CN101508025A - 一种非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法 - Google Patents

Abstract

一种非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法，涉及一种非球面光学元件。提供一种可提高自由曲面的面形精度的非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法及其装置。装置设有工作台、激光干涉仪、微进给机构、光栅尺、刀架、旋转编码器、车刀、旋转平台、主轴和控制器。将车刀与光栅尺相连，在工作台上安装旋转编码器和激光干涉仪，通过对光栅尺和旋转编码器调控，对车刀定位；计算进给速度的控制模型；设定加工参数进行数控编程，生成各个轴的数控加工代码和补偿加工程序；根据数控加工代码加工；用干涉仪对工件在线测量，对测量结果进行数据处理及拟合，若符合面形精度要求，则完成；若不符合，则返回补偿加工程序。

Description

一种非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法

技术领域

本发明涉及一种非球面光学元件，尤其是涉及一种非球面光学元件的轴对称自由曲面的加工控制方法及其装置。

背景技术

在现代光学中，非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，它广泛应用于许多领域。由球面形成的折射面或反射面不可避免地存在着严重的球差，也就是说平行光线经过球面的反射或折射以后，距离光轴不同距离上的光线的焦点和镜面中心点的距离不一样。距光轴远的光线的实际焦距比较短，距光轴近的光线的实际焦距则较长，这种现象就是球差这个名称的来源。为了克服球差问题，只有在光学系统中应用非球面光学元件，如天文望远镜就是应用非球面光学元件最早的领域。但是非球面光学元件由于加工困难，通常需要由多个球面来代替。而多个球面会在光学元件的固定上、仪器的重量上及光学的校正上带来许多不良影响。因此如何克服非球面光学元件加工的困难已经成为现代光学中的一个重要课题。

非球面光学元件中的轴对称自由曲面可以获得球面光学元件所无可比拟的成像质量。非球面光学元件在光学系统中能够很好地矫正多种相差、改善成像质量及提高光学系统鉴别能力，能以一个或几个轴对称自由曲面元件代替多个球面元件，从而使光学仪器结构简化、成本降低和重量减轻，同时使光学系统的设计方法大为简化。

光的反射和折射要求轴对称自由曲面元件的表面粗糙度Ra要小于光波长的1/10，面形精度(PV)值不能大于Ra的10倍值，即需达到微米级、亚微米级乃至纳米级的范围，这就要求光学元件中的轴对称自由曲面的加工要有相当高的精度。在传统补偿加工方法中，若机床进给精度为0.1μm，则加工后的精度一般收敛于3～5μm；若机床进给精度为0.01μm，则加工后的最高精度为1.5μm。

贾世奎(贾世奎，李成贵，刘春红，等.玻璃材料非球面的加工方法.航空精密制造技术，2007，5：14-17)提到了目前轴对称自由曲面的加工方法主要有磨削、车削和模压等加工技术，这些加工技术能生产出精度比较高的光学元件。张坤领(张坤领，林彬，王晓峰.非球面加工现状.组合机床与自动化加工技术，2007，5：1-5)也提到了目前非球面加工技术的现状。

磨削主要应用于加工大、中尺寸的非球面光学元件。加工元件时，磨削工具受计算机控制，在工件表面进行磨削加工。由于磨削加工需要反复地进行面形测试、计算及修正研磨抛光等一系列动作才能达到面形精度的要求，因此工作效率不高。对于单点车削来说，由于受微进给方向的直线电机与主轴旋转转速匹配的限制，一般单点车削完以后的工件都需要再进一步研磨抛光。对于模压成型技术来说，虽然能生产出精度相对较高的光学元件，但是对待压型的毛坯的表面要求保持十分光滑和清洁，且呈适宜的几何形状，以及对模具要求苛刻，因此造成难以加工，造价高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高自由曲面的面形精度的非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法及其装置。

本发明的技术方案是采用车削技术，通过控制工件旋转线速度和车刀进給速度来达到提高非球面光学元件自由曲面的加工精度。

本发明所述非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制装置设有工作台、激光干涉仪、微进给机构、光栅尺、刀架、旋转编码器、车刀、旋转平台、主轴和控制器。

激光干涉仪、刀架和旋转编码器均安装在工作台上，车刀固于刀架上，微进给机构安装在刀架上，光栅尺与车刀连接，工作台上设有与刀架配合并供刀架移动的导槽，旋转平台与主轴连接，主轴外设于车床上，控制器与激光干涉仪、微进给机构、光栅尺、旋转编码器、工作台的驱动电机及主轴的驱动电机电连接。

本发明所述非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法包括以下步骤：

1)将车刀与光栅尺相连，在工作台上安装旋转编码器，通过对光栅尺和旋转编码器调控，达到对车刀定位；

2)利用系统的加工参数及表面参数计算进给速度的控制模型；

3)设定加工参数，加工参数至少包括车床主轴转速、车刀进給速度、加工停留时间、切削厚度、自由曲面的方程或者离散数据；

4)根据设定加工参数，进行控制器上的数控编程，计算车刀的加工轨迹、加工时间和频率匹配等，进而生成各个轴的数控加工代码和补偿加工程序；

5)根据生成的各个轴的数控加工代码进行加工；

6)用激光干涉仪对加工后的轴对称自由曲面工件进行在线测量；

7)对测量结果进行数据处理及拟合，若结果符合面形精度要求，则完成加工；若结果不符合面形精度要求，则运行补偿加工程序。

本发明通过对轴对称自由曲面加工过程中的刀具进給速度和工件旋转的线速度的控制，来实现加工精度的提高。为提高加工精度，其中很关键的是通过分析轴对称自由曲面的加工过程中车刀进給速度及工件旋转的线速度对加工精度影响的因素，提出控制车刀进給速度使轴对称自由曲面的工件各点的切削量均匀的方法，使速度变化为连续变化。然后再计算出各分割区域的进給速度，根据这些算法，编制程序进行自动加工及补偿加工。由此可见，与现有技术比较，本发明具有装置简单、操作便利、加工精度高、成本低等突出优点和显著效果。

附图说明

图1为本发明实施例的非球面光学元件的轴对称自由曲面的加工控制装置结构组成示意图。

图2为本发明实施例的非球面光学元件的轴对称自由曲面的加工控制装置的工作台平面结构示意图。

图3为本发明实施例的车刀进給速度控制散点图。横坐标为车刀向心进给量(mm)，纵坐标为车刀进给速度(mm/min)。

图4为本发明实施例的加工控制程序生成流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

图1～3中的各主要零部件的代号：

1激光干涉仪，2微进给机构，3光栅尺，4刀架，5工作台，6车刀，7工件，8旋转平台，9主轴，10滑槽，11旋转编码器。

参见图1和2，将待加工的工件7固定在旋转平台8上，旋转平台8与主轴9相连可进行高速旋转运动。激光干涉仪1及刀架4均安装在工作台5上，刀架4在加工过程中随着工作台5作上下运动(如图1中垂直方向的双向箭头所示)。工作台5上开有滑槽10。刀架4位于滑槽10中，刀架4可沿滑槽10滑转，同时工作台5上装有旋转编码器11，可对微进给机构2进行精确定位。微进给机构2固定在刀架4上面，可借助旋转编码器11进行位置调整，光栅尺3可以在加工前对车刀进行定位。加工过程中微进给机构2可驱动车刀6进行高频的往复运动(如图1中水平方向的双向箭头所示)。

以下给出具体的加工步骤(参见图3和4)：

首先，利用旋转平台8上的旋转编码器11对微进給机构2精确定位，利用与车刀6相连的光栅尺3来定位车刀6，然后通过加工系统的参数(包括工件半径、进給步长、工件加工长等)和非球面表面参数，计算得出进給速度的控制模型；接下来设定好加工参数，包括主轴9转速、车刀6进給速度、工件7旋转线速度、自由曲面的表达式或离散数据组等。图3体现了本发明实施例中所计算出来的车刀进給速度控制离散图。图3中的横坐标表示加工起始点从非球面的边缘开始，X＝0代表了非球面的顶点，纵坐标表示了车刀的进给速度。

其次，根据设定好的加工参数，在控制器上进行数控编程，计算出车刀6的插补轨迹及进給速度控制点，加工时间等，进而生成车刀的数控加工代码。

最后，按照生成后的数控加工代码，实的共同加工。加工完成后，利用激光干涉仪对工件进行在位检测，并对检测结果进行数据处理和拟合，再通过拟合出的数据进行补偿加工算法和软件编程的实现，进行补偿加工。

设进给速度上限为1200mm/min，下限为400mm/min；车刀加工点线速度与工件加工点线速度同向。以上述系统参数进行加工，以3mm为速度控制步长，可得进给速度控制结果如图3所示。

参见图4，本发明实施例的加工控制程序生成流程如下：

输入系统参数——输入表面参数——计算插补点个数n——是否进行进给速度控制，

如果是：设定车刀进给速度上下限，根据上下限计算出分割区域数m，计算各分割区域加工线速度，根据公式计算各分割区域进给速，选m个插补点进行进给速度控制；

如果否：设定车刀进给速度，设定各插补点进给速度；

接着计算各插补点坐标及设置进给速度，生成NC控制程序。

由于工件的去除量与车刀在该点的停留时间、该点磨削线速度成正比，则可以推出区域车削原理：车刀在某一固定区域的切削深度δ与车刀停留时间t成正比、与工件和车刀之间线速度GV成正比、与该区域的面积S成反比。

$\mathrm{\δ}=K\×\frac{\mathrm{GV}\×t}{S}---\left(1\right)$

设轴对称非球面工件X轴分割值为l，则为了使各加工区域切削深度一致，根据式(1)可知，必须使加工线速度GV、加工面积S、加工时间t乘积恒定。所以可得：

$\frac{{\mathrm{GV}}_i\×T_i}{S_i}=\frac{{\mathrm{GV}}_{i+1}\×T_{i+1}}{S_{i+1}}---\left(2\right)$

对于某个确定工件，当加工方式及分割值确定后，即可确定该分段内加工线速度GV_i。

又

$T_i=\frac{l}{v_i}---\left(3\right)$

式中：l—工件分割值，v_i—车刀进给速度，则可以得以下两式：

$V_i=\frac{{\mathrm{GV}}_i\×S_1\×V_1}{{\mathrm{GV}}_1\×S_i}---\left(4\right)$

$V_i=\frac{{\mathrm{GV}}_i\×S_{i-1}\×V_{i-1}}{{\mathrm{GV}}_{i-1}\×S_i}---\left(5\right)$

如图4所示，对于进给速度控制为提高加工精度，必须尽量使速度变化为连续变化。所以当非球面插补分割足够小，可以视进给速度变化函数F(x)为连续函数。

由于机床原因，车刀进给速度必须限定于一定范围以内。所以首先给定加工进给速度上下限，设最大进给速度为Fmax最小进给速度为Fmin，非球面起始点为fpx。令F(0)＝Fmax、F(fpx)＝Fmin。则可以求出区域分割数m。此时可根据公式(4)计算出各分割区域的进给速度。根据上述算法，编制程序，程序流程图如下所示：又由于控制进给速度必须以插补节点来控制。所以如果将工件分为n段进行插补，则可以选择控制进给速度的控制节点为n+1个。放弃控制的节点将自动保持上一节点的进给速度。由于区域分割步长1为进给步长dx的倍数，因此区域分割数m是插补分段个数n的倍数。只需适当选取其中m个插补节点进行控制。

由于数控机床加工时必须以各插补点进行插补计算，因此实际加工中速度控制也必须以插补点为起点和终点。

Claims (2)

1.非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制装置，其特征在于设有工作台、激光干涉仪、微进给机构、光栅尺、刀架、旋转编码器、车刀、旋转平台、主轴和控制器，激光干涉仪、刀架和旋转编码器均安装在工作台上，车刀固于刀架上，微进给机构安装在刀架上，光栅尺与车刀连接，工作台上设有与刀架配合并供刀架移动的导槽，旋转平台与主轴连接，主轴外设于车床上，控制器与激光干涉仪、微进给机构、光栅尺、旋转编码器、工作台的驱动电机及主轴的驱动电机电连接。

2.非球面光学元件轴对称自由曲面的加工控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将车刀与光栅尺相连，在工作台上安装旋转编码器和激光干涉仪，通过对光栅尺和旋转编码器调控，达到对车刀定位；

2)利用系统的加工参数及表面参数计算进给速度的控制模型；

3)设定加工参数，加工参数至少包括车床主轴转速、车刀进給速度、加工停留时间和切削厚度；

4)根据设定加工参数，进行控制器上的数控编程，计算车刀的加工轨迹、加工时间和频率匹配等，进而生成各个轴的数控加工代码和补偿加工程序；

5)根据生成的各个轴的数控加工代码进行加工；

6)用激光干涉仪对加工后的轴对称自由曲面工件进行在线测量；

7)对测量结果进行数据处理及拟合，若结果符合面形精度要求，则完成加工；若结果不符合面形精度要求，则返回步骤4)所述补偿加工程序。

Images