CN100389917C - 阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于精密加工技术领域的一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置。X轴滑枕沿固定在机床身上的导轨运动，实现X轴运动，Z轴滑枕沿固定在X轴滑枕上的导轨运动，实现Z轴运动，圆弧直接驱动电机安装在Z轴滑枕上，实现B轴运动，精密直线电机固定在圆弧直接驱动电机的动子上；金刚石刀具安装在精密直线电机上沿精密直线电机输出的W轴运动，金刚石刀具在加工过程中的运动路线是由上述X轴运动、B轴运动和W轴运动合成，工件在工作台上作C轴旋转运动，则形成金刚石刀具在工件的表面作阿基米德螺线运动，将原有断续切削变为连续切削方式，解决刀具易破损、加工周期长的问题。提高菲涅耳透镜的加工精度。

Description

阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置

技术领域

本发明属于精密加工技术领域。特别涉及一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置。

背景技术

在20世纪20年代，著名的物理学家菲涅耳提出：连续光学表面的成像特性，主要取决于表面的曲率，而轴向厚度是次要的因素。因此，透镜两个表面之间的厚度可以减少，将普通凸透镜分为若干个分体，去掉中间分体中多余的部分，然后将分割的各个剩余部分重新排列在与光主轴垂直的共同基面上，光学元件仍可保持聚焦特性，从而构成菲涅耳透镜。常见的菲涅耳透镜形式为同心环细齿槽沟式，如图1所示。

在采用金刚石车削加工同心环细齿槽沟式的菲涅耳透镜或其模具时，由于透镜单元之间的节距很小，无法按照一般零件表面加工的方式进行刀尖单点连续加工，一般采用刀具切削刃对透镜每个单元表面一次成型加工(如图2所示)，刀尖轨迹由一族同心圆构成，相互之间不连续，且透镜单元的数量众多，需要机床进行成千上万次的退刀、进刀，致使金刚石刀具破损严重、寿命降低。而且每个环带需逐步进刀多圈切削，总加工路径极长，效率低下。同时每个透镜单元的倾角都不一致，两相邻透镜单元一般会有1″~10″的差距，因此需对刀具所在的转轴进行微调。整个加工过程中，需要机床各轴不停的起动、停止以及微调，这对机床的重复定位精度是极大的考验，并且也大大降低了加工效率。因此，本发明参考了文献“Richard A Steenblik，Dar-Veig Ho.Numerical modeling of theconformational transition of a spiral focusing surface[C]//IEEE，AnnualSimulation Symposium.1990 Eastern Multiconference.Record of Proceedings.23rd Annual Simulation onference.Los Alamitos，CA，USA：IEEE Comput.Soc.Press，1990：127-34”中论述的“一种螺线式菲涅耳反射聚光面的建模问题”，本发明设计出与此发明所述的解决问题的方法不同、透镜应用方向不同和采用适合于阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法。

发明内容

本发明目的是为解决现有常用大型菲涅耳透镜金刚石车削加工中断续加工致使刀具寿命缩短、加工周期长，以及精度不高的问题而提出的一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置。其特征在于，所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工装置，X轴滑枕2沿固定在床身5上的导轨运动，实现X轴运动，Z轴滑枕3沿固定在X轴滑枕2上的导轨运动，实现Z轴运动，圆弧直接驱动电机4安装在Z轴滑枕3上，精密直线电机1固定在圆弧直接驱动电机4的动子上，实现B轴运动，金刚石刀具6安装在精密直线电机1的动子上，沿精密直线电机1输出的W轴运动，工件7安装在工作台8上。

其加工方法是

1.在上述装置上，X轴滑枕2带动Z轴滑枕3在机床5上，实现X轴运动，圆弧直接驱动电机4安装在Z轴滑枕3上，精密直线电机1安装在圆弧直接驱动电机4的动子上，实现B轴运动，金刚石刀具6安装在精密直线电机1上沿精密直线电机1输出的W轴运动，工件7安装在工作台8上，金刚石刀具6在加工过程中的运动路线是由上述X轴运动、B轴运动和W轴运动合成，工件7在工作台8上作C轴旋转运动，则形成金刚石刀具6在工件7的表面作阿基米德螺线9运动，实现对阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工。

2.在实际加工时，固定Z轴，C、X、B及W轴联动，采用下面公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\θ}+C_0\\ X_{\mathrm{\θ}}=l\×\mathrm{\θ}/2\mathrm{\π}-Z_{\mathrm{\θ}}/\tan \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+X_0\\ W_{\mathrm{\θ}}=Z_{\mathrm{\θ}}/\sin \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+W_0\\ B_{\mathrm{\θ}}=\arctan \left(\frac{{\sin \mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}{n-\cos {\mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}\right)+B_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，C₀、X₀及W₀为各自轴的初始值，B₀为刀具切削刃与W轴线之间的夹角，l为设计要求的光斑直径，f为焦距，n为透镜材料的折射率。

Z_θ＝l×sinβ_θ/(n-cosβ_θ)

β_θ＝arctan(l×θ/2πf)

所述B轴回转中心与金刚石刀具6的刀尖O_C基本重合即可，无须严格调整，故为B轴回转的机构设计提供了极大的方便。

所述采用精密的圆弧直接驱动电机和直线电机分别实现B轴和W轴的运动。

所述精密直线电机1可采用永磁同步式直线电机或音圈式直线电机，采用直线光栅作为反馈元件。

所述圆弧直接驱动电机4采用永磁同步式线性电机，采用圆弧光栅作为反馈元件。

所述机床采用五轴四联动的数控系统，选用大连光洋科技有限公司生产的GTP8000E型数控系统进行控制。

本发明的有益效果是采用阿基米德螺线型菲涅耳透镜替代同心环式菲涅耳透镜，将原有断续切削加工方式变为连续切削方式，以解决刀具易破损、加工周期长的问题。

加工中B轴回转中心与金刚石刀具6的刀尖O_C基本重合即可，无须严格调整，故为B轴回转的机构设计提供了极大的方便。

使用精密的精圆弧直接驱动电机和直线电机分别实现B轴和W轴的运动，以W轴替代Z的进给，能很好的提高加工精度。

附图说明

图1是同心环细齿沟槽式菲涅耳透镜的示意图；

图2是细齿沟槽式菲涅耳透镜的基本参数示意图；

图3是阿基米德螺线式菲涅耳透镜及其加工设备示意图；

图4是B轴分辨率引起的折射光线的位置偏差计算结果；

图5是各轴分辨率对透镜工作面长度影响的计算结果。

具体实施方式

本发明是为解决现有常用大型菲涅耳透镜金刚石车削加工中断续加工致使刀具寿命缩短、加工周期长，以及精度不高的问题而提出的一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法及装置。在图3所示的阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工装置示意图中，X轴滑枕2沿固定在床身5上的导轨运动，实现X轴运动，Z轴滑枕3沿固定在X轴滑枕2上的导轨运动，实现Z轴运动，圆弧直接驱动电机4安装在Z轴滑枕3上，实现B轴运动，精密直线电机1固定在圆弧直接驱动电机4的动子上，金刚石刀具6安装在精密直线电机1上沿精密直线电机1输出的W轴运动，工件7安装在工作台8上，金刚石刀具6在加工过程中的运动路线是由上述X轴运动、B轴运动和W轴运动合成，工件7在工作台8上作C轴旋转运动，则形成金刚石刀具6在工件7的表面作阿基米德螺线9运动如图3的下部A-A视图，实现对阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工。

在实际加工时，固定Z轴，C、X、B及W轴联动，采用下面公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\θ}+C_0\\ X_{\mathrm{\θ}}=l\×\mathrm{\θ}/2\mathrm{\π}-Z_{\mathrm{\θ}}/\tan \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+X_0\\ W_{\mathrm{\θ}}=Z_{\mathrm{\θ}}/\sin \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+W_0\\ B_{\mathrm{\θ}}=\arctan \left(\frac{{\sin \mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}{n-\cos {\mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}\right)+B_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，C₀、X₀及W₀为各自轴的初始值，B₀为刀具切削刃与W轴线之间的夹角，l为设计要求的光斑直径，f为焦距，n为透镜材料的折射率。

Z_θ＝l×sinβ_θ/(n-cosβ_θ)

β_θ＝arctan(l×θ/2πf)

根据上述设计，B轴回转中心与金刚石刀具6的刀尖O_C基本重合即可，无须严格调整，故为B轴回转的机构设计提供了极大的方便。

所述精密直线电机1可采用永磁同步式直线电机或音圈式直线电机，采用直线光栅作为反馈元件。

所述圆弧直接驱动电机4采用永磁同步式线性电机，采用圆弧光栅作为反馈元件。

所述机床采用五轴四联动的数控系统，选用大连光洋科技有限公司生产的GTP8000E型数控系统进行控制。

应用本发明可提高加工精度的原因为：

对菲涅耳透镜单元的结构来说，最重要的指标就是透镜单元的工作角α_θ以及工作面的长度l_θ，前者影响偏转光线在焦平面的位置，后者影响通过该透镜单元能够入射到焦平面的光通量。工作角α_θ受转轴B和主轴C的影响，其中主轴C分辨率的影响极小可忽略不计，而转轴B则是主要影响因素，影响比例为1∶1。工作面的长度l_θ，则受各个运动轴的影响。

设转轴B的分辨率为ΔB，当转轴B发生大小为ΔB的变动时，透镜单元的工作角α_θ的变动为ΔB，引起偏折角β_θ的变化Δβ_θ，从而引起的光线在焦平面上位置的偏移量Δl_fBθ为：

Δβ_θ＝arcsin(nsin(α_θ+ΔB))

-arcsin(nsinα_θ)-ΔB    (2)

Δl_fBθ＝f×(tan(β_θ+Δβ_θ)-tan(β_θ))

当l＝0.3mm，f＝1000mm，d＝1200mm，n＝1.44，ΔB＝3”时，Δl_fBθ的变化规律如图4所示。Δl_fBθ与l的比值对应了透镜单元出射光线中无效光线所占的比率，图4的曲线说明，越到边缘的位置，B轴精度对透镜单元的影响越大。

设Z、W、X以及C轴的分辨率分别为ΔZ、ΔW、ΔX和ΔC，则各轴的变动量为各轴分辨率时，对透镜单元工作面的长度的影响为：

Δl_Zθ＝ΔZ/tan(α_θ)

Δl_Xθ＝ΔX

Δl_Cθ＝l×ΔC/2π    (3)

Δl_Wθ＝ΔW×cos(α_θ)

设C轴分辨率为0.5°，其余各轴的分辨率均为0.001，如图5，除了Z轴外，其他各轴对透镜单元工作面的长度的影响均可控制在0.001以下。而Z轴的影响由于与正切函数有关，因此在0点附近的误差极大。在初始阶段Z轴进给上的偏差，将给透镜表面轮廓带来极大的影响。随着工作角的逐渐增大，Z轴进给对透镜偏差的影响迅速减小并最终趋于稳态。

综上，在加工中，B轴精度直接影响到透镜的工作角，其重要性最大，其次是Z轴、W轴、X轴与主轴C。故使用精密的精圆弧直接驱动电机和直线电机分别实现B轴和W轴的运动，以W轴替代Z的进给，能很好的提高加工精度。

可以用阿基米德螺线9替代同心环式菲涅耳透镜的原因是两者具有基本相同的几何聚焦比和能流透射率。

各种结构的菲涅耳透镜在各种场合应用越来越广泛，尤其是大尺寸菲涅耳透镜，在大型照明系统和空间太阳能电池光伏系统等需要大型聚光器的领域中，具有重要的军事及商业应用价值。相对于其他传统聚光器而言，菲涅耳透镜具有厚度薄、质量轻、通光量损失小、易于复制等优点。但其加工难度高，只有美国、日本等发达国家掌握大型菲涅耳透镜加工的关键技术和加工设备。本发明的应用可为打破技术垄断提供一种有效途径。采用阿基米德螺线型菲涅耳透镜替代同心环式菲涅耳透镜，将原有断续切削加工方式变为连续切削方式，以解决刀具易破损、加工周期长的问题。

Claims (6)

1.一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工装置，其特征在于，所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工装置，X轴滑枕(2)沿固定在床身(5)上的导轨运动，实现X轴运动，Z轴滑枕(3)沿固定在X轴滑枕(2)上的导轨运动，实现Z轴运动，圆弧直接驱动电机(4)安装在Z轴滑枕(3)上，实现B轴运动，精密直线电机(1)固定在圆弧直接驱动电机(4)的动子上，金刚石刀具(6)安装在精密直线电机(1)的动子上，沿精密直线电机(1)输出的W轴运动，工件(7)安装在工作台(8)上。

2.一种阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法，其特征在于，其加工方法是：

1)在权利要求1的装置上，X轴滑枕(2)带动Z轴滑枕(3)在机床(5)上，实现X轴运动，圆弧直接驱动电机(4)安装在Z轴滑枕(3)上，圆弧直接驱动电机(4)带动精密直线电机(1)实现B轴运动，金刚石刀具(6)安装在精密直线电机(1)的动子上沿精密直线电机(1)输出的W轴运动，工件(7)安装在上作台(8)上，金刚石刀具(6)在加工过程中的运动路线是由上述X轴运动、B轴运动和W轴运动合成，工件(7)在工作台(8)上作C轴旋转运动，则形成金刚石刀具(6)在工件(7)的表面作阿基米德螺线(9)运动，实现对阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工；

2)在实际加工时，固定Z轴，C、X、B及W轴联动，采用下面公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\θ}+C_0\\ X_{\mathrm{\θ}}=l\×\mathrm{\θ}/2\mathrm{\π}-Z_{\mathrm{\θ}}/\tan \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+X_0\\ W_{\mathrm{\θ}}=Z_{\mathrm{\θ}}/\sin \left(B_{\mathrm{\θ}}\right)+W_0\\ B_{\mathrm{\θ}}=\arctan \left(\frac{\sin {\mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}{n-\cos {\mathrm{\β}}_{\mathrm{\θ}}}\right)+B_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，C₀、X₀及W₀为各自轴的初始值，B₀为刀具切削刃与W轴线之间的夹角，l为设计要求的光斑直径，f为焦距，n为透镜材料的折射率；

Z_θ＝l×sinβ_θ/(n-cosβ_θ)

β_θ＝arctan(l×θ/2πf)

根据上述设计选定机床加工参数，实现菲涅耳透镜的金刚石车削加工和提高加工精度。

3.根据权利要求2所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法，其特征在于，所述B轴回转中心与金刚石刀具的刀尖O_C基本重合即可，无须严格调整，故为B轴回转的机构设计提供了极大的方便。

4.根据权利要求2所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法，其特征在于，所述精密直线电机采用永磁同步式直线电机或音圈式直线电机，采用直线光栅作为反馈元件。

5.根据权利要求2所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法，其特征在于，所述圆弧直接驱动电机采用永磁同步式线性电机，采用圆弧光栅作为反馈元件。

6.根据权利要求2所述阿基米德螺线式菲涅耳透镜的金刚石车削加工方法，其特征在于，所述机床采用五轴四联动的数控系统。

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