CN106392821A - 一种自由曲面棱镜加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种自由曲面棱镜加工方法。本发明结合了超精密磨削和超精密抛光两种方式实现自由曲面棱镜的加工，并通过高精度自由曲面棱镜专用夹具实现自由曲面棱镜的位置定位和依次加工，形成自由曲面棱镜的有效加工方法。

Description

一种自由曲面棱镜加工方法
技术领域：本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种自由曲面棱镜加工方法。
背景技术：在轻型头盔显示光学系统设计中，可用一块偏心自由曲面棱镜取代传统的多透镜组合系统，其不仅可大大缩减头盔显示器系统镜片数量，达到小型轻量化目的，更能借助自由曲面卓越的光学性能进一步增大视场，减轻对装配精度的要求，自由曲面棱镜具有成像质量高、可靠性好、质量轻等优点，同样体积可获得更大的视场和更清晰的成像。自由曲面棱镜制造已成为头盔显示器小型化及实用化的关键技术，因此，自由曲面棱镜的超精密加工技术研究对于加强我国国防和提高军事作战能力具有重大意义。
目前，我国还没有针对光学石英玻璃进行自由曲面棱镜加工的先例，现有的自由曲面棱镜加工方法主要是针对塑料等材料的超精密切削加工，虽然该方法加工自由曲面成形效率高、成本低，但相对于光学玻璃材料的自由曲面，其具有很多的缺点，包括成像质量不如光学玻璃成像稳定，光学玻璃材料的自由曲面棱镜可以承受较高的温度变化，对周围环境要求较低，是理想的自由曲面棱镜材料。自由曲面棱镜结构复杂，对三个自由曲面的位置关系和面形精度均提出了较高要求，已有的传统加工方法虽可以进行光学自由曲面的加工，但具有效率低、面形复杂程度不高的缺点，针对光学玻璃材质的高精度自由曲面棱镜的加工，至今仍无有关成功制造的报道，因此，有必要对自由曲面棱镜的国防重大需求和其加工难点，提出一种新型实用的自由曲面棱镜加工方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种自由曲面棱镜超精密加工方法，可实现光学K9玻璃材料高加工质量和高效率的自由曲面棱镜加工方法。。
本发明的技术方案是：
一种自由曲面棱镜加工方法，包括下列步骤：
1、依据给定的自由曲面棱镜模型设计相应的磨削和抛光软件，包括磨削和抛光路径规划、加工仿真、NC程序生成等功能；
2、设计一套自由曲面棱镜专用夹具，用以进行自由曲面棱镜的装夹，该夹具可以实现自由曲面棱镜三个面之间的位置转换，保证磨削和抛光过程中的基准一致性，并根据自由曲面棱镜模型计算出每个自由曲面的待磨削加工余量，在实际加工完成之前，自由曲面棱镜都不能从夹具上拆卸下来；
3、将装夹好的自由曲面棱镜夹具固定在磨削设备的主轴上，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与磨削设备Y轴方向一致，按照磨削软件生成的NC程序进行自由曲面的磨削加工，直到该自由曲面加工达到加工余量；
4、将自由曲面棱镜及夹具从机床上拆下来，通过编码器将自由曲面棱镜在夹具上旋转一定角度达到另一个面位置，并锁紧自由曲面棱镜在夹具上的位置；
5、将旋转后的自由曲面棱镜固定在磨削设备主轴上，重复步骤3和4，直至自由曲面棱镜三个面都磨削达到加工余量；
6、将磨削后的自由曲面棱镜及夹具固定在抛光设备主轴上，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与抛光设备Y轴方向一致，按照抛光软件生成的NC程序进行自由曲面的抛光加工，直到抛光该面至光亮、面形精度达到要求；
7、重复步骤4和6，直到自由曲面棱镜三个面均抛光至光亮、面形精度达到设计要求。
该自由曲面棱镜材料为光学K9玻璃。
磨削设备为四轴铣磨设备，抛光设备为七轴五联动进动气囊抛光设备。
所设计的加工路径均为以中心向外散开的螺旋线轨迹，并通过专用的算法进行磨削及抛光NC程序的生成。
采用的抛光方式为进动气囊抛光，在抛光过程中使用的抛光液为氧化铈水溶液。
设计了一种自由曲面棱镜专用夹具，用以保证磨削和抛光过程中的基准一致性，并实现自由曲面各个面之间的位置转换功能，在整个加工完成过程之前，自由曲面棱镜都不能从夹具上拆卸下来。
本发明的有益效果：本发明结合了超精密磨削和超精密抛光两种方式实现自由曲面棱镜的加工，并通过高精度自由曲面棱镜专用夹具实现自由曲面棱镜的位置定位和依次加工，形成自由曲面棱镜的有效加工方法
附图说明：
图1为进动气囊抛光设备示意图；
图2为磨削设备示意图；
图3为自由曲面棱镜专用夹具局部放大图；
图4为自由曲面棱镜专用夹具示意图；
图5为自由曲面棱镜示意图；
图6为进动气囊抛光过程示意图；
具体实施方式：
下面根据附图对本发明的加工方法进一步说明：
1、依据给定的自由曲面棱镜(如图5所示)，设计相应的磨削和抛光软件，包括磨削和抛光路径规划、加工仿真、NC程序生成等功能；
2、设计一套如图3、图4所示自由曲面棱镜专用夹具，用以进行自由曲面棱镜的装夹，该夹具可以实现自由曲面棱镜三个面：A面B面C面之间的位置转换，保证磨削和抛光过程中的基准一致性，并根据自由曲面棱镜模型计算出每个自由曲面的待磨削加工余量，在实际加工完成之前，自由曲面棱镜都不能从夹具上拆卸下来；
3、将装夹好的自由曲面棱镜夹具固定在磨削设备的C轴上，如图2所示，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与磨削设备Y轴方向一致，按照磨削软件生成的NC程序进行自由曲面的磨削加工，直到该自由曲面加工达到加工余量；
4、将自由曲面棱镜及夹具从机床上拆下来，通过编码器将自由曲面棱镜在夹具上旋转一定角度达到另一个面位置，并锁紧自由曲面棱镜在夹具上的位置；
5、将旋转后的自由曲面棱镜固定在磨削设备C轴上，重复步骤3和4，直至自由曲面棱镜三个面都磨削达到加工余量；
6、将磨削后的自由曲面棱镜及夹具固定在抛光设备主轴上，如图1所示，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与抛光设备Y轴方向一致，按照抛光软件生成的NC程序进行自由曲面的抛光加工，直到抛光该面至光亮、面形精度达到要求；
7、重复步骤4和6，直到自由曲面棱镜三个面均抛光至光亮、面形精度达到设计要求。
所述自由曲面棱镜专用夹具的结构为：主体3与夹具座5通过螺钉6联结，夹具座5通过液压的方式固定在机床主轴上，楔块Ⅰ16和楔块Ⅱ18通过螺钉4固定在夹具主体3上，移动夹板13放置在楔块Ⅰ16和楔块Ⅱ18之间，通过调整螺钉14可以调整移动夹板13在导向杆8上来回移动，通过锁紧螺钉15和调整片17可以固定移动夹板13在夹具主体3上的位置，球头杆11通过固定螺钉12与移动夹板13联结，粘接块Ⅰ2通过螺钉9固定在夹具主体3上，与自由曲面棱镜的一端粘接，粘接块Ⅱ10与球头杆11通过两个球面进行自定心联结，并与自由曲面棱镜的另一端粘接，编码器转接板1通过螺钉7与夹具主体3联结，编码器与编码器转接板1和粘接块Ⅰ2联结固定。
根据被加工自由曲面棱镜的要求，先将自由曲面棱镜一侧与粘接块Ⅰ2通过光学专用环氧胶粘接，固定在夹具主体3上，然后将火漆烧热，将粘接块Ⅱ10粘在棱镜另一侧，快速推动移动夹板13使球头杆11与粘接块Ⅱ10自定心联结，拧紧调整螺钉14和锁紧螺钉15，待火漆冷却下来之后，检查棱镜与夹具粘接是否完好，确定棱镜在一定压力下不可自由旋转后，将夹具固定在机床主轴上即可进行棱镜的加工，当加工完棱镜的一个面后，将编码器转接板1通过螺钉7与夹具主体3联结，将编码器和编码器转接板1安装在夹具上，编码器与粘接块Ⅰ2另一侧联结，采集编码器此时信号，然后将螺钉9、锁紧螺钉15、调整螺钉14、移动夹板13依次松开，此时棱镜可以进行自由旋转，采集编码器信号将棱镜旋转一定角度至另外一个待加工面，旋转过程中注意防止用力过大使棱镜粘接处脱落，当棱镜位置调整好后，将螺钉9、锁紧螺钉15、调整螺钉14、移动夹板13固定，然后卸掉编码器及编码器转接板，开始棱镜下一个面的加工，当加工到位置后，重复这一步骤完成棱镜第三个面的加工。

Claims (6)

1.一种自由曲面棱镜加工方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)依据给定的自由曲面棱镜模型设计相应的磨削和抛光软件，包括磨削和抛光路径规划、加工仿真、NC程序生成等功能；
(2)设计一套自由曲面棱镜专用夹具，用以进行自由曲面棱镜的装夹，该夹具可以实现自由曲面棱镜三个面之间的位置转换，保证磨削和抛光过程中的基准一致性，并根据自由曲面棱镜模型计算出每个自由曲面的待磨削加工余量，在实际加工完成之前，自由曲面棱镜都不能从夹具上拆卸下来；
(3)将装夹好的自由曲面棱镜夹具固定在磨削设备的主轴上，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与磨削设备Y轴方向一致，按照磨削软件生成的NC程序进行自由曲面的磨削加工，直到该自由曲面加工达到加工余量；
(4)将自由曲面棱镜及夹具从机床上拆下来，通过编码器将自由曲面棱镜在夹具上旋转一定角度达到另一个面位置，并锁紧自由曲面棱镜在夹具上的位置；
(5)将旋转后的自由曲面棱镜固定在磨削设备主轴上，重复步骤(3)和(4)，直至自由曲面棱镜三个面都磨削达到加工余量；
(6)将磨削后的自由曲面棱镜及夹具固定在抛光设备主轴上，调整夹具位置，使待加工自由曲面Y轴方向与抛光设备Y轴方向一致，按照抛光软件生成的NC程序进行自由曲面的抛光加工，直到抛光该面至光亮、面形精度达到要求；
(7)重复步骤(4)和(6)，直到自由曲面棱镜三个面均抛光至光亮、面形精度达到设计要求。
2.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，该自由曲面棱镜材料为光学K9玻璃。
3.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，磨削设备为四轴铣磨设备，抛光设备为七轴五联动进动气囊抛光设备。
4.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，所设计的加工路径均为以中心向外散开的螺旋线轨迹，并通过专用的算法进行磨削及抛光NC程序的生成。
5.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，采用的抛光方式为进动气囊抛光，在抛光过程中使用的抛光液为氧化铈水溶液。
6.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，设计了一种自由曲面棱镜专用夹具，用以保证磨削和抛光过程中的基准一致性，并实现自由曲面各个面之间的位置转换功能，在整个加工完成过程之前，自由曲面棱镜都不能从夹具上拆卸下来。
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