CN105643396A - 大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法 - Google Patents

Abstract

一种大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，通过设计带角度的夹具装置，将待加工离轴非球面透镜沿其子午方向倾斜一定角度摆放在机床转台中心，降低待加工离轴非球面透镜的矢高变化率，在铣磨待加工离轴非球面透镜毛坯成最接近拟合球面的基础上，继续按照设计的离轴非球面透镜参数铣磨、修磨成形。该方法减少后续研磨阶段加工量，提高加工的稳定性及精度，缩短铣磨加工周期，提高了加工效率。

Description

大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法

技术领域

本发明涉及大型高功率激光装置中光学加工技术领域，特别是一种大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法。

背景技术

大型口径离轴非球面透镜主要应用于大型高功率激光装置、大型天文望远镜、干涉仪等中，有很高的面形精度要求及表面粗糙度要求。离轴非球面作为全口径非球面的一部分，是一种偏轴非旋转对称光学元件，由于其曲面复杂且精度要求高，加工难度大。而大口径大矢高离轴非球的加工则更加困难。

目前离轴非球面透镜的加工主要包括四个阶段：毛坯制造，铣磨，研磨及抛光。在铣磨加工阶段，早期的做法是计算出待加工离轴非球面的最接近球面半径，然后在待加工离轴非球面毛胚上铣磨出最接近球面，后续则依靠下一阶段的研磨成形。由于待加工离轴非球面的最接近球面与待加工离轴非球面的理论设计面形偏差依然很大，PV值能达到几百个微米甚至毫米量级，这样会给后续研磨带来很大的工作量，效率低。本发明提出在铣磨成待加工离轴非球面最接近球面的基础上继续按照设计的离轴非球面透镜面形铣磨成形，减少下一阶段研磨阶段的加工量，提高效率。近年来有人提出将毛坯按照设计的离轴非球面直接铣磨成形，将待加工离轴非球面光学元件直接摆放在机床转台中心进行加工，这种方法对大口径大矢高的离轴非球面透镜铣磨加工来说稳定性差，易引入误差，很难实现高的面形精度，并且一次进刀量小，加工周期长。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，该方法可以实现稳定、高效、高精度的离轴非球面透镜铣磨加工。本发明通过设计带倾斜角度的夹具装置，实现待加工离轴非球面透镜沿其子午方向倾斜一定角度摆放在机床转台中心，降低待加工离轴非球面透镜的矢高变化率，提高加工的稳定性及精度，缩短加工周期。

本发明的技术解决方案如下：

一种大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，该方法包括以下步骤：

1)计算待加工离轴非球面透镜的最接近的拟合球面半径R'，按公式θ＝arcsin(D/R')求出待加工离轴非球面透镜摆放在机床转台中心所需倾斜的角度θ，式中D为待加工离轴非球面透镜的离轴量；

2)设计并加工离轴非球面透镜夹具：该夹具由上面板、下底板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板构成，所述的上面板和下底板之间的夹角为θ，通孔位于上面板中心位置并贯通下底板，是机床进行真空吸附的通道，沿所述的上面板的边缘开设有正方形凹槽，该正方形凹槽内放置橡皮圈，保证机床进行真空吸附时的密封，在所述的正方形凹槽内以所述的通孔为中心设有圆形凹槽，用于机床对待加工的大型口径离轴非球面透镜进行真空吸附，在所述的圆形凹槽内，设有与机床转台底座相对应的多个螺纹孔，用于将透镜夹具与下面的机床转台固定，带有夹角θ的右侧板垂直于下底板，所述的右侧板的中心位置伸出第一凸台，第一固定杆定位于所述的第一凸台上，所述的第一固定杆到所述的通孔的距离为透镜边长的一半，前侧板垂直于右侧板和下底板侧板伸出两个关于中心对称的第二凸台、第三凸台，第二凸台、第三凸台上分别固定有第二固定杆、第三固定杆，第二固定杆、第三固定杆到所述的通孔的距离也为透镜边长的一半，所述的第一固定杆、第二固定杆、第三固定杆用于待加工离轴非球面倚靠，保证透镜固定在夹具上时透镜的几何中心与机床转台的几何中心重合；

3)将所述的离轴非球面透镜的夹具置于机床转台底座上，利用螺栓旋入所述的螺纹孔将所述的离轴非球面透镜的夹具固定在所述的机床转台底座上，然后再将待加工离轴非球面透镜毛坯的厚的一端与夹具薄的一端对齐，并使待加工离轴非球面透镜毛坯紧紧倚靠在所述的第一固定杆、第二固定杆、第三固定杆上，驱动机床抽真空，使所述的待加工离轴非球面透镜毛坯真空吸附固定在所述的离轴非球面透镜的夹具上；

4)根据待加工离轴非球面透镜的最接近的拟合球面半径，在机床上设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用杯形金属键合砂轮按照加工轨迹粗磨待加工离轴非球面毛坯，将所述的待加工离轴非球面透镜毛坯磨出最接近拟合球面；

5)根据待加工离轴非球面透镜的轮廓尺寸、离轴量及非球面方程参数，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用碟形砂轮按照加工轨迹对所述的最接近拟合球面进行精磨，执行离轴非球面透镜加工，；

6)加工完成后，将离轴非球面透镜从所述的夹具上卸下，采用高精度三坐标测量仪测量所述的离轴非球面透镜表面的面形数据，然后用matlab软件根据非球面理论公式求出理论面形，计算两者差值再做数据拟合得到误差分布数据；若得到的误差分布数据满足离轴非球面透镜的加工精度，则进入步骤8)；若得到的误差分布数据不满足离轴非球面透镜加工精度，进行步骤7)操作；

7)将待修磨的离轴非球面透镜重新固定在所述的夹具上，将步骤6)求得的精磨加工后的离轴非球面透镜误差分布数据导入机床中，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床按照加工轨迹对所述的离轴非球面透镜进行修磨，再进行步骤6)的操作。

8)结束加工，获得大型口径离轴非球面透镜。

本发明专利的优点是：

本发明大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，通过设计带角度的夹具装置，在铣磨待加工离轴非球面透镜最接近拟合球面的基础上，继续按照设计的离轴非球面透镜参数铣磨成形，减少后续研磨阶段加工量，提高效率。通过设计带角度的夹具装置，实现待加工离轴非球面透镜沿其子午方向倾斜一定角度摆放在机床转台中心，降低待加工离轴非球面透镜的矢高变化率，提高加工的稳定性及精度，缩短铣磨加工周期。

附图说明

图1为本发明大型口径离轴非球面透镜铣磨加工方法的流程图；

图2为本发明实施例中设计的夹具示意图；

图2中：1-上面板，2-下底板，3-右侧板，4-方形凹槽，5-圆形凹槽，6-十字凹槽，7-螺纹孔，8-通孔，9-第一固定杆，10-第一凸台，11-前侧板，12-第二凸台，13-第三凸台，14-第二固定杆，15-第三固定杆

图3为本发明大型口径离轴非球面透镜铣磨加工方法中被加工光学元件摆放在机床转台上示意图；

图4为本发明实施例中被加工光学元件表面面形的误差分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。本实施例的具体步骤为：

一、计算待加工离轴非球面透镜的最接近拟合球面半径，并求出待加工离轴非球面透镜摆放在机床转台中心所需倾斜的角度θ

计算中使用的非球面方程表达式为：

$z\left(s\right)=\frac{{\mathrm{cs}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{s}^2}}+A_2{s}^4+A_3{s}^6+A_4{s}^8+...---\left(1\right)$

其中，s²＝x²+y²,c为曲率，c＝1/R(R为顶点曲率半径)，k为二次曲面常数，A₂～A₄为高次项系数。根据上述的非球面方程及参数，和离轴非球面透镜的轮廓尺寸(该例中离轴非球面透镜轮廓为正方形，L×L)、离轴量D等几何参数，使用计算机编程软件(matlab)求出最接近球面半径R'。然后根据

θ＝arcsin(D/R')(2)求出待加工离轴非球面透镜摆放在机床转台中心所需倾斜的角度θ。

二、设计并加工离轴非球面透镜的夹具：根据所述的倾斜角度θ和离轴非球面透镜的轮廓尺寸L×L，设计并加工离轴非球面透镜的夹具，保证透镜固定在夹具上时透镜的几何中心与机床转台的几何中心重合。待加工离轴非球面透镜夹具结构图如图2所示，该夹具由上面板1、下底板2、左侧板、右侧板3、前侧板11和后侧板构成，所述的上面板1和下底板2之间的夹角为θ，通孔8位于上面板1中心位置并贯通下底板2，是机床进行真空吸附的通道，沿所述的上面板1的边缘开设有正方形凹槽4，该正方形凹槽4内放置橡皮圈，保证机床进行真空吸附时的密封，在所述的正方形凹槽4内以所述的通孔8为中心设有圆形凹槽5，用于机床对待加工的大型口径离轴非球面透镜进行真空吸附，在所述的圆形凹槽5内，设有与机床转台底座相对应的多个螺纹孔7，用于将透镜夹具与下面的机床转台固定，带有夹角θ的右侧板3垂直于下底板2，所述的右侧板3的中心位置伸出第一凸台10，第一固定杆9定位于所述的第一凸台10上，所述的第一固定杆9到所述的通孔8的距离为透镜边长的一半，前侧板11垂直于右侧板3和下底板2侧板11伸出两个关于中心对称的第二凸台12、第三凸台13，第二凸台12、第三凸台13上分别固定有第二固定杆14、第三固定杆15，第二固定杆14、第三固定杆15到所述的通孔8的距离也为透镜边长的一半，所述的第一固定杆9、第二固定杆14、第三固定杆15用于待加工离轴非球面倚靠，保证透镜固定在夹具上时透镜的几何中心与机床转台的几何中心重合；

三、待加工离轴非球面透镜的定位与卡紧。透镜的轮廓尺寸为430×430mm，属于中型口径离轴非球面透镜。结合图2和图3，首先将透镜夹具放置在机床转台中心，用螺栓经螺孔7将透镜夹具与机床转台拧紧固定，然后再将被加工离轴非球面透镜厚的一端与夹具薄的一端对齐，并使待加工离轴非球面透镜紧紧倚靠在夹具的固定杆9、14、15上，驱动机床开启真空吸附，完成被加工离轴非球面透镜的定位与卡紧。

四、驱动机床，根据步骤一所计算的待加工离轴非球面透镜的最接近拟合球面半径，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用杯形金属键合砂轮按照加工轨迹粗磨待加工离轴非球面毛坯，磨出待加工离轴非球面透镜的最接近拟合球面，透镜材料为石英，在加工中使用冷却液喷射冷却。

五、根据待加工离轴非球面透镜的轮廓尺寸、离轴量及非球面方程参数，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用碟形砂轮按照加工轨迹对步骤四磨出的离轴非球面的最接近拟合球面进行精磨加工。因为通过设计带倾斜角度的夹具装置，实现离轴非球面透镜直接摆放在机床转台中心这一加工位姿的倾斜，从而降低了透镜的矢高变化率，在磨削过程中刀具的点磨削变动量减少，保证了机床稳定、高速的加工。

六、对待加工后的离轴非球面透镜采用爱德华公司生产的高精度三坐标测量仪测量表面面形数据，然后用matlab软件根据理论公式求出理论面形，计算两者差值再做数据拟合得到误差分布数据。若得到的误差分布数据满足离轴非球面透镜加工精度，则结束加工，获得大型口径离轴非球面透镜；若得到的误差分布数据不满足离轴非球面加工精度，将离轴非球面透镜误差分布数据导入机床中，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床按照加工轨迹对测量后的离轴非球面透镜进行迭代修正，获得大型口径离轴非球面透镜。离轴非球面透镜误差分布图如图4所示，面形精度为pv＝33.417μm，rms＝4.987μm。

对于本实施方式所述的被加工的离轴非球面透镜，若按照传统工艺只铣磨成待加工离轴非球面透镜最接近球面，获得的面形误差pv值约为100多个微米，会给后续研磨阶段带来极大的工作量，因此本实施方式所述的铣磨加工方法减少后续研磨阶段加工量，提高效率。待加工离轴非球面透镜直接摆放在机床转台中心的加工位姿，这种方法对大口径大矢高的离轴非球面透镜铣磨加工来说稳定性差，易引入误差，很难实现高的面形精度，并且一次进刀量小，加工周期长。

本发明所述的大型口径离轴离轴非球面透镜铣磨加工方法，通过设计带倾斜角度的夹具装置，实现离轴非球面透镜直接摆放在机床转台中心位姿的倾斜，降低矢高变化率，提高加工的稳定性及精度，缩短铣磨加工周期。

Claims (2)

1.一种大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)计算待加工离轴非球面透镜的最接近的拟合球面半径R'，按公式θ＝arcsin(D/R')求出待加工离轴非球面透镜摆放在机床转台中心所需倾斜的角度θ，式中D为待加工离轴非球面透镜的离轴量；

2)设计并加工离轴非球面透镜夹具：该夹具由上面板(1)、下底板(2)、左侧板、右侧板(3)、前侧板(11)和后侧板构成，所述的上面板(1)和下底板(2)之间的夹角为θ，通孔(8)位于上面板(1)中心位置并贯通下底板(2)，是机床进行真空吸附的通道，沿所述的上面板(1)的边缘开设有正方形凹槽(4)，该正方形凹槽(4)内放置橡皮圈，保证机床进行真空吸附时的密封，在所述的正方形凹槽(4)内以所述的通孔(8)为中心设有圆形凹槽(5)，用于机床对待加工的大型口径离轴非球面透镜进行真空吸附，在所述的圆形凹槽(5)内，设有与机床转台底座相对应的多个螺纹孔(7)，用于将透镜夹具与下面的机床转台固定，带有夹角θ的右侧板(3)垂直于下底板(2)，所述的右侧板(3)的中心位置伸出第一凸台(10)，第一固定杆(9)定位于所述的第一凸台(10)上，所述的第一固定杆(9)到所述的通孔(8)的距离为透镜边长的一半，前侧板(11)垂直于右侧板(3)和下底板(2)侧板(11)伸出两个关于中心对称的第二凸台(12)、第三凸台(13)，第二凸台(12)、第三凸台(13)上分别固定有第二固定杆(14)、第三固定杆(15)，第二固定杆(14)、第三固定杆(15)到所述的通孔(8)的距离也为透镜边长的一半，所述的第一固定杆(9)、第二固定杆(14)、第三固定杆(15)用于待加工离轴非球面倚靠，保证透镜固定在夹具上时透镜的几何中心与机床转台的几何中心重合；

3)将所述的离轴非球面透镜的夹具置于机床转台底座上，利用螺栓旋入所述的螺纹孔(7)将所述的离轴非球面透镜的夹具固定在所述的机床转台底座上，然后再将待加工离轴非球面透镜毛坯的厚的一端与夹具薄的一端对齐，并使待加工离轴非球面透镜毛坯紧紧倚靠在所述的第一固定杆(9)、第二固定杆(14)、第三固定杆(15)上，驱动机床抽真空，使所述的待加工离轴非球面透镜毛坯真空吸附固定在所述的离轴非球面透镜的夹具上；

4)根据待加工离轴非球面透镜的最接近的拟合球面半径，在机床上设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用杯形金属键合砂轮按照加工轨迹粗磨待加工离轴非球面毛坯，将所述的待加工离轴非球面透镜毛坯磨出最接近拟合球面；

5)根据待加工离轴非球面透镜的轮廓尺寸、离轴量及非球面方程参数，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床采用碟形砂轮按照加工轨迹对所述的最接近拟合球面进行精磨，执行离轴非球面透镜加工，；

6)加工完成后，将离轴非球面透镜从所述的夹具上卸下，采用高精度三坐标测量仪测量所述的离轴非球面透镜表面的面形数据，然后用matlab软件根据非球面理论公式求出理论面形，计算两者差值再做数据拟合得到误差分布数据；若得到的误差分布数据满足离轴非球面透镜的加工精度，则进入步骤8)；若得到的误差分布数据不满足离轴非球面透镜加工精度，进行步骤7)操作；

7)将待修磨的离轴非球面透镜重新固定在所述的夹具上，将步骤6)求得的精磨加工后的离轴非球面透镜误差分布数据导入机床中，设置加工参数及加工轨迹，生成加工代码，驱动机床按照加工轨迹对所述的离轴非球面透镜进行修磨，再进行步骤6)的操作。

8)结束加工，获得大型口径离轴非球面透镜。

2.根据权利要求1所述的大型口径离轴非球面透镜的铣磨加工方法，其特征在于，所述的夹具的圆形凹槽(5)内设有十字正交凹槽(6)，该十字正交凹槽(6)与所述的圆形凹槽(5)相通。