CN108747609B

CN108747609B - 一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法

Info

Publication number: CN108747609B
Application number: CN201810676968.4A
Authority: CN
Inventors: 闫广鹏; 房丰洲
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: CN108747609A

Abstract

本发明涉及一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，利用X，Y，Z，C四轴联动的机床加工，工件安装在机床主轴C轴上作可控的回转运动，刀具在机床的控制下随着C轴的转动在X,Y两个直线轴方向做相位差π/2的简谐运动，同时在X向或Y向叠加一个进给的运动，Z轴根据子单元的面形作相应的运动。本加工方法突破了现有阵列加工方法在硬脆性材料上只能加工球面阵列的局限，可实现在硬脆性材料上精密加工出非球面阵列结构。

Description

一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法

技术领域

本发明属于精密制造技术领域，具体涉及一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法。

背景技术

随着现代科学技术的快速发展，光学元件的应用越来越广泛，光学和光电子领域对于光学元件的性能要求越来越高。其中，透镜阵列以其小型化、集成度高、轻量化和优良的光学性能等优势，在许多新型的光学系统如波前传感、三维成像、激光整形、光存储和光通讯等领域中有着广泛的应用。这种阵列光学结构的加工是现代光学器件制造的主要发展方向之一，具有广阔的发展前景。

阵列光学元件的加工方法主要有光刻胶热熔法、薄膜沉积法、灰度掩膜法、“三束”(激光束、离子束、电子束)法等，这些加工方法能够加工特定结构尺寸的阵列结构表面。然而上述加工方法的加工工序复杂、周期长、成形效率较低，在加工形状精度、表面质量控制方面存在一定的缺陷，无法满足行业快速发展的需求。单点金刚石切削和精密注塑结合的工艺，可以用于生产大规模、高精度和高填充因子的塑料透镜阵列，但与玻璃材料相比，塑料材料的抗变形性、抗高温性、表面抗划伤性较差，且热膨胀系数较高。因此，在光学性能要求高的应用场合，塑料材质难以胜任，玻璃材质往往是更优的选择。传统的玻璃透镜制造工艺如研磨、抛光技术，无法精确地控制透镜的形状精度，对于透镜阵列更是无法加工。而模压成型技术是一种通过模压高温软化的玻璃预制件，将高精度模仁的面型直接复制到预制件表面形成镜片的光学生产方法，该方法无需进一步的机械加工，因此可实现玻璃透镜的精密、大批量化生产。然而目前的玻璃模压成型工艺主要用于非球面透镜的制造，由于非球面透镜阵列的面形复杂性，其模压成型模具难以加工成型，进而限制了非球面透镜阵列的批量化生产。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，但大都针对凹形球面阵列的加工。专利《マイクロレンズアレイの成形型の研削方法およびその装置》提出了一种凹球面阵列的磨削加工方法，专利《マイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法及び研削加工装置》基于展成原理分别利用圆柱形和杯型砂轮磨削凹球面阵列和凸球面阵列的加工方法。但是上述的方法均无法用于加工非球面阵列结构，因此本领域存在着发展一种能够提供针对非球面阵列结构加工方法的技术需求。

发明内容

针对现有非球面阵列结构加工技术中的不足或改进需求，本发明提供一种非球面阵列结构的精密制备方法，具体而言是基于虚拟轴加工原理，利用砂轮在基体材料上磨削加工出高面形精度、高表面质量的非球面阵列结构。基体材料既可以是光学玻璃材料，亦可以是光学模具材料，前者适用于非球面透镜阵列单件小批量的生产情形，后者结合玻璃模压成型技术可实现非球面透镜阵列的高效、大批量生产。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：

一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据非球面阵列单元的结构特征，将高速工具主轴的回转轴线与工件主轴的回转轴线设定为垂直或倾斜，并选取相应类型的砂轮安装于高速工具主轴上，对凸球冠状对刀块试磨以调整对刀误差和确定砂轮的结构参数；

步骤二、工件通过夹具安装到加工机床C轴前端的真空吸盘上，将工件的端面跳动和径向跳动调整到加工需求以内，并且通过工件上的回转基准平面确定C轴的加工坐标系零点；

步骤三、根据步骤一的对刀结果获得砂轮结构参数，结合阵列子单元的面形和位置信息，基于虚拟轴的加工原理，通过加工机床三个直线运动轴X，Y，Z和可控的回转运动轴C，生成用于非球面阵列子单元的砂轮磨削路径；

步骤四、选取非球面阵列结构中的一个子单元，利用步骤三中生成的该单元砂磨削轮路径驱动X，Y，Z和C轴对工件进行加工；

步骤五、步骤四种的阵列子单元加工完成后利用原位测量装置对该子单元进行子午线轮廓扫描测量，得到其轮廓形状误差，判断其面形精度是否满足要求。若面形精度达标，则该子单元的加工结束；若面形精度未达标，则根据测量结果结合前一次的加工程序生成新的补偿加工程序，对该阵列子单元进行补偿加工，直至其面形精度满足加工要求，则该子单元的加工结束；

步骤六、依次选取其他非球面阵列子单元重复步骤四和步骤五，直至所有的阵列子单元加工完成。

进一步地，上述非球面阵列结构精密磨削加工方法中的步骤三所采用的虚拟轴加工原理如下：一般磨削加工非球面元件时，非球面自身的回转轴线和工件主轴的回转轴线重合，这种情况下，砂轮轨迹的规划方法已非常成熟。然而在磨削加工非球面阵列结构时，阵列子单元的回转轴线一般不与工件主轴的回转轴线重合，则非球面元件磨削加工的砂轮轨迹规划方法失效。由于工件固定到工件主轴上后，每个阵列子单元的的回转轴线与工件主轴的回转轴线之间的距离是固定的，因此当工件主轴以角度可控模式回转(即C轴模式)时，机床的X和Y轴附以相位差为π/2的简谐运动，其周期与工件主轴的回转周期一致，其振幅是被加工阵列子单元回转轴线与工件主轴回转轴线之间的距离。如此，阵列子单元的回转轴线则与磨削加工非球面元件时的回转轴相当，称该方法为虚拟轴加工。同时，在机床X轴方向上叠加一进给运动，Z轴依据阵列子单元的面形跟随X，Y，C轴运动，即可实现磨削加工非球面阵列子单元的砂轮路径规划。

进一步地，本发明中非球面阵列结构既包括凹非球面阵列结构，也包括凸非球面阵列；

进一步地，采用本发明加工凹非球面阵列结构，优先选用圆角柱状砂轮或球形砂轮或圆柱砂轮。这种情形下，高速工具主轴的回转轴线与工件主轴的回转轴线倾斜一定夹角，该夹角优先选用范围为45°±20°；

进一步地，采用本发明加工凸非球面阵列结构，优先选用带尖端圆弧的V形砂轮，为平衡降低砂轮磨损和减小非球面阵列单元与平面的过渡圆弧半径，尖端圆弧的半径优先选用范围为0.2mm±0.1mm。这种情形下，高速工具主轴的回转轴线与工件主轴的回转轴线相互垂直；

进一步地，本发明需借助具备X，Y，Z，C四轴联动的机床完成加工。其中，X，Y，Z轴实现空间中相互垂直三个方向的直线运动，工件主轴配备主轴编码器构成可对回转角度控制的C轴。同时，该机床还需配备一台高速工具主轴和一套原位测量装置分别实现驱动砂轮回转和对工件的面形误差进行原位测量。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明所述的一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，突破现有阵列加工方法在硬脆性材料上只能加工球面阵列的局限，可实现在硬脆性材料上精密加工出非球面阵列结构。

2、本发明所述的一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，可基于轮廓测量的结果对非球面阵列子单元的面形误差进行补偿加工，有利于实现非球面阵列结构的高精度加工。

3、本发明所述的一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，不仅可用于凹形非球面阵列结构的加工，也还可以加工凸形非球面阵列结构，并且可以实现凸形非球面阵列结构子单元和平面的过渡圆弧半径达到百微米尺度。

附图说明

图1是本发明用于磨削加工凹非球面阵列结构的装置图；

图2是本发明用于磨削加工凸非球面阵列结构的装置图；

图3是加工用砂轮的结构示意图，其中图3(a)是圆角柱状砂轮，图3(b)是球形砂轮，图3(c)是圆柱砂轮，图3(d)是带尖端圆弧的V形砂轮；

图4是虚拟轴加工原理图；

图5是实施例一中加工的一凹非球面阵列子单元的砂轮路径；

图6是实施例一中加工的一个凹非球面阵列子单元的面形误差；

图7是实施例一中加工的一个凹非球面阵列子单元的表面粗糙度；

附图标记说明如下：1、高速工具主轴；2、砂轮；3、夹具；4、真空吸盘；5、角度可控工件主轴，即C轴；6、机床Y轴溜板；7、机床X轴溜板；8、机床基座；9、工件；9a、回转基准平面；9b、非球面阵列子单元；10、原位测量装置；11、机床Z轴溜板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一：

本实施方式针对凹非球面阵列结构，其特征在于采用本发明所加工的非球面阵列子单元的面形是凹形的。加工装置的原理图如图1所示。实现本发明需要采用如图1所示的四轴联动加工加床，其包括X轴7、Y轴6、Z轴11三个平动轴和角度可控的工件主轴C轴5，另外机床还需配备一台高速工具主轴1和一套原位测量装置10，分别用于驱动砂轮的高速旋转和实现非球面阵列子单元面形轮廓的测量。

加工凹非球面阵列结构的具体步骤包括：

步骤1、选取如图3(a)、3(b)、3(c)中的任意一种砂轮2，将其安装在高速工具主轴1上，工具主轴轴线与工件主轴轴线之间形成一定的夹角，该夹角优先选择45°±20°的范围。利用所选的砂轮试磨凸球冠状对刀块，进而调整在X轴和Y轴两个方向上的对刀误差以及确定砂轮的圆弧半径R；

步骤2、将工件9通过夹具3安装到工件主轴5前端的真空吸盘4上，调整工件的端面跳动和径向跳动到加工需求以内，然后再通过工件9上的回转基准平面9a确定C轴的加工坐标系零点；

步骤3、根据步骤1的对刀结果和砂轮的圆弧半径R，结合凹非球面阵列子单元9b的面形和位置信息，基于虚拟轴加工原理，生成用于凹非球面阵列子单元的砂轮磨削路径；

步骤4、选取凹非球面阵列结构中的一个子单元，采用步骤三种生成的对应的砂轮磨削路径驱动机床的X，Y，Z和C轴对工件进行磨削加工；

步骤5、步骤4种的凹非球面阵列子单元加工完成后利用原位测量装置10对该子单元在X方向上进行子午线轮廓扫描测量，得到其轮廓形状误差，判断其面形精度是否满足要求。如果面形精度达到要求，则该子单元的加工结束；如果面形精度未达标，则根据测量结果结合前一次的加工程序生成新的补偿加工程序，对该阵列子单元进行补偿加工，直至其面形精度满足加工要求，则该子单元的加工结束；

步骤6、依次选取其他的凹非球面阵列子单元重复步骤4和步骤5，直到所有的阵列子单元加工完成。

结合图4来说明虚拟轴加工的原理。如图4所示，工件是一呈正方形排列的待加工的四子单元凹形阵列，工件安装在机床主轴C轴上作可控的回转运动，高速工具主轴的轴线与工件主轴之间成一定角度，选定其中一个子单元作为研究对象。工件随C轴回转时，由于子单元轴线相对回转中心的距离不变，因此其轨迹是一圆，其轨迹在X,Y两个方向上可以分解为两个相位差π/2的简谐运动，因此，为使刀具能绕子单元的轴线做回转运动，只需让刀具在机床的控制下随着C轴的转动在X,Y两个直线轴方向做相位差π/2的简谐运动。同时，为了达到最终加工得到凹状的子单元，刀具需同时在X向或Y向叠加一个进给的运动，Z轴根据子单元的面形作相应的运动。如此一来，需要机床的三个直线运动轴X，Y，Z和回转运动轴C轴联动才能实现凹形阵列子单元的加工，X，Y，Z轴的运动可以看作是C轴转动角度的函数。图4中显示了C轴的角度分别为0，π/2，π，3π/2时工件和砂轮的位置关系。

步骤3中生成加工凹非球面阵列子单元的砂轮磨削路径，具体可按照以下步骤实现：

步骤31、建立子单元坐标系O_LXYZ，机床坐标系O_MXYZ，设定子单元的轴线通过O_LZ轴。初始时，O_LX轴和O_MX轴平行。以O_L为原点，平行于O_LXY平面作一平面阿基米德螺旋线，螺旋线的外径与阵列子单元的口径一致，将其按照一定规律离散化后投影在子单元上，则在O_LXYZ中投影螺旋线满足：

(1)式中α_Li是螺旋线的螺旋角，dα是常值。r_Li是螺旋线上的点到O_LZ轴的距离，f_d是螺旋线的螺距。f(·)代表子单元的面形公式。

步骤32、为使加工方便，设定加工从子单元边缘开始，且初始螺旋角为零，则(1)式可改写为：

(2)式中，mod(·)代表取余函数。(2)式中的点即为凹形阵列子单元表面上与刀具的接触点。

步骤33、实际加工时，设定凹形阵列子单元的初始位置的轴线落在O_MX坐标轴正向，非球面阵列子单元轴线距工件回转中心的距离为R_L,当工件转动α^’ _Li角度时，该非球面阵列子单元表面上与刀具的接触点在O_MXYZ坐标系中的坐标可表示为：

步骤34、由加工的切触条件可得到其刀具控制点为：

(4)式中，

满足

R为球头砂轮的半径或圆角柱状砂轮的圆角半径；当采用柱状砂轮时R＝0。将(1)式和(2)式带入(4)式，即可求得砂轮的磨削加工路径；

步骤35、则驱动机床运动的NC控制程序中X，Y，Z，C坐标为：

具体实施方式二：

本实施方式针对凸非球面阵列结构，其特征在于采用本发明所加工的非球面阵列子单元的面形是凸形的。加工装置的原理图如图2所示。该实施方式与具体实施方式一基本一致，仅存在以下两点不同之处：

1、步骤1中应选取如图3(d)所示的带尖端圆弧的V形砂轮，将其安装在高速工具主轴1上，工具主轴轴线需与工件主轴轴线相互垂直；

2、步骤34中R为带尖端圆弧的V形砂轮的尖端圆弧半径。

实施例一：

在一个具体实施过程中，对一凹非球面阵列模仁进行磨削。透镜阵列的子单元口径尺寸为2mm，呈2×2正方形排列，子单元间距为1.25mm。加工设备为MooreNanotechnology公司生产的五轴超精密加工机床FG650；模仁材料为碳化钨；采用#325的圆角柱状树脂结合剂金刚石砂轮进行粗磨，#2400的圆角柱状树脂结合剂金刚石砂轮进行精密及补偿磨削，砂轮的圆角半径r为0.15mm，直径D为2mm；砂轮转速为45000rpm,工件转速为8rpm,进给间距为2μm，采用本方法介绍的流程获得砂轮的初始加工轨迹如图5所示。首次精磨后采用原位测量装置测量模仁的面形精度为0.433μm，经一次补偿磨削后面形精度达到0.252μm。最终采用Taylor Hobson PGI 840对四个子单元进行测量，面形精度约为0.25μm，且四个子单元的面形误差一致性较好，各个子单元的表面粗糙度Ra均在10nm以下。图6是采用Taylor Hobson PGI 840测得其中一个子单元的面形误差，其PV值为0.2713μm。图7是该子单元对应的表面粗糙度，粗糙度Ra值为9.2nm。

由实验结果可知，采用本发明的方法在碳化钨上可以加工出面形精度高，粗糙度低的非球面阵列结构，验证了本方法的有效性。

本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：利用X，Y，Z，C四轴联动的机床加工，工件安装在机床主轴C轴上作可控的回转运动，刀具在机床的控制下随着C轴的转动在X,Y两个直线轴方向做相位差π/2的简谐运动，同时在X向或Y向叠加一个进给的运动，Z轴根据子单元的面形作相应的运动，具体步骤如下：

步骤三、根据步骤一的对刀结果获得砂轮结构参数，结合阵列子单元的面形和位置信息，通过加工机床三个直线运动轴X，Y，Z和可控的回转运动轴C，生成用于非球面阵列子单元的砂轮磨削路径；

步骤四、选取非球面阵列结构中的一个子单元，利用步骤三中生成的子单元砂磨削轮路径驱动X，Y，Z和C轴对工件进行加工；

步骤五、步骤四中的阵列子单元加工完成后利用原位测量装置对该子单元进行子午线轮廓扫描测量，得到其轮廓形状误差，判断其面形精度是否满足要求，若面形精度达标，则该子单元的加工结束；若面形精度未达标，则根据测量结果结合前一次的加工程序生成新的补偿加工程序，对该阵列子单元进行补偿加工，直至其面形精度满足加工要求，则该子单元的加工结束；

2.根据权利要求1所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：所述的非球面阵列结构为凹非球面阵列结构或凸非球面阵列结构。

3.根据权利要求2所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：加工凹非球面阵列结构选用圆角柱状砂轮或球形砂轮或圆柱砂轮。

4.根据权利要求2所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：加工凹非球面阵列结构的高速工具主轴的回转轴线与工件主轴的回转轴线倾斜45°±20°夹角。

5.根据权利要求2所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：加工凸非球面阵列结构采用带尖端圆弧的V形砂轮。

6.根据权利要求5所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：所述的V形砂轮的尖端圆弧的半径为0.2mm±0.1mm。

7.根据权利要求2所述的非球面阵列结构的精密磨削加工方法，其特征在于：加工凸非球面阵列结构的高速工具主轴的回转轴线与工件主轴的回转轴线相互垂直。

8.一种权利要求1所述的加工方法在硬脆材料加工领域的应用。