CN108237436B - 一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法 - Google Patents

一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法 Download PDF

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    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work

Abstract

本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法。该制造方法对各个工作面的加工实施了严格的坐标控制，保证了其定位精度，实现了控形控位一体化制造的功能，极大的提高了全自由曲面离轴三反系统的成型效率及精度。本发明主要包括以下步骤：1)加工自由曲面镜子；2)支撑结构的加工，支撑结构的加工以机床坐标系为基准，分别对各工作面进行超精加工；3)将自由曲面镜子分别安装到相对应的支撑工作面上，利用光学胶固定，即可完成全自由曲面离轴三反系统的制造。

Description

一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法
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，涉及一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法。
背景技术
自由曲面是指任意非传统曲面，其不具有任意对称性，且具有非常丰富灵活的参数化表现形式。与传统的回转对称曲面相比，自由曲面可以提供更多的设计自由度，在光学性能、体积和重量限制等方面具有诸多的优越性。随着科技的发展，各领域对自由曲面的需求越来越广，对自由曲面元件和系统精度的要求是越来越高。
全自由曲面离轴三反系统采用三片自由曲面反射镜，大大提升了离轴三反系统的像差矫正能力，在实现系统无遮拦和高成像性能的同时，三片镜子在空间中还可以灵活的布局，可产生超紧凑型多面体光学架构，从而满足空间光学领域对载荷小型化和轻量化的需求，具有重要的应用前景。
由于自由曲面不具备对称性，导致全自由曲面离轴三反系统的装调自由度多，传统装调方法难以实施。全自由曲面离轴三反系统的装调方法也是目前国际上的研究热点，如计算机辅助装调技术等，然而目前的装调方法都还不成熟，特别是在装调效率上有待进一步提升。此外，目前自由曲面光学元件的加工方法不断涌现，但全自由曲面离轴三反系统的制造方法却鲜有报道。因此，急需一种系统级的全自由曲面离轴三反系统高效制造解决方案，提高整个系统的成型效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，该制造方法对各个工作面的加工实施了严格的坐标控制，保证了其定位精度，实现了控形控位一体化制造的功能，极大的提高了全自由曲面离轴三反系统的成型效率及精度。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，全自由曲面离轴三反系统包括支撑结构和自由曲面镜子，自由曲面镜子安装在支撑结构上，自由曲面镜子包括主镜、次镜和三镜；其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)加工自由曲面镜子；
2)支撑结构的加工，支撑结构的加工以机床坐标系为基准，分别对各工作面进行超精加工，具体包含以下步骤：
2.1)选定主镜支撑面为第一个加工面，首先利用机床主轴将主镜支撑面旋转到与X轴垂直的位置，根据设计要求，确定主镜支撑面到机床坐标中心的距离，该机床坐标中心的X＝0，利用机床坐标控制，将主镜支撑面在X轴方向加工到指定的坐标位置；
2.2)在X方向加工的同时，根据设计要求，确定主镜支撑面在Y轴方向需要加工到的坐标，利用机床坐标控制，将主镜支撑面在Y轴方向加工到指定的坐标位置，此时，会在主镜支撑面Y轴方向的上端留下一个平台，即Y轴所留平台；
2.3)在主镜支撑面沿着Z轴方向的末端安装第一辅助长方块，并对第一辅助长方块进行超精加工，加工结束时记录Z轴方向的坐标；
2.4)主镜支撑面加工完成后，以主镜支撑面为起始位置将支撑结构次镜工作面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成次镜支撑面的加工；在次镜支撑面沿着Z轴方向的末端安装上第二辅助长方块，根据主镜、次镜直径的差值，结合步骤2.3)所述坐标，计算得到次镜支撑面上第二辅助长方块所需加工到的坐标位置，利用机床坐标控制，将第二辅助长方块在Z轴方向加工到指定的坐标位置；
2.5)次镜支撑面加工完成后，以次镜支撑面为起始位置将支撑结构三镜工作面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成三镜支撑面的加工；利用步骤2.3)和2.4)完成第三辅助长方块的加工；
3)将自由曲面镜子分别安装到相对应的支撑工作面上，利用光学胶固定，即可完成全自由曲面离轴三反系统的制造。
进一步地，上述步骤1中对于自由曲面镜子的加工的具体步骤为：对主镜、次镜和三镜任意一个镜子，需要对镜子底座平台、调平基准平台和自由曲面镜面进行超精加工，先加工镜子底座平台和调平基准平台，记录加工结束时镜子底座平台在Z轴方向的坐标，结合设计时镜子底座平台到镜面中心的距离，计算得到镜面中心最终在Z轴方向所需车削到的坐标，利用机床坐标控制，以镜面中心为基准，将镜面车削到指定的坐标位置，同时，利用超精加工设备保证镜子的面形精度。
进一步地，上述支撑结构加工好后不下机床，直接安装三块自由曲面镜子；自由曲面镜子在安装时，三块自由曲面镜子安装方式相同，具体步骤为：
首先，利用机床C轴将支撑面旋转到与X轴垂直应且要使Y轴所留平台处于Y轴负方向的位置；再将对应的自由曲面镜子放进支撑面的孔里，其底座平台与辅助长方块和Y轴所留平台接触，此时，利用机床上配置的调圆仪调节调平基准平台，使其与XZ平面平行；最后利用光学胶将自由曲面镜子固定，逐个安装好三块自由曲面镜子，全自由曲面离轴三反系统的制造完成。
进一步地，上述机床是指单点金刚石机床。
本发明的优点：
本发明以单点金刚石机床的精度为基础，对各个工作面的加工实施了严格的坐标控制，保证了其定位精度，实现了控形控位一体化制造的功能，极大的提高了全自由曲面离轴三反系统的成型效率及精度，是将传统加工、装调合二为一的一种新型的制造技术。
附图说明
图1为全自由曲面离轴三反系统的截面图；
图2为全自由曲面离轴三反系统的正视图；
图3为需要加工的一个自由曲面镜子的示意图；
图4为支撑结构毛坯主视图；
图5为支撑结构毛坯右视图；
图6为支撑结构毛坯俯视图；
图7为最终加工成型的支撑结构主视图；
图8为本发明制造用的机床及坐标视图；
图9为本发明加工支撑结构时的切削方向视图；
图10为机床X方向坐标控制示意图；
图11为图10的右视图；
图12为机床Y方向坐标控制示意图；
图13为图12的右视图；
图14为机床z方向坐标控制示意图；
其中，1、支撑结构；2、机床主轴；3、刀具；4、调平基准平台；5、镜子底座平台；6、自由曲面镜面；601、主镜；602、次镜；603、三镜；7、主镜支撑面；8、Y轴所留平台；9、辅助长方块；10、刀座；11、进光孔；12、装探测器的孔；13、安装面；14、支撑面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-2，全自由曲面离轴三反系统包括支撑结构1和自由曲面镜子，自由曲面镜子安装在支撑结构1上，自由曲面镜子为三个镜子，包括主镜601、次镜602和三镜603；在各个支撑面14安装1个辅助长方块9，作为镜子安装的定位基准；支撑结构1上还有进光孔11和安装探测器的孔12。
参见图3-6，支撑结构毛坯为一个不规则的六面筒体，五个面上布有孔，分为三个安装自由曲面镜子的安装孔、进光孔11和装探测器的孔12。
参见图7，最终加工成型的支撑结构1是需要在各支撑面14上刨削出一个安装面13，安装面13用于安装自由曲面镜子。
本发明的自由曲面镜子和支撑结构1用一个单点金刚石机床加工完成。首先用单点金刚石机床加工自由曲面镜子，自由曲面镜子全部加工完成后，然后再用单点金刚石机床加工支撑结构1，加工好支撑结构1后，支撑结构1不下机床，直接把加工好的自由曲面镜子安装在支撑结构1上。
参见图8-图14，一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，采用慢刀伺服和刨削相结合的方式进行加工，即具有直线运动的X、Y、Z轴和控制旋转角度的C轴的单点金刚石机床系统。具体包括以下步骤：
1)自由曲面镜子的加工，三个镜子的加工方法相同，以主镜601的加工为例进行说明，将主镜601的毛坯固定在机床主轴2上，刀具3安装在刀座10上，对调平基准平台4、镜子底座平台5和自由曲面镜面6进行超精加工，先加工调平基准平台4和镜子底座平台5，纪录加工结束时镜子底座平台5在Z轴方向的坐标Zp1，结合设计时镜子底座平台5到镜面中心的距离d1，计算得到镜面中心最终在Z轴方向所需车削到的坐标Zf1＝Zp1+d1，利用机床坐标控制，以镜面中心为基准，将镜面车削到指定的坐标位置，同时，利用超精加工设备保证镜子的面形精度。
2)将支撑结构1安装在机床主轴2上，刀具3安装在刀座10上，利用C轴将加工面旋转到与X轴垂直的位置，最后利用X、Y、Z直线运动的功能刨削安装面13，按照先后顺序加工三个镜子对应的支撑面14。支撑结构1的加工以机床坐标系(图8所示)为基准，分别对各工作面进行超精加工，具体包含以下步骤：
2.1)选定主镜支撑面7为第一个加工面，利用机床主轴2将主镜支撑面7旋转到与X轴垂直的位置，如图10所示，根据设计要求，确定主镜支撑面7到机床坐标中心(X＝0)的距离X1，机床中心的坐标为X＝0，利用机床坐标控制，将主镜支撑面(7)在X轴方向加工到指定的坐标位置；
2.2)在X方向加工的同时，根据设计要求确定主镜支撑面7在Y轴方向需要加工到的坐标Y1，利用机床坐标控制，将主镜支撑面7在Y轴方向加工到指定的坐标位置，此时，会在主镜支撑面(7)Y轴方向的上端留下一个Y轴所留平台8，如图12、13所示；
2.3)如图9、图14所示，因为自由曲面镜子在安装时，安装面13的周围有三个面，安装自由曲面镜子的安装孔的直径大于自由曲面镜子的直径，安装面13在Z轴方向的长度总会和自由曲面镜子底座的直径有误差，因此，本发明巧妙地在各个支撑面14沿着Z轴方向的末端各安装一个辅助长方块9，并将辅助长方块9作为镜子安装时在Z轴方向的定位基准。通过加工辅助长方块9，有效补偿了镜子安装时在Z轴方向的误差，使3块镜子的中心均处于Z＝0平面上。主镜、次镜、三镜分别对应的辅助长方块分别为第一辅助长方块、第二辅助长方块和第三辅助长方块。辅助长方块9在Z轴末端的具体位置根据各镜子底座的尺寸而定，其在Z轴方向的坐标较镜子平台尺寸的一半小0.05-0.1mm，便于后续的加工，在主镜支撑面7上安装好第一辅助长方块并对第一辅助长方块进行超精加工，加工结束时记录Z轴方向的坐标记为Zc1；
2.4)主镜支撑面7加工完成后，以主镜支撑面(7)为起始位置将支撑结构1的次镜支撑面面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成主镜支撑面(7)的加工。在次镜支撑面沿着Z轴方向的末端安装上第二辅助长方块，根据主次镜602直径的差值D1，结合步骤2.3)所述Zc1，计算得到次镜602的支撑面14上第二辅助长方块所需加工到的坐标位置Zc2＝Zc1+D1/2，利用机床坐标控制，将第二辅助长方块在Z轴方向加工到指定的坐标位置；
2.5)次镜602的支撑面加工完成后，以次镜支撑面为起始位置将支撑结构1上对应的三镜603支撑面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成三镜支撑面的加工；利用步骤2.3)和2.4)完成第三辅助长方块的加工。
3)支撑结构1加工好后不下机床，直接安装三块自由曲面镜子；利用辅助长方块、Y轴所留平台8、各支撑面14和镜子调平基准平台4将自由曲面镜子安装到各支撑工作面上，利用光学胶固定，自由曲面镜子在安装时，三块自由曲面镜子安装方式相同，具体步骤为：
首先，利用机床主轴2将支撑面14旋转到与X轴垂直应且要使Y方向所留平台处于Y轴负方向的位置；再将对应的自由曲面镜子放进支撑面14的孔里，其镜子底座平台5与辅助长方块和Y方向所留平台接触，此时，利用机床上配置的调圆仪调节调平基准平台4，使其与XZ平面平行；最后利用光学胶将自由曲面镜子固定，逐个安装好三块自由曲面镜子，全自由曲面离轴三反系统的制造完成。

Claims (4)

1.一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，全自由曲面离轴三反系统包括支撑结构(1)和自由曲面镜子，自由曲面镜子安装在支撑结构(1)上，自由曲面镜子包括主镜(601)、次镜(602)和三镜(603)；其特征在于，包括以下步骤：
1)加工自由曲面镜子；
2)支撑结构(1)的加工，支撑结构(1)的加工以机床坐标系为基准，分别对各工作面进行超精加工，具体包含以下步骤：
2.1)选定主镜支撑面(7)为第一个加工面，首先利用机床主轴(2)将主镜支撑面(7)旋转到与X轴垂直的位置，根据设计要求，确定主镜支撑面(7)到机床坐标中心的距离，该机床坐标中心的X＝0，利用机床坐标控制，将主镜支撑面(7)在X轴方向加工到指定的坐标位置；
2.2)在X方向加工的同时，根据设计要求，确定主镜支撑面(7)在Y轴方向需要加工到的坐标，利用机床坐标控制，将主镜支撑面(7)在Y轴方向加工到指定的坐标位置，此时，会在主镜支撑面(7)Y轴方向的上端留下一个平台，即Y轴所留平台(8)；
2.3)在主镜支撑面(7)沿着Z轴方向的末端安装第一辅助长方块并对第一辅助长方块进行超精加工，加工结束时记录Z轴方向的坐标；
2.4)主镜支撑面(7)加工完成后，以主镜支撑面(7)为起始位置将支撑结构(1)次镜支撑面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成次镜支撑面的加工；在次镜支撑面沿着Z轴方向的末端安装第二辅助长方块，根据主镜(601)、次镜(602)直径的差值，结合步骤2.3)所述坐标，计算得到次镜支撑面上第二辅助长方块所需加工到的坐标位置，利用机床坐标控制，将第二辅助长方块在Z轴方向加工到指定的坐标位置；
2.5)次镜支撑面加工完成后，以次镜支撑面为起始位置将支撑结构(1)三镜支撑面旋转到与X轴垂直的位置，利用步骤2.1)和2.2)完成三镜支撑面的加工；利用步骤2.3)和2.4)完成第三辅助长方块的加工；
3)将自由曲面镜子分别安装到相对应的支撑工作面上，利用光学胶固定，即可完成全自由曲面离轴三反系统的制造。
2.根据权利要求1所述的一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，其特征在于：步骤1中对于自由曲面镜子的加工的具体步骤为：对主镜(601)、次镜(602)和三镜(603)任意一个镜子，需要对镜子底座平台(5)、调平基准平台(4)和自由曲面镜面(6)进行超精加工，先加工镜子底座平台(5)和调平基准平台(4)，记录加工结束时镜子底座平台(5)在Z轴方向的坐标，结合设计时镜子底座平台(5)到镜面中心的距离，计算得到镜面中心最终在Z轴方向所需车削到的坐标，利用机床坐标控制，以镜面中心为基准，将镜面车削到指定的坐标位置，同时，利用超精加工设备保证镜子的面形精度。
3.根据权利要求1或2所述的一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，其特征在于：支撑结构(1)加工好后不下机床，直接安装三块自由曲面镜子；自由曲面镜子在安装时，三块自由曲面镜子安装方式相同，具体步骤为：
首先，利用机床主轴(2)将支撑面旋转到与X轴垂直应且要使Y轴所留平台(8)处于Y轴负方向的位置；再将对应的自由曲面镜子放进支撑面的孔里，其底座平台与辅助长方块和Y轴所留平台(8)接触，此时，利用机床上配置的调圆仪调节调平基准平台(4)，使其与XZ平面平行；最后利用光学胶将自由曲面镜子固定，逐个安装好三块自由曲面镜子，全自由曲面离轴三反系统的制造完成。
4.根据权利要求3所述的一种全自由曲面离轴三反系统的制造方法，其特征在于：所述机床是指单点金刚石机床。
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