяемых для обработки интерферограммы волнового фронта контролируемой детали в реальном масштабе времени, расчета технологических параметров автоматизированного формообразования, автоматической коррекции технологического процесса по результатам сеанса автоматизированной обработки, оптимизации систем разгрузки для изготовления и контроля оптических компонентов.

Цикл автоматизированного формообразования начинается с контроля формы рабочей поверхности.

Деталь располагается в специально разработанной штатно-технологической оправе или технологической разгрузочной ленте, которые обеспечивают ее стабильное состояние в процессе контроля, для проведения успешного сеанса автоматизированного формообразования.

Для контроля формы поверхности используется комплекс по автоматизированной обработке интерферограмм, представляющий собой телевизионную систему обработки сигнала изображения интерферограммы. Он включает блок фотоэлектрической регистрации, выполненный на матричном фотоэлектрическом преобразователе на ПЗС размером 256x256 элементов. Время накопления около 3 мс.

При использовании данного комплекса, время обработки интерферограмм контролируемой поверхности сократилось в 20-40 раз по сравнению с ранее проводимой ручной обработкой на координатно-измерительном микроскопе.

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

Разработанная автоматизированная технология производства высокоточной оптики позволила получить качественный скачок в точности формообразования оптических компонентов с плоскими, сферическими и асферическими поверхностями для оптических деталей с произвольной конфигурацией внешней формы, что ранее было невозможно получить методами традиционной технологии. Точность обрабатываемых поверхностей, как показал опыт обработки ряда уникальных оптических деталей, на порядок выше (RMS=0.02-0.05 ), чем достигалась при классической технологии (RMS=0.2-0.6 ), а для ряда оптических деталей разработанная технология является единственной возможной для получения требуемой точности.

К настоящему времени в АО "ЛЗОС" в г. Лыткарине с использованием автоматизированной технологии обработаны плоские, сферические и асферические поверхности диаметром 100-1600 мм. Достигнутое RMS отклонение поверхности от плоскости равно 0.015 , размах отклонений поверхности от требуемой меньше 0.1 .

Из практических результатов формообразования оптических поверхностей можно заключить, что решена задача высокоточной доводки асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей диаметром до 2 м с достижением RMS поверхности 0.015 . Получено экспериментальное подтверждение основных теоретических положений.

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

На основании полученного экспериментального материала по обработке поверхностей крупногабаритных оптических деталей определены общие принципы базирования оптических деталей в технологическом процессе обработки и контроля и обоснованы этапы технологического процесса, обеспечивающие успешную доводку поверхностей оптических деталей.

Автоматизированный комплекс с успехом использовался при изготовлении крупногабаритной оптики. Особо следует выделить формообразование гиперболических поверхностей облегченных оптических деталей диаметром 1540 мм из ситалла СО-115М. Масса после облегчения 377 кг. Коэффициент облегчения - до 70 %. Максимальное отклонение от ближайшей сферы - 8.3 мкм. Обработанные поверхности имеют RMS около 0.015 .

С такой же точностью изготовлены отдельные оптические детали и детали комплектов телескопов для фирм США и Германии диаметром до 1 м. Плодотворное сотрудничество с зарубежными фирмами в настоящее время продолжается и успешно развивается. Наша задача - производить оптику высокого класса и, желательно, не только для зарубежных партнеров, но и для наших российских потребителей.

Как написал Ю.Н. Ефремов в статье "Звездное небо над нами" в 1-м номере журнала "Вселенная и мы": "После тревог повседневности мы приглашаем Вас взглянуть на звездное небо". Очень интересно на него взлянуть, тем более сейчас, когда пишутся эти строки, на небе видна космическая гостья - комета Хейла-Боппа. А мы приглашаем Вас для сотрудничества с нами в изготовлении новой астрономической оптики, чтобы свет, пришедший к нам из прошлой жизни от далеких звезд и квазаров, рассказал нам как можно больше об истории тех самых объектов, от которых он пришел.