Brevet FR2626208A1 — publié le 19890728

Procédé et dispositif de rodage et de polissage de surfaces optiques Le rodage et le polissage de composants optiques relativement importants, comme ceux qui sont utilisés par exemple pour les observations astronomiques, constituent un travail qui exige beaucoup de temps avec les techniques courantes. Il est en effet extrémement difficile de réaliser sur l'ensemble de la surface à usiner la forme souhaitée avec la précision nécessaire de fractions de la longueur d'onde, typiquement 10 à 15 nm. Pour raccourcir le temps d'usinage on a déjà proposé un procédé, qui prévoit un outil recouvrant l'ensemble de la surface à usiner de la pièce à traiter sous forme d'un membrane flexible. L'outil, sur la face inférieure duquel sc t fixes les éléments polissants, oscille dans ce cas tangentiellemen-;ur la pièce A traiter sous une série d'éléments de charge fixes par rap art à la pièce à traiter. Ces éléments de charge créent une répartition de pression calculée à partir des écarts entre la pièce à traiter et la surface théorique. Avec ce procédé connu d'apres le DE-A1-34 30 499 il est pourtant difficile de maintenir la précision mentionnée ci-dessus également sur les arêtes de la pièce à traiter. En outre, les dimensions des écarts asphériques que le procédé permet de polir dans la pièce à traiter sont limitées, car la membrane flexible doit être relativement rigide, pour éviter que les actionneurs ou les éléments de charge ne percent la pièce à traiter. On connaît d'arts le US-PS 23 99 924 un procédé de polissage qui, comme le précédent, prévoit comme outil une membrane flexible qui s'étend sur toute la surface à usiner. Cet outil est chargé selon une répartition de pression adaptéée à l'enlèvement précalculé de matériau à réaliser. La pièce à traiter tourne simultanément. Xais on ne peut polir selon ce procédé que lorsque les écarts entre la forme théorique et la pièce à traiter, c'est-à-dire de la surface à usiner, présentent une symétrie de révolution. En outre, il n'est pas possible d'éliminer des écarts de période courte, car la répartition de pression sur la face arrière de l'outil se décale par rapport à la pièce à traiter lors des déplacements de polissage. En effet pour créer la pression le procédé connu emploie des poids qui reposent sur la membrane et qui se déplacent avec la membrane sur la surface à usiner. Dans la demande antérieure P 36 43 914.2 on décrit un procédé de polissage pour des composants optiques importants qui emploie un outil de polissage en forme de bande. Les pressions des actionneurs qui s'appuient sur cette membrane en forme de bande sont, au moins dans une direction de déplacement, fonction de la position relative de l'outil et de la pièce à traiter. C'est le but de la présente invention de fournir un procédé grâce auquel on évite les inconvénients mentionnés ci-dessus de l'état actuel de la technique. Le procédé devrait permettre des temps d'usinage aussi courts que possible et être aussi universellement utilisable que possible en ce qui concerne les écarts deu formes à éliminer. En partant du procédé indiqué dans le préambule et dans 1 'introduceion on atteint ce but par le fait que la pression des éléments de charge qui recouvrent l'ensemble de la pièce à usiner est commandée en fonction de la position relative instantanée de l'outil par rapport à la surface à usiner de façon telle que la répartition de pression par rapport à la pièce à usiner reste stationnaire. Le dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédé possède pour cette raison sur les entraînements qui réalisent le déplacement relatif entre l'outil et la pièce à traiter des systèmes de mesure de position qui y sont fixs, ainsi qu'une commande reliée au système de position et au dispositif de commande relié aux systèmes de mesure de position et aux éléments de charge, de sorte que les forces exercées par les éléments de charge peuvent être commandées en fonction des positions instantanées de l'outil et de la pièce à traiter de façon telle que la répartition reste stationnaire et donc est fixe par rapport à la surface à usiner, c'est-à-dire par rapport à la pièce à traiter. Avec le procédé selon l'invention on peut polir et roder des déformations asphériques relativement importantes dans la surface à usiner, sans qu'il se produise de problèmes lors de l'usinage du bord de la pièce à traiter. En outre, comme les éléments de charge sont déplacés groupés avec la membrane sur la surface A usiner, le dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédé possède une structure plus simple et peut être manoeuvré plus facilement que lorsque la membrane doit être étirée seule vers le bas. Il est vrai que les besoins techniques de commande sont plus exigeants parce que les pressions des éléments individuels de charge doivent être individuellement réajustées de façon permanente en fonction de la vitesse utilisée. Xais les conditions techniques correspondantes sont aujourd'hui remplies. On peut dans ce but utiliser des vérins et des vannes pneumatiques, qui sont commandés par un processeur dans la mémoire duquel est mémorisée la répartition de pression qu'il faut maintenir stationnaire. D'autre avantages de l'invention apparaissent à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation au vu des Figures t à 3 des dessins annexée La Figure 1 es' n schéma de principe en coupe d'un dispositif apte au rodage ou au pol age de télescopes astronomiques; la Figure 2 représente le dispositif de la Figure 1 en vue de dessus; La Figure 3 est un schéma logique de la commande utilisée pour le fonctionnement du dispositif de la Figure 1 et de la Figure 2. 2 O Le dispositif de rodage et de polissage représenté à la Figure 1 et à la Figure 2 sert à l'usinage de surface d'un pièce à traiter 1 placée de façon fixe sur un support 7. Dans l'exemple représenté, la piece à traiter 1 est un segment annulaire circulaire d'un miroir de télescope concave asphérique destiné par exemple aux observations astronomiques. L'outil de rodage ou de polissage déplacé pour l'usinage de la pièce à traiter 1 se compose d'une plaque support ou d'un cadre rigide 4 sur la face inférieure duquel est fixée un membrane flexible de forme adaptée à la surface concave du miroir 1. La membrane 2 porte sur sa face inférieure l'élément actif de rodage et de polissage qui se compose d'une multiplicité de tampons individuels 3 de rodage et de polissage, par exemple en poix. L'épaisseur de la membrane 2 dépend des dimensions de la pièce à traiter 1 et de sa déformation asphérique. Elle peut présenter une épaisseur de quelques centimètres pour des dimensions de miroir de quelques mètres de diamètre. Comme matériau pour la membrane on peut utiliser de l'aluminium mais d'autres matériaux comme des matières plastiques se prêtent bien à cet usage. Sur la face supérieure de la plaque de fixation 4 sont serrés les uns contre les autres une multiplicité d'éléments distincts 5 de charge qui peuvent être commandés individuellement. Ces éléments 5 de charge s'appuient avec une force réglable individuellement sur la face arrière de la membrane 2. Dans les Figures 1 et 2, on ne représente pour des raison de dessin qu'un petit nombre d'éléments 5 de charge. En fait cependant l'ensemble de la face arrière de la membrane 2 est occupée par des éléments de charge serrés les uns contre les autres. Dans certains cas il peut y avoir plusieurs centaines d'éléments de charge et d'actionneurs. Comme l'indique la Figure 2 l'outil complet à proprement parler, qui se compose de la membrane 2, de la plaque de fixation 4 et des actionneurs 5, est lié à trois emplacements décalés l'un par rapport à l'autre de 120' par trois cardans 17a, b et c mobiles avec trois unites d'entrainement 6a, 6b et 6c. Les unités d'entraînement 6a, b, c sont d'une structure du type à chariot en croix mobile dans les trois directions spatiales. On ne décrit dans ce qui suit que l'unité d'entraînement 6a, car les unités 6b et 6c possèdent exactement la même structure et les termes de référence sont à remplacer dans ces cas par les références b ou c. Le chariot 13a mobile dans une première direction Xl est placé sur un guide fixe 12a. Il porte lui-même le chariot 14a, mobile dans la -5 direction horizontale perpendiculaire à la première c'est-à-dire la direction Y1, sur lequel est fixé le support 16a de guidage vertical en Z. Sur ce support 16a s'appuie la plaque de fixation 4 au moyen du cardan 17a. Sur chacun des trois chariots coulissants sont montés des entraînements sous forme de vérins hydrauliques. Les vérins ?0 hydrauliques pour chacun des trois mouvements I1, Y1, Z1 sont désignés par 9a et, comme les entraînements correspondants 9b et 9c des autres points d'appui de l'outil, ils sont déplacés dans un mouvement commandé par une unité de commande 19. De cette façon les trois fois trois entraînements 9a, b, c de l'outil sont synchronisés les uns avec les 3 5 autres de manière telle que la membrane 2 exécute un mouvement de polissage tangentiel d'amplitude et de fréquence réglables sur la surface de la pièce 1 à traiter. Des encodeurs de position O10a, lob, 10c sont en outre affectés aux entraînements 9a, 9b, 9c. Les sorties des encodeurs sont amenées au processeur 8 qui commande les mouvements d'oscillation des entraînements 9a, 9b, 9c. A l'aide des signaux des encodeurs de position O10a, 10b, o10c et de la disposition géométrique connue à l'avance des éléments 5 de charge sur la face arrière de la membrane 2, le processeur 8 calcule la position instantanée de chaque élément individuel 5 de charge déplacé avec la membrane 2 par rapport à la surface de pièce à traiter. Dans la mémoire du processeur 8, la répartition des pressions est entrée sous forme de fonction bidimensionnelle des coordonnées X et Y que la membrane 2 c it utiliser sur la pièce 1 a traiter pour éliminer au cours du proces z de polissage les écarts de forme mesurés auparavant, par exeale interférométriquement, de la pièce 1 à traiter par rapport à sa forme idéale. Les éléments de charge 5 comme déjà indiqué plus haut peuvent être commandés individuellement en ce qui concerne la force agissant sur la face arrière de la membrane 2. Dans ce but on utilise pour chaque actionneur des vérins pneumatiques qui sont soumis à une unité 15 de commande de pression. L'unité 15 de commande de pression est également liée au processeur 8. En outre le circuit de régulation de pression est bouclé par des capteurs de pression qui correspondeant aux actionneurs 5 et envoient également leurs signaux au processeur. Le processeur 8 attribue alors à chacun des actionneurs en fonction de la répartition de pression mémorisée la pression qui correspond à la position qu'il prend à cet instant au cours de l'évolution du déplacement de polissage. l'unité 15 de commande de pression règule simultanément à l'aide des vannes pneumatiques les pressions calculées dans tous les actionneurs. Ce processus de régulation se produit en temps réel avec une constante de temps d'environ 10 à 20 hz, pendant que l'outil excécute le déplacement de polissage oscillant sur la pièce 1 à traiter. De cette manière la répartition de pression qui est exercée par l'outil sur la surface à usiner est maintenue constante c'est-à-dire stationnaire lorsque les éléments 5 de charge se déplacent avec la membrane 2 sur la pièce à traiter 1. La Figure 3 représente le schéma logique de commande des fonctions du dispositif de la Figure 1 et de la Figure 2. Le noyau en est le processeur désigné par 8 qui avec ses unités périphériques commande tant les déplacements que les pressions des actionneurs. La terminal 18 sert à sa commande et & la transmission de la fonction de pression à exercer sur la pièce à traiter. Le processeur 8 est relié à un interface 28 sur lequel la circulation générale de données des entraînements et des dispositifs de siganux en retour s'effectue à une fréquence d'exploration d'environ 10 à 20 Hz. Cet interface 28 est relié par un bus de données à une unité électronique 20 pour déterminer la position de l'outil. Celle-ci reçoit les sigaux des encodeurs de position O10a, 0lob 10c et émet des signaux de commande correspondants à la commance hydraulique 19 pour les trois fois trois entraînements 9a, b, c de l'outil. La pression de service de l'unité de commande hydraulique 19 est enegndrée par un ensemble hydraulique séparé 29. Les actionneurs 5a - 5b de l'outil 2-4 de polissage sont reliés par un bus d'adresses à l'interface 28 avec des décodeurs d'adresses connectés en aval. Ils sont en méme temps connectés au bus de données et A un étage excitateur de bus 25 qui est intercalé en aval de celui- ci. Un ensemble pneumatique 21 fournit la pression de fonctionnement aux actionneurs 5a à 5n. De cette manière on peut appliquer individuellement à chacun des actionneurs 5a à 5n la pression prévue pour lui. Le procédé de rodage et de polissage à exécuter A l'aide des dispositifs décrits aux Figures 1 à 3 fonctionne de la façon suivante: On détermine en premier lieu d'une manière connue en soi, par exemple interférométriquement, les écarts de la surface brute, par exemple sphérique, à usiner par rapport à sa forme théorique. Le calculateur calcule ensuite à partir des écarts de forme à enlever la répartition de pression qui pour une vitesse prédéterminée de rodage ou de polissage amène au cours d'un temps défini de travail les résultats souhaités, Cette répartition de pression est mémorisée par tr-zafert de données dans le processeur 8. L'outil complet comportant la membrane 2, la plaque 4 de fixation et les actionneurs 5 est ensuite mis en mouvement par les entraînements hydrauliques 9a, b, c des trois unités 6a, 6b et 6c d'entraiînement dans un mouvement de polissage oscillant. De cette manière la position de chacun des actionneurs se modifie par rapport à la surface de la pièce 1 à traiter. Le calculateur B commande alors les pressions de tous les actionneurs d'une manière telle que la répartition des pressions agissant sur le miroir reste stationaire et qu'elle corresponde à chaque emplacement des actionneurs à la répartition de pression mémorisée. Lorsque le temps de travail obtenu par calcul est écoulé le processus d'usinage est arrêté et on mesure à nouveau la pièce à traiter. De façon iterative on procède ensuite à la phase suivante de polissage. Dans l'exemple - réalisation décrit selon la Figure 1 et la Figure 2 l'outil utilisé px l'usinage est déplacé au-dessus de la pièce 1 à traiter qui est mail enue fixe. Il est cependant clair que le mouvement de polissage peut aussi être exécuté en maintenant fixe l'outil et en faisant agir de façon correspondante les entraînements sur la pièce 1 à traiter. REV'ENDICATIOk S 1. Procédé de rodage et de polissage de surfaces optiques, la surface à traiter étant auparavant mesurée, et le procédé de rodage ou de polissage étant commandé en fonction des écarts entre la forme réelle de la surface et une forme théorique prédéterminée dans lequel - on dispose sur la surface un outil de rodage ou de polissage qui se compose d'une membrane flexible (2) ainsi que d'un dispositif comportant pusieurs éléments (5) de charge individuels. - on réalise avec les éléments de charge sur la face arrière de la membrane une répartition de pression qui correspond aux écarts de la [surface par rapport à sa forme théorique et - on déplace sur la surface à usiner la membrane (2) avec le dispositif de création de la répartition de pression au moyen de forces sensiblement tangentielles, caractérisé en ce que la pression des éléments de charge (5) qui recouvrent l'ensemble de la pièce à traiter (1) est commandée en fonction de la position relative instantanée de l'outil par rapport à la surface à usiner de façon telle que la répartition de pression par rapport à la pièce à usiner reste stationnaire. 2. Dispositif de rodage ou de polissage de surfaces optiques 2 0 comportant - un outil qui se compose d'un membrane élastique (2), qui porte l'élément actif (3) de rodage ou de polissage, - un dispositif qui réalise la répartition de pression, qui comprend une multiplicité d'éléments (5) de charge, qui s'appuient sur la face arrière de la membrane (2) avec une force qui peut être commandée individuellement et qui appuie celle-ci contre la surface, - et des entraînements qui déplacent la membrane (2) avec les éléments (5) de charge sensiblement tangentiellement à la surface à usiner, caractérisé en ce que - les entraînements comprennent des systèmes (10) de mesure de position pour déterminer la position de l'outil par rapport à la surface à usiner - le dispositif comporte aussi une commande (8, 15) reliée aux systèmes de mesure de position et aux éléments (5) de charge, qui commande les pressions des éléments de charge déplacés par rapport à la surface optique en fonction de leur position, de sorte que la répartition des charge reste stationnaire par rapport à la surface. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (2) et les éléments (5) de charge couvrent l'ensemble de la surface à usiner. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (2) et les éléments (5) de charge sont maintenus par un cadre (4) qui s'appuie au moins en trois points (6a, b, c) et en ce que chacun des entraînements (9a, b, c,) des points d'appui possède des entraînements en vue d'un déplacement dans les trois directions spatiales (I, Y, Z). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que comme élément d'en -1inement on utilise des vérins hydrauliques sur les points d'appui. 6. Dispositi: selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments (5) de charge sont des actionneurs commandés pneumatiquement.