超薄柱面玻璃加工控制系统设计

王昆 吴弘扬 李文昊

摘要：X射线望远镜是我国高能空间科学研究和空间战略计划实施过程中的关键技术。由于其在升空过程中需要克服高频振动，因而镜片加工条件较为苛刻，必须要同时满足切割加工精度高、切割断面和镜片表面无微损伤、加工效率要求等条件。为满足高质量的超薄柱面镜片的切割需求，本文采用固高运动控制器与C++ Builder设计了一套镜片切割控制系统，并使用该系统成功加工出了满足望远镜需求的镜片。

关键词：镜片切割;高效无损;运动控制卡

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0001-02

1 概述

XTP望远镜由数千片超薄曲面玻璃镜片精密嵌套而成[1]，每六片曲面镜片组合成一圈完整的镜片[2]。为了保证X射线聚焦精度，每圈的六片曲面镜片之间的缝隙必须小于0.1mm[2]，即每片曲面镜片的切割轮廓尺寸精度必须小于0.05mm。同时，因为卫星发射时的冲击振动会使镜片上存在的微小缺陷迅速延展扩大直至碎裂，所以必须最大程度避免镜片切割加工时产生微损伤[2]。综上所述，超薄曲面玻璃镜片的切割加工必须满足轮廓尺寸精度小于0.05mm、断面无微损伤、切割效率高等要求。

现有的硬脆材料切割工艺，如金刚石刀具切割、普通激光熔融切割、飞秒激光切割、热应力切割都存在着一定的不足[3-6]。为解决XTP望远镜镜片的高效精密切割加工问题，并保证其通过卫星发射振动测试，本文基于一种复合加工新方法——激光单次扫描辅助热应力切割，并根据实际需求设计了一套复合加工系统。利用该套加工系统可以充分发挥激光切割与热应力切割的协同作用，弥补它们各自的不足：（1）激光单次扫描可精确引导热应力切割的裂纹扩展，提高加工精度;（2）热应力作用能使镜片快速断裂，避免激光往复多次扫描镜片带来的微损伤，并提高加工效率。

2 柱面玻璃的激光辅助热应力切割原理

使用激光单次扫描辅助热应力切割加工方法可有效提高镜片的切割效率，并改善曲线的精度。为实现该切割工艺，首先采用激光在玻璃表面单次扫描获得微米级深度的沟槽轨迹，然后采用移动热源在镜片上方沿此轨迹循迹运动，通过热应力作用快速切割镜片。

3 加工控制系统的硬件设计

根据加工原理中描述的加工工序，激光预切割与热丝切割轨迹相同，故采用相同的软件与硬件结构。由于步进电机广泛应用于速度控制和位置控制系统，能使系统结构简单、性能稳定、工作可靠和成本低廉，本文中加工系统采用固高GTS-800-PV（G）_PCI系列运动控制板卡为主要部件而组成的控制系统，用来控制步进电机驱动X、Y方向平移台以及回转台工作从而实现热丝相对于玻璃做相对运动。其控制系统组成如图1所示。

该控制系统硬件部分的由以下部分组成：

（1）固高运动控制器;

（2）计算机及其PCI扩展槽;

（3）高精度平移步进电机与旋转步进电机;

（4）步进电机驱动器;

（5）驱动器直流电源;

（6）运动控制器直流电源。

本系统以计算机为上位主機，通过连接电缆与下位机固高运动控制器的PCI串口通讯， 板卡需要24V直流电源供电。板卡下接3个鸣志SR4步进电机驱动器，通过驱动器可对电机进行细分控制，同时驱动器也需要24V电源供电。

4 加工控制系统的软件设计

固高运动控制器支持多种能够支持动态链接库的开发工具来开发应用程序[7]，考虑到C++Builder可视化编程较为便捷，能有效减小实现可视化部分程序，使代码变得简洁。本文运用Borland公司C++Builder，对整套设备进行编程，实现了热丝切割加工系统的硬件部分的功能。程序分为三个部分：创造主界面，主程序的编写，切割工艺的实现。其切割路线总流程图如图3。

如图3所示，整体界面采用对话框与鼠标事件的形式，根据切割工艺流程，在对话框的最右边为三种切割模式的选择（“第一条直线切割”、“第二条直线切割”、“圆弧切割”）。在选择了切割模式之后，还可根据实际工况与玻璃的型面质量，设定相应的平移与回转速度对切割位置进行调整。平移速度的选择有两种：1mm/s的进给速度以及5mm/s退刀速度，回转速度可根据所需在辊子加工时旋转速度对话框内设置。

5 切割样品

采用本文设计的热丝复合切割系统，按照规定方法对柱面玻璃进行切割，得到如图4所示柱面玻璃镜片样本。利用飞秒激光复合热裂法切割玻璃镜片断面十分平整，无任何微观裂纹或缺陷，不需要进行任何二次加工。

参考文献

[1]VanSpeyb roeck L P， Chase R C. Design parameters of paraboloid-hyperboloid telescopes for X-ray astronomy[J].Applied Optics，1972，11（2）：440-445.

[2]Shen Z X， Wang X Q， Wang K， et al. Development of X-ray multilayer telescope optics for XTP mission[J]. Proceedings of SPIE，2016，9905：UNSP 990520.

[3]Sumiya H， Ikeda K， Arimoto K， et al. High wear-resistance characteristic of boron-doped nano-polycrystalline diamond on optical glass[J]. Diamond and Related Materials，2016，70：7-11.

[4]楊立军，王懋露，王扬，等.应用裂纹控制法的钠钙玻璃YAG激光切割技术[J].红外与激光工程，2010，39（3）：512-515.

[5]班勇婷.玻璃板在局部冷却辅助下的激光热应力切割的仿真分析[D].浙江大学，2010.

[6]汪旭煌.基于热裂法的液晶玻璃基板激光切割技术研究[D].浙江工业大学，2011.

[7]固高科技（深圳）有限公司.GTS_800_PV（G）_PCI系列运动控制器用户手册[M].2011：6-7.

The Design of Ultrathin Cylindrical Glass Cutting Control System

WANG Kun， WU Hong-yang， LI Wen-hao

（College of Mechanical and Energy Engineering of Tongji University， Shanghai 201804）

Abstract：X-ray telescope is the key technology for researching high-energy space science and implementing space strategic plan. Because it needs to overcome the high frequency vibration in the process of lifting up， the processing of lens is very severe. Lens processing must meet the requirements of high cutting accuracy， no micro-damage in the cutting section and lens surface， and high processing efficiency at the same time. To meet the cutting requirement of high quality ultra-thin cylindrical lenses， a lens cutting system for femtosecond laser combined thermal stress cutting is designed by using Googol motion controller and C++ Builder in this paper. Using this system， the lenses that meet the needs of telescopes are successfully cut out.

Key words：lens cutting;high efficiency and nondestructive;motion controller