Brevet FR2569139A1 — publié le 19860221

L'invention concerne un procède et un dispositif pour le rodage ou le polissage de surfaces optiques, de préférence asphériques,telles que des miroirs pour télescopes. Le rodage et le polissage de grands miroirs astrono- miques asphériques est un travail qui demande beaucoup de temps parce qu'il est extrêmement difficile d'obtenir la forme exacte du miroir avec la précision requise pour l'observation dans le domaine spectral optique de quelques fractions de la longueur d'onde lumineuse,typiquement avec des tolérances de surface dont la valeur quadratique moyenne est par exemple de 10-50 nm sur toute la surface du miroir. Habituellement, on rode et on polit d'abord une surface sphérique, en choisissant un rayon de courbure qui est le plus proche possible de la surface asphérique désirée,puis on produit la déformation asphérique par polissage avec des outils qui sont beaucoup plus petits que la surface du miroir. Ce travail de polissage est sans cesse interrompu par des contrôles interférométriques lors desquels est déterminé le défaut résiduel qui subsiste. Plus on approche du but, plus le travail passe de l'élimination de défauts de symétrie de révolu- tion à l'élimination de défauts résiduels locaux, non-symétriques. Par "Applied Optics", volume 21, numéro 3 (1982), pages 561-564, il est connu d'automatiser ce processus en partie en faisant passer l'outil sur la surface à travailler sous la com- mande d'un calculateur, de manière que son temps de séjour à dif- férents endroits de la surface diffère, suivant l'enlèvement de matière à produire à l'endroit considéré. Cependant, comme,avec ce procédé,les différentes sur- faces partielles de la pièce sont usinées les unes après les autres par un outil relativement petit, le temps de fabrication est très long. Il est en outre très difficile avec cette technique d'usiner les zones situées près du bord de la pièce puisque l'ou- til s'y comporte irrégulièrement. Le but de l'invention est d'indiquer un procédé et un dispositif par lesquels mere de grandes surfaces, en particulier 2 25 6 9139 de grandes surfaces asphériques, puissent être usinées relative- ment vite et avec la précision requise pour éléments optiques. De plus, le procédé doit permettre un usinage à commande automatique. A cet effet, selon l'invention, un procédé pour le rodage ou le polissage de surfaces optiques, de préférence asphé- riques, selon lequel la surface à usiner est préalablement con- trôlée et le processus de rodage ou de polissage est commandé suivant les écarts de la forme réelle de la surface par rapport à une forme prescrite préfixée, est caractérisé en ce que a) on pose sur la surface un outil de rodage ou de polissage qui recouvre essentiellement toute la surface à usiner et est réalisé comme une membrane flexible, b) on crée sur le côté éloigné de la surface de la membrane une distribution de pression qui correspond aux écarts de la sur- face par rapport à sa forme prescrite, c) on déplace la membrane par des forces essentiellement tangen- tielles sur la surface à usiner, en préservant pour l'essen- tiel la distribution de pression par rapport à la surface et d) on arrête l'opération et on contrôle de nouveau la surface lorsque l'enlèvement de matière V, calculé à partir de la pres- sion P, du temps d'usinage t et de la vitesse relative v entre la membrane et la surface, atteint les écarts mesurés préala- blement entre la forme réelle et la forme prescrite. Un dispositifr selon l'invention pour le rodage ou le polissage de surfaces optiques, de préférence asphériques, au moyen d'un outil pouvant être commandé suivant les écarts de la forme réelle de la surface par rapport à sa forme prescrite, notamment pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, est caractérisé en ce que a) l'outil est réalisé comme une membrane élastique qui porte le substrat de rodage ou de polissage, b) un grand nombre d'éléments de charge sont disposés sur le côté éloigné de la surface à usiner de la membrane, qui s'appuient par l'intermédiaire d'un palier antifriction sur la membrane et pressent celle-ci avec une force réglable individuellement contre la surface, 3 2569139 c) une commande est prévue pour déplacer la membrane essentielle- ment tangentiellement sous les éléments de charge, disposés fixes ou effectuant par rapport à la surface à usiner des mou- vements latéraux faibles comparativement aux amplitudes du mouvement de la membrane. Grâce à l'utilisation d'un outil travaillant simultané- ment toute la surface, la solution selon l'invention produit un raccourcissement drastique du temps d'usinage nécessaire au rodage ou au polissage d'éléments optiques pour l'astronomie. Néanmoins, des écarts de forme localement différents peuvent facilement être éliminés par polissage parce que l'enlèvement de matière est com- mandé par une distribution de pression - produite sur le côté arrière de l'outil - établie par calcul. Comme la membrane d'usi- nage à mouvoir possède seulement une masse relativement faible, on peut obtenir des vitesses relatives élevées entre l'outil et la pièce, ce qui diminue également le temps d'usinage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale, prise suivant I-I de figure 2, montrant schématiquement le principe d'un outil de rodage selon l'invention; - la figure 2 représente l'outil de rodage par une coupe prise suivant la ligne II-II de figure 1; - la figure 3a est une coupe axiale schématique mais plus détaillée d'un vérin 5 de figure i; la figure 3b est une autre représentation schématique d'un vérin 5 de figure 1; et - la figure 4 est une représentation schématique des forces dynamiques produites pendant le fonctionnement de l'outil de rodage montré schématiquement sur les figures 1 - 3. L'outil de rodage et de polissage représenté sur les figures 1 et 2 sert à usiner la surface d'une pièce 1 disposée fixe et possédant dans cet exemple de réalisation la forme d'un secteur de couronne concave, asphérique. L'outil de rodage ou de polissage est constitué essen- tiellement d'une mince plaque élastique 2 qui est posée sur la pièce 1. Cette plaque 2 possède à peu près les mêmes dimensions que la pièce 1, mais elle peut également être un peu plus grande ou un peu plus petite. Elle porte sur son dessous un subtrat de rodag ou de polissage, formé d'un grand nombre de "patins" indi- viduels 3 de rodage ou de polissage. L'épaisseur de la plaque élastique 2, désignée ci-après par "membrane", dépend de la grandeur de la pièce 1 et de sa dé- formation asphérique et peut être de quelques centimètres pour des miroirs d'environ 4 m par exemple. Comme matériau pour la membrane 2, on peut utiliser de l'aluminium, mais d'autres maté- riaux, des matières plastiques par exemple, conviennent également. La membrane 2 est tendue de façon lâche, à l'aide d'élé- ments de tension réglables sous forme de câbles d'acier 9,dans le sens de l'axe du miroir 1,dans un cadre annulaire 7 qui répose lui-même sur quatre guides 8a-d dont la position et l'angle peuvent être réglés avec précision. Le cadre 7, donc aussi la membrane 2 tendue dans ce cadre,sont animés d'un mouvement oscil- lant, avec exclusion de forces transversales, par deux commandes 4a et 4b qui sont associées aux guides 8a et 8d, l'amplitude et la fréquence du mouvement étant fixées par un calculateur non représenté ici. Sur le côté arrière de la membrane 2 sont disposés, à faible distance les uns à côté des autres, un grand nombre d'élé- ments de charge 5 qui s'appuient avec des forces réglables indi- viduellement et par l'intermédiaire de paliers pneumatiques 6 sur la memebrane 2. Bien entendu, on peut également utiliser un autre palier ou appui à faible frottement à la place du palier pneuma- tique, par exemple un palier hydraulique. Les éléments de charge 5, appelés ci-après "vérins", sont supportés par une construction en pont 10 qui est également disposée fixe,comme la pièce 1. Au moyen des vérins, représentés plus en détail sur les figures-3a et 3b, on peut produire une distribution de pression fixe pendant le processus de rodage par rapport à la position de la pièce 1; autrement dit, à chaque point de la surface de la pièce à usiner 2569139 est associée une pression d'usinage pouvant être préfixée et par laquelle l'enlèvement de matière désiré à l'endroit considéré peut être réglé individuellement. Les paliers pneumatiques 6 assurent une sollicitation uniforme de l'aire de membrane corres- pondant à chaque vérin 5. Le vérin 5a représenté schématiquement dans l'exemple de réalisation selon la figure 3a possède un corps 11 sous forme d'une douille cylindrique montée coulissante dans le pont 10 et s'appuyant sur un palier pneumatique 6. Un ressort 12 à l'inté- rieur de la douille 11 peut être comprimé par un cylindre 13 qui est guidé linéairement dans la douille 11 et est commandé par une broche filetée 14 calée sur l'arbre d'un moteur 15 fixé sur le pont 10. Le moteur 15, comme les moteurs prévus pour les autres vérins, non représentés, est commandé par un calculateur 16 et il règle, avant le début du processus de rodage, la force que le ressort 12 exerce sur le palier pneumatique 6. En raison de l'autoblocage de la broche 14, l'alimentation électrique du mo- teur 15 peut être coupée après le réglage de la pression d'usi- nage. A la place du vérin 5a décrit ci-dessus, on peut utili- ser également le vérin 5b représenté sur la figure 3b et qui pos- sède une construction plus simple. Ce vérin 5b comporte une barre 17 guidée dans le pont 10 et appuyée sur le palier pneuma- tique 6. L'extrémité supérieure de cette barre porte un aimant permanent 19 qui est entouré d'une bobine 18 montée fixe sur le pont 10. La pression désirée est par conséquent produite ici par un dispositif semblable à une bobine à noyau plongeur. Comme on peut le voir sur la figure 1, plusieurs patins individuels 3 sont disposés sur le côté inférieur de la membrane 2. Les patins 3 laissent entre eux de la place pour le liquide d'usinage, lequel est injecté sur le côté et est de nouveau aspi- ré au point le plus bas. Lors de l'usinage de miroirs à axe de symétrie et présentant une ouverture centrale, -comme les miroirs couramment utilisés en astronomie, il convient de réaspi- rer le liquide de polissage à travers l'ouverture centrale du miroir. Le processus de rodage ou de polissage, à effectuer à l'aide des dispositifs décrits en référence aux figures 1 - 3b, se déroule comme suit. Pour commencer, on détermine de façon en soi connue, par exemple par des procédés de contrôle interférométriques, les écarts de la surface dégrossie, de forme sphérique par exemple, de la pièce 1 par rapport à sa forme prescrite ou forme finale requise. A partir des écarts de forme à éliminer par rodage ou polissage, on calcule ensuite la distribution de pression qui, avec une vitesse de rodage ou de polissage préfixée, conduit au cours d'un temps d'usinage déterminé aux résultats désirés. Pour ce calcul, on peut utiliser la relation trouvée par Preston, selon laquelle le volume V de la matière à enlever est à peu près proportionnel au produit de l'aire de surface de l'outil F, de la pression par unité de surface P, du temps d'usinage t et de la vitesse relative v entre l'outil et la pièce (F.W. Preston "The theory and design of plateglass polishing machines", Journal of the Society of Glass Technology, volume XI, numéro 42, 1927). Conformémemt à cette relation, l'enlèvement de matière par la membrane 2 sous chacun des vérins 5 est proportionnel, en première approximation,à la force avec laquelle-le vérin presse la mem- brane 2 à l'endroit considéré sur la surface de la pièce 1. La force peut donc être réglée individuellement et être commandée par exemple par l'application d'une valeur numérique d'intensité de courant à l'unité d'alimentation électrique 17 du vérin 5b représenté sur la figure 3b. On peut ainsi obtenir des enlèvements de matière localement différents, bien que toute la surface de la pièce soit travaillée simultanément par un seul outil. Il est possible en plus de déplacer l'ensemble des vérins et leur suspension latéralement sur de petites distances comparativement à l'amplitude du mouvement de la membrane. Ceci empêche que les vérins produisent des "empreintes" sur la pièce, ce qui pourrait être le cas par exemple si la raideur de là mem- brane 2 est relativement faible. Les dispositifs nécessaires pour produire ce mouvement supplémentaire ne sont pas représentés ici. 7 2569139 A l'expiration du temps d'usinage au bout duquel la pièce 1 devrait avoir atteint, d'après le calcul, sa forme finale, l'usinage est arrêté et la pièce est contrôlée de nouveau. Pen- dant ce contrôle, l'outil peut être préparé pour le processus de rodage suivant. Lors de la nouvelle préparation, la membrane 2 est "détendue" c'est-à-dire elle est pressée sur un outil calibre sphérique dont la forme est aussi proche que possible de celle de la pièce 1 à usiner, ou sur cette pièce elle-même. Pour accé- lérer cette opération de calibrage, il est avantageux d'exercer sur la membrane 2, par l'intermédiaire des vérins 5, une distri- bution de pression qui est inverse par rapport à celle produite lors de l'opération de rodage ou de polissage précédente. Au cas o la membrane est pressée sur la pièce elle-même, sa dimension correspond à celle de la surface de la pièce. Lors de l'usinage, il convient dans ce cas de produire une commande dynamique des vérins installés sur le bord et de décharger chaque vérin sous lequel, au cours du mouvement de polissage, la membrane est re- tirée. Cela n'est pas nécessaire lorsqu'on travaille avec un outil de calibrage ou étalon séparé. Dans ce cas, la membrane et l'outil de calibrage peuvent avoir des dimensions plus -grandes que la pièce à usiner, de sorte que la surface à roder est recou- verte par la membrane dans chaque phase du mouvement de celle-ci. Dans la description qui précède du procédé de rodage et de polissage selon l'invention, on a considéré le cas idéal que le mouvement de polissage de la membrane 2 exerce seulement des forces, différentes d'après l'endroit, mais qui agissent dans le plan de la surface de la pièce. Cependant, comme la surface de la pièce 1 est courbe, les forces de frottement agissant entre la membrane et la pièce engendrent des forces de pression A P qui se superposent aux forces P réglées sur les vérins 5 (voir figure 4). Les forces A P agissent dans le sens de la soustraction sur le côté "tirant" de la membrane et dans le sens de l'addition sur l'autre côté. Comme, lors du mouvement oscillant, le côté tirant change sans cesse, cet effet n'est pas critique tant que les forces A P sont inférieures à la plus petite force d'usinage Pmin. 8 569139 Ledit effet exerce cependant une influence sur la dynamique appli- cable des pressions de polissage puisqu'il détermine l'ordre de grandeur des pressions de polissage minimales Pmin. La grandeur dudit effet est fonction de l'angle d'inclinaison a et, par suite, des caractéristiques d'ouverture de la pièce. En cas de grande ouverture de la surface réfléchissante de la pièce 1, lorsqu'elle est supérieure à environ F/1,0, il convient de prévoir une com- pensation dynamique commandée par calculateur, par laquelle les forces exercées par les vérins 5 sont corrigées d'une quantité qui dépend de l'amplitude et de la direction du mouvement de ro- dage instantanée. Les vérins selon la figure 3b, qui réagissent relativement vite, conviennent particulièrement à cet effet. La pièce 1 représentée sur la figure 1 possède la forme d'un secteur de couronne. Il est bien entendu possible également d'usiner des pièces à symétrie de révolution, des miroirs pour télescopes d'un seul tenant par exemple, avec les moyens repré- sentés. S'il s'agit de pièces à symétrie de révolution, il con- vient, tout au moins dans la phase initiale de l'usinage, lors- qu'il s'agit d'éliminer des défauts de symétrie de révolution, de faire tourner la pièce lentement sous la membrane, autour de son axe, afin de produire un "étalement" azimutal de l'action des différents vérins. Il est possible aussi de choisir d'autres solutions pour la tension axiale souple de la membrane 2 à la place des câbles d'acier 9. Il est possible par exemple d'amincir le bord de la membrane et de la tendre à plat dans le cadre. 9 2569139 REVENDICATIONS 1. Procédé pour le rodage ou le polissage de surfaces op- tiques, de préférence asphériques, selon lequel la surface à usiner est préalablement contrôlée et l'opération de rodage ou de polissage est commandée suivant les écarts de la forme réelle de la surface par rapport à une forme prescrite préfixée, caractérisé en ce que a) on pose sur la surface (1) un outil de rodage ou de polissage qui recouvre essentiellement toute la surface à usiner et est réalisé comme une membrane flexible (2), b) on crée sur le côté éloigné de la surface (1) de la membrane (2) une distribution de pression (5) qui correspond aux écarts de la surface par rapport à sa forme prescrite, c) on déplace la membrane (2) par des forces essentiellement tangentielles (4) sur la surface à usiner, en préservant pour l'essentiel la distribution de pression (5) par rapport à la surface (1) et d) on arrête l'opération et on contrôle de nouveau la surface lorsque l'enlèvement de matière V, calculé à partir de la pression P, du temps d'usinage t et de la vitesse relative v entre la membrane et la surface, atteint les écarts mesurés préalablement entre la forme réelle et la forme prescrite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (2) , avant chaque nouvelle opération d'usinage, est pressée sur un outil séparé qui possède à peu près la forme pres- crite de la surface à usiner. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (2) , avant chaque nouvelle opération d'usinage, est pressée sur la surface à usiner elle-même. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de pression (5) sur le côté arrière de la mem- brane (2) est commandée dynamiquement, en fonction de l'amplitude et de la direction du mouvement de la membrane (2). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de pression est déplacée dans son ensemble, avec une faible amplitude, par rapport à la surface (1). 6. Dispositif pour le rodage ou le polissage de surfaces optiques, de préférence asphériques, comprenant un outil pouvant être commandé suivant les écarts de la forme réelle de la surface par rapport à une forme prescrite, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que a) l'outil est réalisé comme une membrane élastique (2) qui porte le sbstrat de rodage ou de polissage, b) un grand nombre d'éléments de charge (5) sont disposés sur le côté éloigné de la surface à usiner de la membrane (2), qui s'appuient par l'intermédiaire d'un palier antifriction (6) sur la membrane (2) et pressent celle-ci avec une force ré- glable individuellement contre la surface (1), c) une commande (4) est prévue pour déplacer la membrane essen- tiellement tangentiellement sous les éléments de charge (5), disposés fixes ou effectuant par rapport à la surface à usiner (1) des mouvements latéraux faibles comparativement aux ampli- tudes du mouvement de la membrane. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de charge (5) sont des vérins (5b) à commande électromagnétique. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de charge sont des vérins (5a) réglables par moteur par l'intermédiaire d'un mécanisme autobloquant (13, 14). 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les vérins (5a, 5b) s'appuient sur la membrane (2) par l'intermédiaire de paliers hydrostatiques (6). 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane (2) est tenue par un cadre tendeur (7) qui repose sur des surfaces de guidage (8) réglables.