CN102049530A - 大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种大离轴量离轴非球面镜的精密车削加工方法，包括：对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，选择配重块；采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块；进行偏心量的计算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，按照刀具在z方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；将对正块置于夹具中央，并将待加工工件和配重块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配于夹具上；超精密车削加工。本发明提供的加工方法可提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于加工任意离轴量的离轴非球面。

Description

大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法

技术领域

本发明属光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种离轴非球面镜的加工方法。

背景技术

离轴非球面镜是架构光学系统常见的光学器件，可以实现光束汇聚或发散、进行光路方向调整，组建的光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点。离轴非球面镜在空间光学系统中起着非常重要的作用，利用它组建的三镜反射系统是空间望远镜的核心部件，可以避免中心遮拦，还能减少系统体积和重量，同时提高系统的成像质量。离轴非球面镜还广泛用于极紫外光刻中的光刻物镜，配合其他光学元件增大收集角，提高反射效率。另外，离轴非球面镜还可实现高分辨率的分光功能，应用于各种干涉仪、光束准直仪、光束扩展器、光谱检测器、MTF测量仪等。

离轴非球面镜作为非球面的一部分，自身不具备轴对称性，是一种典型的自由曲面光学元件，形状的复杂给加工带来了困难。目前，回转对称的普通非球面镜一般采用金刚石切削、研磨或抛光等技术加工，可达到超精密加工要求。单点金刚石切削可实现光学质量表面的单工序加工，不需要研磨等复杂的后续工序，是加工离轴非球面镜的高效方法。专利200910070523.2提到一种组合式的加工方法，将离轴非球面组合为完整非球面，仅借助两轴超精密车床就能按照旋转对称方式进行离轴非球面加工，但受加工机床主轴口径的限制，仅适用于对尺寸较小和离轴量较小的离轴非球面进行有效加工。近几年，随着快刀和慢刀伺服的出现，为主轴的转动角度添加了反馈或控制，可实现离轴非球面的高效加工，对加工尺寸和离轴量进行了很大地提高。快刀伺服方式在高频曲率变化面形加工上具有优势，但加工表面质量低于慢刀伺服方式，因此，慢刀伺服控制技术成为光学自由曲面最佳加工方法。在采用慢刀伺服控制技术进行大离轴量离轴非球面加工时，由于受到离轴非球面自身曲率变化的影响，在加工回转中心区域时，会因切削范围过大而刀具加速度不够出现逆向切削的现象，导致刀具切削干涉，对刀具造成破坏性影响，从而严重影响了该方法的真正应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种既可增大加工工件的尺寸和离轴量，又能有效避免加工干涉的超精密车削加工方法。本发明提供的加工方法，借助工件的偏心装配方式，采用慢刀伺服控制方式进行切削加工，不仅可避免刀具干涉问题，还能提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于加工任意离轴量的离轴非球面。本发明的技术方案如下：1.大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法，采用慢刀伺服控制的单点车削工艺，在具有直线运动轴X、Z及具有角度定位的车削主轴C的超精密车床上实现，其特征在于，包括下列步骤：

1)对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进行配重块的选择；

2)采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块，所述的对正块为加工过程中置于夹具中央，与配重块和待加工工件的侧面均相互接触的一个物件；

3)根据待加工工件的被加工离轴非球面的口径和对正块尺寸，进行偏心量的计算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；

4)对于切削区域，按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，对于非切削区域，按照刀具在z方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；

5)将对正块置于夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内，并将待加工工件和配重块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配于夹具上；

6)按照设计好的加工路径进行超精密车削加工。

本发明的超精密车削加工方法，其特征在于，夹具装配好后，对正块和配重块的高度不高于待加工工件的离轴非球面的最低点的高度。上述的步骤1)中所述的配重块为与待加工工件材质和结构相同的经过粗加工后的其他工件，步骤4)中进行路径计算时，计算的是同时进行两个以上工件的离轴非球面加工的路径。

本发明设计的加工方法具有以下优点：(1)结构简单，仅需采用普通夹具对离轴非球面进行装卡；(2)因采用偏心装卡方式，可以避免切削干涉问题；(3)采用慢刀伺服控制的单点金刚石车削方式进行切削加工，可有效提高加工效率；(4)增大了加工工件的尺寸；(5)适用于任意离轴量的离轴非球面加工；(6)可同时装卡加工两/三件工件，进一步提高加工效率。

附图说明

图1本发明采用的加工系统的示意图。

图2本发明采用的加工系统的2D图。

图3同时加工两个离轴非球面时装配方式。

图4同时加工三个离轴非球面时装配方式。

图5离轴非球面方程及切削范围定义示意图。

图6刀具运动轨迹。

附图标记说明如下

1车床主轴    2金刚石刀具    3夹具

4配重块      5对正块

具体实施方式

图1是本发明的加工系统示意图。系统由车床主轴1、金刚石刀具2、夹具3、配重块4和对正块5等部分组成。对正块5负责控制离轴非球面的偏心安装量，其一侧紧靠离轴非球面的最低侧；配重块4负责对回转夹具3平衡调整，位于离轴非球面放置的对称侧；利用夹具3并通过超精密金刚石车床自带真空吸盘，将加工系统固定于车床主轴1上。配重块4和对正块5的高度要低于离轴非球面最低高度h，而离轴非球面安装的偏心量δ远小于离轴非球面的离轴量。加工坐标系及量值标示如图2所示。

为进一步提高加工效率，配重块4位置处可放置同样的离轴非球面，如图3所示。而调整凸台底面的形状，还可进行三个离轴非球面的同时加工，结构如图4所示。

加工过程采用慢刀伺服控制的单点金刚石车削来实现，即车床具有直线运动轴X、Z及具有角度定位的车削主轴C。当C轴旋转到某一角度时，可以控制X和Z轴以较高速度、微行程地振动，从而实现慢刀伺服控制。设离轴非球面的数学表达式为，

$z(x,y)=\frac{c[{(x-x_0)}^2+y^2]}{1+\sqrt{1-(k+1)c{(x-x_0)}^2+y^2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2i}[{(x-x_0)}^2+y^2]---\left(1\right)$

其中c为非球面顶点曲率，k为锥度系数，A_2i为非球面系数，其中第一项描述了一种二次曲面，当K的取值范围不同时方程描述双曲面、抛物面、椭圆面、球面等。x₀是偏离旋转轴心的距离，即离轴非球面的离轴量，当工件外形为圆，且工件口径为Φ时，则离轴非球面在x方向的取值范围为|x₀-x|≤Φ/2。当离轴非球面偏心放置时，其方程表示为，

$z(x,y)=\frac{c[{(x-x_0+\mathrm{\δ})}^2+y^2]}{1+\sqrt{1-(k+1)c[{(x-x_0+\mathrm{\δ})}^2+y^2]}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2i}{[{(x-x_0+\mathrm{\δ})}^2+y^2]}^i---\left(2\right)$

则离轴非球面的形状取值范围为

如图所示。则刀具在x轴上的加工范围为[R₂，R₁]，即[δ-Φ/2，δ+Φ/2]，当离轴非球面安装于主轴上进行匀速旋转运动时，刀具在x∈[R₂，R₁]范围内匀速直线运动，同时受加工面形的影响，刀具在z方向上进行震荡运动。在图5中，对于任一条加工路径x＝R_m时，实线范围内切削区域，即对离轴非球面部分进行切削，而在虚线范围内不切削，为非切削区域。

对于切削区域，需按照慢刀伺服控制运动方式进行切削路径计算，而对于非切削区域，刀具在z方向上位置保持不变。对任意加工点p₀，对应的刀具中心位置为o_t，

$o_t=p_0+r_0{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_p---\left(3\right)$

其中r₀为刀具半径，

${\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_p=\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}-(\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}\·{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_{t0}){\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_{t0}---\left(4\right)$

其中

为特定转角φ₀时切削面法向矢量，

为所需加工表面当前点法向矢量，其各分量可由公式(2)的偏微分求解。按顺序计算出足够量的刀具中心位置点，排列组成切削区域的路径。图6显示了对于某一特定离轴非球面，刀具在x和z方向上的运动轨迹。

本发明的具体实施步骤为：

1)制作夹具；采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，对正块为长宽高5mm的立方体，位于整个夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内；

2)根据被加工离轴非球面的口径Φ和对正块尺寸，进行偏心量δ的计算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；

3)依据偏心量和离轴非球面的口径，确定刀具在x轴上的加工范围为[R₂，R₁]，并依照公式(3)和(4)进行切削区域路径计算，并计算非切削区域路径；

4)将离轴非球面在精密多轴联动机床上进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进行配重块的选择，并一起装配于夹具上。

5)将装配好的加工系统装配于超精密车床的主轴上，按照设计好的加工路径进行超精密车削加工。

Claims (3)

1.大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法，采用慢刀伺服控制的单点车削工艺，在具有直线运动轴X、Z及具有角度定位的车削主轴C的超精密车床上实现，其特征在于，包括下列步骤：

1)对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进行配重块的选择；

2)采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块，所述的对正块为加工过程中置于夹具中央，与配重块和待加工工件的侧面均相互接触的一个物件；

3)根据待加工工件的被加工离轴非球面的口径和对正块尺寸，进行偏心量的计算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；

4)对于切削区域，按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，对于非切削区域，按照刀具在z方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；

5)将对正块置于夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内，并将待加工工件和配重块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配于夹具上；

6)按照设计好的加工路径进行超精密车削加工。

2.根据权利要求1所述的超精密车削加工方法，其特征在于，夹具装配好后，对正块和配重块的高度不高于待加工工件的离轴非球面的最低点的高度。

3.根据权利要求1所述的超精密车削加工方法，其特征在于，步骤1)中所述的配重块为与待加工工件材质和结构相同的经过粗加工后的其他工件，步骤4)中进行路径计算时，计算的是同时进行两个以上工件的离轴非球面加工。

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