DE3643914A1 - Verfahren und vorrichtung zum laeppen bzw. polieren optischer flaechen - Google Patents

Description

Das Läppen und Polieren von relativ großen optischen Bauteilen, wie sie z.B. für astronomische Beobachtungen benötigt werden, ist mit konventionellen Techniken eine sehr zeitaufwendige Arbeit, da es äußerst schwierig ist die gewünschte Form mit der erforderlichen Genauigkeit von Bruchteilen der Lichtwellen­ länge, typisch etwa 10-50 nm RMS, über die gesamte zu bearbeitende Fläche zu erreichen.

Zur Verkürzung der Bearbeitungszeit wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, das ein die gesamte zu bearbeitende Fläche des Werkstücks bedeckendes Werkzeug in Form einer flexiblen Membran vorsieht. Das Werkzeug, an dessen Unterseite die Polierelemente befestigt sind, oszilliert dabei tangential über das Werkstück unter einer Reihe von relativ zum Werkstück feststehenden Belastungselementen, von denen eine aus den Abweichungen des Werkstücks von der Sollform berechnete Druckverteilung erzeugt wird.

Mit diesem, aus der DE-A1 34 30 499 bekannten Verfahren ist es jedoch schwierig, sehr große Bauteile wie z.B. Teleskopspiegel mit einem Durchmesser von 4 oder mehr Metern zu bearbeiten, da das entsprechend große Werkzeug dann schwer handhabbar wird. Probleme bereiten unter anderem das Zuführen des Poliermittels, das stets sehr gleichmäßig erfolgen muß, sowie das Präparieren, d.h. das Belegen und Abdrücken des Werkzeugs. Außerdem können die starken lokalen Druckdifferenzen auf der Rückseite des Werkzeuges ein Fließen des Poliermittelträgers verursachen, so daß sich das Werkzeug relativ rasch verformt. Dies führt zu einer Verringerung der nutzbaren Dynamik des Polierverfahrens.

Mit dem bekannten Verfahren ist es außerdem nicht ohne weiteres möglich, Glanzwinkeloptik wie z.B. die konischen Schalen von Wolter-Teleskopen für die Röntgenastronomie zu bearbeiten.

Aus der US-PS 23 99 924 ist ein Polierverfahren bekannt, welches ähnlich wie das vorgenannte eine sich über die gesamte zu bearbeitende Fläche erstreckende, flexible Membran als Werkzeug vorsieht, die mit einer an den vorausberechneten Materialabtrag angepaßten Druckverteilung belastet wird. Gleichzeitig rotiert hier das zu bearbeitende Werkstück.

Mit diesem Verfahren lassen sich aber nur rotationssymmetrische Abweichungen von der Sollform des Werkstücks herauspolieren. Außerdem ist es nicht möglich kurzperiodische Abweichungen zu beseitigen, da die Druckverteilung auf der Rückseite des Werkzeuges durch Gewichte erzeugt wird, die auf der Membran aufliegen und sich somit mit der Membran über die zu bearbeitende Fläche bewegen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Das Verfahren sollte möglichst kurze Bearbeitungszeiten ermöglichen und bezüglich der zu beseitigenden Formabweichungen möglichst universell anwendbar sein.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff genannten und einleitend beschriebenen Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß das Werkzeug (5) streifenförmig ausgebildet ist und nur einen Teilbereich des Werkstückes (1) bedeckt und der zeitliche Verlauf der Druckverteilung abhängig vom Drehwinkel zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (5) gesteuert wird.

Die zur Durchführung des Verfahrens benutzte Vorrichtung besitzt deshalb einen Antrieb zur Herbeiführung einer Rotationsbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück mit angeschlossenem Winkelencoder, sowie eine mit dem Winkelencoder und den Belastungseinrichtungen verbundene Steuerung, so daß die von den Belastungselementen ausgeübte Kraft abhängig vom Drehwinkel des Werkstücks variiert werden kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind einmal darin zu sehen, daß das verwendete streifenförmige Werkzeug sich aufgrund seiner relativ geringen Größe leichter handhaben läßt, als ein das ganze Werkstück bedeckendes Werkzeug.

Außerdem sind die Differenzen der Bearbeitungsdrucke zwischen einzelnen Punkten auf der Rückseite des Werkzeugs im zeitlichen Mittel sehr viel kleiner als bei vollständiger Überdeckung des Werkstücks. Entsprechend geringer ist das Ausmaß, in dem das Material des Poliermittelträgers wegfließen kann. Die nötigen Abdrückvorgänge, durch die der eigentliche Polierprozeß immer wieder unterbrochen wird, können deshalb in größeren Abständen stattfinden. Aufgrund der Geometrie des Werkzeuges läßt sich auch die Poliermittelzufuhr einfacher lösen.

Schließlich wurde festgestellt, daß die für den eigentlichen Poliervorgang nötige Zeit sich nicht im gleichen Maße erhöht, wie sich die Fläche des Bearbeitungswerkzeuges vermindert. Vielmehr wird der durch die Teilbedeckung entstehende Zeitver­ lust dadurch kompensiert, daß die einzelnen, iterativ durchge­ führten Bearbeitungsschritte, die aus mehrfachen Polier­ durchgängen und dazwischenliegenden Meßvorgängen bestehen, in denen der Erfolg der Bearbeitung kontrolliert und die aus den Abweichungen berechnete Druckverteilung neu einzustellen ist, sehr viel rascher konvergieren. Dieses bessere Konvergenz­ verhalten erklärt sich durch ein geringeres Durchprägen der Unvollkommenheiten des Werkzeuges selbst auf die zu bearbeitende Fläche, als Folge der Mittelung dieses Einflusses infolge der Rotation des Werkstückes.

Eine zusätzliche Verkürzung der Bearbeitungszeit läßt sich dadurch erzielen, daß gleichzeitig mit mehreren der streifenförmigen Werkzeuge an dem zu polierenden Teil gearbeitet wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer für das Läppen bzw. Polieren von astronomischen Teleskopen geeigneten Vorrichtung in Aufsicht;

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung aus Fig. 1 im Schnitt;

Fig. 3 skizziert die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Glanzwinkeloptik;

Fig. 4 ist die Skizze einer anderen Ausführungsform des in der Vorrichtung nach Fig. 1/2 bzw. 3 benutzten, streifenförmigen Werkzeugs.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Poliervorrichtung besitzt eine drehbar gelagerte Aufnahme (2) für das mit (1) bezeichnete Werkstück. Bei dem Werkstück handelt es sich um den Hauptspiegel eines Teleskops für astronomische Beobachtungen mit einem Durchmesser von 8 Metern. Die Aufnahme (2) wird von einem Motor (3) angetrieben, auf dessen Welle ein Encoder (4) zur Erfassung des Drehwinkels aufgesetzt ist.

Das zur Bearbeitung der Oberfläche verwendete Polierwerkzeug besteht aus einer streifenförmigen, flexiblen Membran (5) von 5 m Länge und ca. 1 m Breite aus Aluminium, an deren Unterseite die Poliermittelträger (9) aus Pech aufgebracht sind. Wenn das Werkzeug (5) als Membran bezeichnet wird, so ist dabei zu berücksichtigen, daß die Membran bei den angegebenen Ab­ messungen durchaus eine Stärke von 1 cm oder mehr besitzen kann. Dieses streifenförmige Werkzeug (5) wird von einem An­ trieb (6) entlang der in den Figuren nicht dargestellten Führungen in radialer Richtung in eine oszillierende Bewegung versetzt, wie dies durch den mit R bezeichneten Pfeil veran­ schaulicht ist.

Auf der Rückseite der Membran (5) stützen sich mehrere radial hintereinander angeordnete Belastungselemente (7) ab. Diese Belastungselemente sind elektromagnetisch- oder hydraulisch steuerbare Aktuatoren der Art, wie sie z.B. in der eingangs genannten DE-A1 34 30 499 beschrieben sind. Die Belastungselemente (7) stehen relativ zum Werkstück (1) fest und nehmen nicht an der oszillierenden Bewegung der Membran (5) teil.

Die einzelnen Belastungselemente der insgesamt mit (7) be­ zeichneten Gruppe werden individuell von einer Steuereinheit (8) mit einer aus den gemessenen Abweichungen der Fläche des Spiegels (1) von der Sollform berechneten Kraft beaufschlagt. Die Andruckkraft jedes einzelnen Aktuators (7) kann dabei in ihrem zeitlichen Verlauf abhängig von dem Azimutwinkel ϕ variiert werden, den der Encoder (4) an das Steuergerät (8) meldet. Entsprechend werden auch nicht rotationssymmetrische Fehler der Spiegeloberfläche angegriffen. Voraussetzung für dieses Verfahren ist natürlich, daß der azimutale Verlauf der Fehler der Spiegeloberfläche ermittelt und im Speicher eines an das Steuergerät (8) angeschlossenen Rechners abgelegt ist.

Wie dies in Fig. 1 mit dem gestrichelt dargestellten Werkzeug (15) angedeutet ist, kann durchaus gleichzeitig mit mehreren Werkzeugen an dem Spiegel (1) gearbeitet werden.

In Fig. 3 ist in perspektivischer Darstellung skizziert, wie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Glanzwinkeloptik bearbeitet werden kann. Hier ist mit (11) eine der konischen Schalen eines Wolter-Teleskops bezeichnet, deren Innenfläche poliert werden soll. Dazu wird ein streifenförmiges Werkzeug (12) verwendet, das längs der Mantellinie des Konus (11) oszilliert. Diese Oszillationsbewegung wird durch den Pfeil M in Fig. 3 veranschaulicht. Der Konus (11) selbst rotiert um seine Längsachse.

Im Innern des Konus (11) stützen sich ebenfalls wieder eine Reihe von Aktuatoren (13) mit einzeln einstellbarer und zeitlich, abhängig vom Drehwinkel ϕ des Konus (11) steuerbarer Kraft auf der Rückseite der Membran (12) ab. Die Aktuatoren (13) nehmen an der oszillierenden Bewegung der Membran (12) nicht teil, sondern sind in Richtung der Mantellinie feststehend angeordnet, bzw. führen selbständig eine Seitwärtsbewegung mit im Vergleich zur Bewegung der Membran (12) geringerer Amplitude und Frequenz aus.

In den beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1/2 und Fig. 3 ist auf der Rückseite der streifenförmigen Membranen (5) bzw. (12) jeweils nur eine Reihe von Aktuatoren (7) bzw. (13) ange­ ordnet. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Es ist durchaus vorteilhaft mehrere Reihen von Aktuatoren hintereinander anzuordnen und gleichzeitig anzusteuern, beispielsweise um bei festgelegter Gesamtfläche des Werkzeugs auch Fehleranteile mit relativ kleiner Ortsfrequenz angreifen zu können. Dieser Fall ist in Fig. 4 dargestellt. Das dort gezeigte Werkzeug (16) besitzt 45 Aktuatoren, die in drei Reihen zu je 15 Einzelelementen (17 a) angeordnet sich auf der Rückseite der bewegten Membran abstützen.

Auch ist es nicht erforderlich, daß das Werkzeug bzw. die zu bearbeitende Fläche bei ihrer Rotation über einen geschlossenen Kreis bewegt werden. Insbesondere für die Bearbeitung von Werkstücken, die sich als Segmente oder Teilabschnitte eines Vollspiegels darstellen, ist eher eine an den Rändern des Werkstücks umkehrende, d.h. eine oszillierende Rotationsbewegung vorzusehen, wobei sich selbstverständlich auch der zeitliche Verlauf des für die Steuerung der Druckverteilung dienenden Signals umkehrt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Läppen bzw. Polieren optischer Flächen, wobei die zu bearbeitende Fläche vorher vermessen wird und der Läpp- bzw. Poliervorgang entsprechend den Abweichungen der Istform der Fläche von einer vorbestimmten Sollform ge­ steuert wird, indem

• - auf die Fläche ein Läpp- bzw. Polierwerkzeug aufgelegt wird, welches als flexible Membran ausgebildet ist,
• - auf der der Fläche abgewandten Seite der Membran eine Druckverteilung erzeugt wird, die den Abweichungen der Fläche von ihrer Sollform entspricht,
• - die Membran durch im wesentlichen tangentiale Kräfte über der zu bearbeitenden Fläche bewegt wird und
• - das Werkzeug und die zu bearbeitende Fläche relativ zueinander rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Werkzeug (5) streifenförmig ausgebildet ist und nur einen Teilbereich des Werkstückes (1) bedeckt
• - und der zeitliche Verlauf der Druckverteilung abhängig vom Drehwinkel ϕ zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (5) gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit mehreren streifenförmigen Werkzeugen (5, 15) an der zu läppenden bzw. zu polierenden Fläche (1) gearbeitet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-2, mit

• - einem als elastische Membran ausgebildeten Werkzeug, das den Läpp- bzw. Poliergrund trägt,
• - einer Vielzahl von Belastungselementen, die sich mit individuell steuerbarer Kraft auf der Rückseite der Mebran abstützen und diese gegen die Fläche drücken, sowie
• - einem Antrieb, der die Membran unter den Belastungselementen im wesentlichen tangential bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Membran Streifenform besitzt und nur einen Teil der zu bearbeitenden Fläche bedeckt,
• - ein Antrieb zur Herbeiführung einer Rotationsbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück mit ange­ schlossenem Winkelencoder vorgesehen ist,
• - sowie eine mit dem Winkelencoder und den Belastungseinrichtungen verbundene Steuerung.