王昆 吳弘揚 李文昊

摘要：X射線望遠鏡是我國高能空間科學研究和空間戰(zhàn)略計劃實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)。由于其在升空過程中需要克服高頻振動，因而鏡片加工條件較為苛刻，必須要同時滿足切割加工精度高、切割斷面和鏡片表面無微損傷、加工效率要求等條件。為滿足高質(zhì)量的超薄柱面鏡片的切割需求，本文采用固高運動控制器與C++ Builder設(shè)計了一套鏡片切割控制系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)成功加工出了滿足望遠鏡需求的鏡片。

關(guān)鍵詞：鏡片切割;高效無損;運動控制卡

中圖分類號：TQ171 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0001-02

1 概述

XTP望遠鏡由數(shù)千片超薄曲面玻璃鏡片精密嵌套而成[1]，每六片曲面鏡片組合成一圈完整的鏡片[2]。為了保證X射線聚焦精度，每圈的六片曲面鏡片之間的縫隙必須小于0.1mm[2]，即每片曲面鏡片的切割輪廓尺寸精度必須小于0.05mm。同時，因為衛(wèi)星發(fā)射時的沖擊振動會使鏡片上存在的微小缺陷迅速延展擴大直至碎裂，所以必須最大程度避免鏡片切割加工時產(chǎn)生微損傷[2]。綜上所述，超薄曲面玻璃鏡片的切割加工必須滿足輪廓尺寸精度小于0.05mm、斷面無微損傷、切割效率高等要求。

現(xiàn)有的硬脆材料切割工藝，如金剛石刀具切割、普通激光熔融切割、飛秒激光切割、熱應(yīng)力切割都存在著一定的不足[3-6]。為解決XTP望遠鏡鏡片的高效精密切割加工問題，并保證其通過衛(wèi)星發(fā)射振動測試，本文基于一種復(fù)合加工新方法——激光單次掃描輔助熱應(yīng)力切割，并根據(jù)實際需求設(shè)計了一套復(fù)合加工系統(tǒng)。利用該套加工系統(tǒng)可以充分發(fā)揮激光切割與熱應(yīng)力切割的協(xié)同作用，彌補它們各自的不足：（1）激光單次掃描可精確引導熱應(yīng)力切割的裂紋擴展，提高加工精度;（2）熱應(yīng)力作用能使鏡片快速斷裂，避免激光往復(fù)多次掃描鏡片帶來的微損傷，并提高加工效率。

2 柱面玻璃的激光輔助熱應(yīng)力切割原理

使用激光單次掃描輔助熱應(yīng)力切割加工方法可有效提高鏡片的切割效率，并改善曲線的精度。為實現(xiàn)該切割工藝，首先采用激光在玻璃表面單次掃描獲得微米級深度的溝槽軌跡，然后采用移動熱源在鏡片上方沿此軌跡循跡運動，通過熱應(yīng)力作用快速切割鏡片。

3 加工控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)加工原理中描述的加工工序，激光預(yù)切割與熱絲切割軌跡相同，故采用相同的軟件與硬件結(jié)構(gòu)。由于步進電機廣泛應(yīng)用于速度控制和位置控制系統(tǒng)，能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠和成本低廉，本文中加工系統(tǒng)采用固高GTS-800-PV（G）_PCI系列運動控制板卡為主要部件而組成的控制系統(tǒng)，用來控制步進電機驅(qū)動X、Y方向平移臺以及回轉(zhuǎn)臺工作從而實現(xiàn)熱絲相對于玻璃做相對運動。其控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

該控制系統(tǒng)硬件部分的由以下部分組成：

（1）固高運動控制器;

（2）計算機及其PCI擴展槽;

（3）高精度平移步進電機與旋轉(zhuǎn)步進電機;

（4）步進電機驅(qū)動器;

（5）驅(qū)動器直流電源;

（6）運動控制器直流電源。

本系統(tǒng)以計算機為上位主機，通過連接電纜與下位機固高運動控制器的PCI串口通訊， 板卡需要24V直流電源供電。板卡下接3個鳴志SR4步進電機驅(qū)動器，通過驅(qū)動器可對電機進行細分控制，同時驅(qū)動器也需要24V電源供電。

4 加工控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

固高運動控制器支持多種能夠支持動態(tài)鏈接庫的開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用程序[7]，考慮到C++Builder可視化編程較為便捷，能有效減小實現(xiàn)可視化部分程序，使代碼變得簡潔。本文運用Borland公司C++Builder，對整套設(shè)備進行編程，實現(xiàn)了熱絲切割加工系統(tǒng)的硬件部分的功能。程序分為三個部分：創(chuàng)造主界面，主程序的編寫，切割工藝的實現(xiàn)。其切割路線總流程圖如圖3。

如圖3所示，整體界面采用對話框與鼠標事件的形式，根據(jù)切割工藝流程，在對話框的最右邊為三種切割模式的選擇（“第一條直線切割”、“第二條直線切割”、“圓弧切割”）。在選擇了切割模式之后，還可根據(jù)實際工況與玻璃的型面質(zhì)量，設(shè)定相應(yīng)的平移與回轉(zhuǎn)速度對切割位置進行調(diào)整。平移速度的選擇有兩種：1mm/s的進給速度以及5mm/s退刀速度，回轉(zhuǎn)速度可根據(jù)所需在輥子加工時旋轉(zhuǎn)速度對話框內(nèi)設(shè)置。

5 切割樣品

采用本文設(shè)計的熱絲復(fù)合切割系統(tǒng)，按照規(guī)定方法對柱面玻璃進行切割，得到如圖4所示柱面玻璃鏡片樣本。利用飛秒激光復(fù)合熱裂法切割玻璃鏡片斷面十分平整，無任何微觀裂紋或缺陷，不需要進行任何二次加工。

參考文獻

[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]楊立軍，王懋露，王揚，等.應(yīng)用裂紋控制法的鈉鈣玻璃YAG激光切割技術(shù)[J].紅外與激光工程，2010，39（3）：512-515.

[5]班勇婷.玻璃板在局部冷卻輔助下的激光熱應(yīng)力切割的仿真分析[D].浙江大學，2010.

[6]汪旭煌.基于熱裂法的液晶玻璃基板激光切割技術(shù)研究[D].浙江工業(yè)大學，2011.

[7]固高科技（深圳）有限公司.GTS_800_PV（G）_PCI系列運動控制器用戶手冊[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