CN105538085A - 一种基于cam的异形透镜加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CAM的异形透镜加工方法，包括建立回转对称的镜坯模型，并剪切成目标异形透镜模型；采用右手坐标系，确定坐标原点，Z坐标的零点与镜坯上用于与工装配合的安装面的距离d＝△Z-H，H为工装的高度；CAM生成刀具轨迹；后置处理，生成NC程序代码，转换工具轴和冷却液控制代码得加工程序；将镜坯安装在工装上打表镜坯外圆，得带镜坯工装；按加工程序铣磨镜坯外形，至外形尺寸及角度达到设计要求。该方法实现了异形透镜外形的加工成型，摆脱了手工铣磨精度差、效率低等缺点；突破机床自带模块化软件的限制，提高了加工效率和加工精度；降低了加工废品率；工艺简单，操作方便，具有良好的应用前景。

Description

一种基于CAM的异形透镜加工方法
技术领域
本发明属于异形透镜技术领域，具体涉及一种基于CAM的异形透镜加工方法。
背景技术
球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球面透镜则是从中心到边缘的曲率连续发生变化。非球面透镜的曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本；这种透镜具有更加的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能。非球面透镜由于在设计时就已经考虑到校正的因素，一片可以替代好几片球面透镜补偿像差，能够非常明显的简化光学设计。相对于球面透镜，非球面透镜具有出色的锐度和更高的分辨率，同时镜头的小型化设计成为了可能，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用。
虽然非球面透镜在性能上大大优于球面透镜，但是其加工和检验要比球面透镜复杂和困难得多。现有技术中，CN101046521A公开了一种非对称非球面透镜的加工方法，是将透镜固定在旋转的带有编码器的主轴上，主轴设置在托板上，在透镜加工曲面相对的位置上设置有摆动角和摆动半径可同时变化的旋转磨头，将非对称非球面透镜曲率半径编制成数字信号，用数字信号三轴CNC数控系统来同时控制旋转磨头摆动角和摆动半径以及主轴旋转角度，使磨头产生与非对称非球面透镜曲面素线相同的运动轨迹，从而完成非对称非球面透镜的加工。该方法的加工干涉性很小，但是加工时要求主轴、旋转磨头及其摆动角、摆动半径同时实现精密配合，难度较大且只适合简单形状非球面透镜的粗加工。CN103481155A公开了一种Si非球面透镜的数控加工方法，包括如下步骤：制作抛光模具，非球面最佳拟合半径Rf，硬质铝模具的半径Rm，聚氨酯模层厚度h，硬质率模具和聚氨酯之间用软胶粘接，Rf＝Rm±h，凸面取“+”，凹面取“-”；制作套环夹具，套环口径比零件直径大0.05mm～0.1mm，将透镜放进套环后锁紧夹具；计算修整模层的角度，用电镀金刚石修整砂轮修聚氨酯膜层；用制作好的抛光模具、套环和电子纯抛光液粗抛光Si透镜的零件表面；用制作好的抛光模具、套环和电子纯抛光液粗抛光Si透镜；小修磨抛光头，对非球面面形进行修整，直至达到要求。该方法需要用到模具，工艺复杂，流程长，过程精度难以控制。
异形透镜是指外形不规则、不对称的透镜。异形透镜的外形往往较为复杂，采用光学数控的方法进行加工，过程难以控制；大部分光学数控成型设备，安装的是厂商开发的模块化软件，只能完成简单外形透镜的铣磨成型工作，但异形透镜的外形复杂，受设备及软件限制，通常无法加工。目前，异形透镜多依靠手工铣磨成型，精度不高、重复性差、效率低、废品率较高，对操作人员技能水平要求较高，难以规模化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CAM的异形透镜加工方法，解决现有异形透镜加工困难、精度低、效率不高的问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于CAM的异形透镜加工方法，包括下列步骤：
1)建立回转对称的镜坯模型，并剪切成目标异形透镜模型；
2)采用右手坐标系，确定坐标原点为：X坐标、Y坐标的零点位于镜坯模型的回转轴线上，Z坐标的零点与镜坯上用于与工装配合的安装面的距离d＝△Z-H，△Z为加工设备Z轴的绝对零点与工件轴端面Z方向的差值，H为工装的高度；
3)CAM生成刀具轨迹；
4)后置处理，生成NC程序代码，转换工具轴和冷却液控制代码得加工程序；
5)依据镜坯上用于与工装配合的安装面，将镜坯安装在工装上，打表镜坯外圆，控制圆跳动在0.01mm以内，得带镜坯工装；
6)将带镜坯工装安装在铣磨装置中，按加工程序铣磨镜坯外形，至外形尺寸及角度达到设计要求，拆下，即得。
优选的，步骤1)中，采用UG建立模型。
所述工装为筒形结构，外侧中部设有限位台阶；筒形结构内部为通孔，一端端面形成用于支撑镜坯的支撑面。
步骤2)中，△Z的计算方法为：将一件零件直接固定在加工设备工件轴端面上，采用加工设备试磨该零件的端面，记录加工时工件轴实际的Z值，之后测量该零件的厚度，用记录的Z值减去该零件的厚度，即得△Z。
步骤2)中，工装的高度为从工装的限位台阶至支撑面的距离。本发明的方法也可以采用无限位台阶的筒形结构作为工装，工装的高度为筒形结构的高度。
步骤3)中，CAM生成刀具轨迹之前，设置刀具直径、进给速率和每刀进给量的参数。
优选的，刀具直径为φ90mm，进给速率为F30mm/min～F50mm/min，每刀进给量为0.5mm。
步骤4)中，工具轴和冷却液控制代码包括：工具轴旋转方向、工具轴转速、工具轴冷却液喷、工具轴冷却液闭、程序停止。
工具轴和冷却液控制代码包括：M3＝3(工具轴顺时针旋转)，S3＝2000(工具轴转速2000rpm)，M3＝8(工具轴冷却液喷)，M3＝9(工具轴冷却液闭)，M5＝3(程序停止)。
步骤4)中，将得到的加工程度传至铣磨装置。优选的，所述铣磨装置为光学加工中心。
步骤5)中，将镜坯安装在工装上的方法为用蜡将镜坯粘接在工装上；后打表镜坯外圆，控制圆跳动在0.01mm以内，冷却至室温，得带镜坯工装。粘接所用的蜡事先加热熔化，粘接时按压镜坯保证蜡层均匀。
步骤6)中，铣磨所用的工具为蝶形砂轮，蝶形砂轮的工作面为柱面。
所述蝶形砂轮为金刚石砂轮，金刚石的粒度为D91，金刚石的浓度为C35。
本发明的基于CAM的异形透镜加工方法，通过建立回转对称的镜坯模型，依据镜坯的安装面确定坐标原点，转换工具轴和冷却液控制代码得加工程序，利用带镜坯工装按加工程序铣磨镜坯外形，实现了异形透镜外形的加工成型，摆脱了手工铣磨精度差、效率低等缺点；该方法使用数控机床实现透镜的复杂外形加工，突破机床自带模块化软件的限制，提高了加工效率和加工精度；该加工方法避免了废品的产生，降低了加工废品率；工艺简单，操作方便，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中异形透镜的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为实施例1的加工方法中建立模型的坐标系示意图；
图4为实施例1的加工方法中的磨铣示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，所用的铣磨装置为光学加工中心，型号MCG250；所用的测量设备为三坐标测量仪。
首先计算该铣磨装置(MCG250)的△Z：将一件零件直接固定在加工设备工件轴端面上，采用加工设备试磨该零件的端面，记录加工时工件轴实际的Z值，之后测量该零件的厚度，用记录的Z值减去该零件的厚度，即得△Z＝-75.55mm。
实施例1
本实施例所要加工的异形透镜的外形如图1、2所示，工艺要求为(长度单位为mm)：
尺寸：27.2±0.1、27.2±0.1；
圆弧半径：R52.645±0.1、R38.355±0.1；
倒圆角：R1；
角度：160°±2＇、160°±2＇；
粗糙度：Ra3.2。
本实施例的基于CAM的异形透镜加工方法，包括下列步骤：
1)UG7.5建立φ50.6mm的回转对称的镜坯模型(圆形)，一面为平面(该平面即为用于与工装配合的安装面)，另一面为凸面，曲面半径为66.385mm；依据图1、2及工艺要求，剪切成目标异形透镜模型；
2)采用右手坐标系，如图3所示，找到剪切前圆形的镜坯模型的回转轴，确定坐标原点为：X坐标、Y坐标的零点位于镜坯模型的回转轴线上，Z坐标的零点与镜坯上用于与工装配合的安装面(平面)的距离d＝-75.55mm-H＝-75.55mm-64mm＝-139.55mm，H＝64mm为工装的高度；
如图4所示，所述工装2为筒形结构，外侧中部设有限位台阶2-1；筒形结构内部为通孔2-2，一端端面2-3形成用于支撑镜坯的支撑面；该支撑面与镜坯1的安装面相配合；
其中，工装的高度H＝64mm为从工装2的限位台阶2-1至支撑面2-3的距离；
3)设置刀具直径为φ90mm，慢速进给速率为F50mm/min，加工进给速率为F30mm/min，每刀进给量为0.5mm，CAM生成刀具轨迹；
4)后置处理；
生成NC程序代码：
G17G54
T00D1
S2000M03
G00X50.657Y-61.07
Z239.55
Z142.55
G01Z139.55F50.
G03X44.403Y-60.411CR＝30.
X34.142Y-62.22CR＝30.
G01X26.Y-65.183F30.
G02X7.19Y-68.5CR＝55.
G01X-7.19
G02X-26.001Y-65.183CR＝55.
G01X-41.964Y-59.373
G02X-78.811Y-6.75CR＝56.
X-72.672Y18.741CR＝56.
X-70.224Y26.527CR＝24.406
G02X-14.746Y74.9CR＝56.
G01X15.021
G02X64.606Y44.927CR＝56.
X78.646Y.721CR＝132.577
X79.131Y-6.634CR＝56.
X42.284Y-59.256CR＝56.
G01X34.142Y-62.22
G03X20.759Y-71.946CR＝30.
G01X51.24Y-60.771
G03X44.232Y-59.941CR＝30.F50.X33.971Y-61.75CR＝30.
G01X25.829Y-64.714F30.
......
G01X-7.19
G02X-22.581Y-55.786CR＝45.
G01X-38.544Y-49.976
G02X-68.811Y-6.75CR＝46.
X-63.768Y14.189CR＝46.
G03X-60.318Y25.165CR＝34.406
G02X-14.746Y64.9CR＝46.
G01X15.021
G02X55.751Y40.279CR＝46.
X68.733Y-.592CR＝122.577
X69.131Y-6.634CR＝46.
X38.864Y-49.859CR＝46.
G01X30.722Y-52.823
G03X16.958Y-63.046CR＝30.
G01Z142.55
G00Z239.55
M30
转换工具轴控制代码和冷却液控制代码后如下：
G17G54
T00D1
G00X50.657Y-61.07
Z239.55
Z142.55
M3＝3S3＝2000
M3＝8
G01Z139.55F50.
G03X44.403Y-60.411CR＝30.
X34.142Y-62.22CR＝30.
G01X26.Y-65.183F30.
G02X7.19Y-68.5CR＝55.
G01X-7.19
G02X-26.001Y-65.183CR＝55.
G01X-41.964Y-59.373
G02X-78.811Y-6.75CR＝56.
X-72.672Y18.741CR＝56.
X-70.224Y26.527CR＝24.406
G02X-14.746Y74.9CR＝56.
G01X15.021
G02X64.606Y44.927CR＝56.
X78.646Y.721CR＝132.577
X79.131Y-6.634CR＝56.
X42.284Y-59.256CR＝56.
G01X34.142Y-62.22
G03X20.759Y-71.946CR＝30.
G01X51.24Y-60.771
G03X44.232Y-59.941CR＝30.F50.
X33.971Y-61.75CR＝30.
G01X25.829Y-64.714F30.
......
G01X-7.19
G02X-22.581Y-55.786CR＝45.
G01X-38.544Y-49.976
G02X-68.811Y-6.75CR＝46.
X-63.768Y14.189CR＝46.
G03X-60.318Y25.165CR＝34.406
G02X-14.746Y64.9CR＝46.
G01X15.021
G02X55.751Y40.279CR＝46.
X68.733Y-.592CR＝122.577
X69.131Y-6.634CR＝46.
X38.864Y-49.859CR＝46.
G01X30.722Y-52.823
G03X16.958Y-63.046CR＝30.
G01Z142.55
M3＝9
G00Z239.55
M5＝3
传加工程序至光学加工中心；
5)用电风枪加热使蜡熔化后，在圆形镜坯的平面均匀涂蜡后，如图4所示，依据镜坯1上用于与工装配合的安装面与工装2的支撑面2-3配合，将镜坯1粘接在工装2上，按压镜坯保证蜡层均匀；打表镜坯外圆，控制圆跳动在0.01mm以内，冷却至室温，得带镜坯工装；
6)将带镜坯工装安装在光学加工中心的工件轴上，夹紧；安装φ90mm碟形砂轮，所述蝶形砂轮为金刚石砂轮，金刚石的粒度为D91，金刚石的含量为C35；
启动光学加工中心，如图4所示，蝶形砂轮3的工作面为柱面，按加工程序铣磨镜坯外形；
检验外形尺寸及角度(长度单位mm)：
尺寸：33.38、31.23、27.21、27.21；
圆弧半径：R-52.64、R+38.358，
倒圆角：R1；
角度：160°1＇25〃、160°1＇30〃；
粗糙度：Ra3.2；
外形尺寸及角度达到设计要求，检验合格；
将透镜从工装上拆下，清洗，即得。
在本发明的其他实施例中，还可以采用无限位台阶的筒形结构作为工装，工装的高度H为筒形结构的高度。

Claims (10)

1.一种基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：包括下列步骤：
1)建立回转对称的镜坯模型，并剪切成目标异形透镜模型；
2)采用右手坐标系，确定坐标原点为：X坐标、Y坐标的零点位于镜坯模型的回转轴线上，Z坐标的零点与镜坯上用于与工装配合的安装面的距离d＝△Z-H，△Z为加工设备Z轴的绝对零点与工件轴端面Z方向的差值，H为工装的高度；
3)CAM生成刀具轨迹；
4)后置处理，生成NC程序代码，转换工具轴和冷却液控制代码得加工程序；
5)依据镜坯上用于与工装配合的安装面，将镜坯安装在工装上，打表镜坯外圆，控制圆跳动在0.01mm以内，得带镜坯工装；
6)将带镜坯工装安装在铣磨装置中，按加工程序铣磨镜坯外形，至外形尺寸及角度达到设计要求，拆下，即得。
2.根据权利要求1所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：所述工装为筒形结构，外侧中部设有限位台阶；筒形结构内部为通孔，一端端面形成用于支撑镜坯的支撑面。
3.根据权利要求2所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：步骤2)中，工装的高度为从工装的限位台阶至支撑面的距离。
4.根据权利要求1所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：步骤3)中，CAM生成刀具轨迹之前，设置刀具直径、进给速率和每刀进给量的参数。
5.根据权利要求4所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：刀具直径为φ90mm，进给速率为F30mm/min～F50mm/min，每刀进给量为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：步骤4)中，工具轴和冷却液控制代码包括：工具轴旋转方向、工具轴转速、工具轴冷却液喷、工具轴冷却液闭、程序停止。
7.根据权利要求6所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：工具轴和冷却液控制代码包括：M3＝3，S3＝2000，M3＝8，M3＝9，M5＝3。
8.根据权利要求1所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：步骤5)中，将镜坯安装在工装上的方法为用蜡将镜坯粘接在工装上；后打表镜坯外圆，控制圆跳动在0.01mm以内，冷却至室温，得带镜坯工装。
9.根据权利要求1所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：步骤6)中，铣磨所用的工具为蝶形砂轮，蝶形砂轮的工作面为柱面。
10.根据权利要求9所述的基于CAM的异形透镜加工方法，其特征在于：所述蝶形砂轮为金刚石砂轮，金刚石的粒度为D91，金刚石的浓度为C35。
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