CN109514355A - 非球面柱面镜的加工方法及加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常用光学材料的非球面柱面镜的加工方法，本方法采用自主编制的软件计算非球面柱面镜铣磨及抛光轨迹。通过改造冷却系统和自主设计的抛光夹具实现铣磨抛光一机两用的方法，实现非球面柱面镜的高效加工。本方法在抛光过程中，通过软件引入无序函数，实现在柱面镜抛光的立柱面上做无序的随机运动，从而解决以往加工过程中会出现的表面疵病问题，改善非球面柱面镜的表面光学质量。本方法既保证了非球面面型轨迹的可靠性，又提高了光学产品的表面光学质量，提高了产品精度。

Description

非球面柱面镜的加工方法及加工系统

技术领域

本发明属于精密光学元件加工领域，具体涉及非球面柱面镜的加工方法及加工系统。

背景技术

非球面数控加工方法目前有柔性抛光法和单点金刚石车床加工法。其中柔性抛光法主要利用聚氨酯片及氧化铈抛光液作为抛光介质，加工的材料一般为白光玻璃材料，红外硅材料等，单点金刚石车床加工主要加工ZnS、ZnSe、Ge等红外材料。两种加工方法均以轴对称回转体零件为主，且加工方式多为模块化编程软件，操作人员将非球面产品的各项参数输入编程软件，可自动生成加工程序。但目前的数控加工设备均无法有效实现非球面柱面镜的加工，多为采用范成型法，使固定工具作某一轴向或某两个轴向的直线运动，此类方法得到的非球面面型不可控，具体表现为面型误差超差，表面光洁度差，仍保留较为清晰的抛光痕迹，成像效果差。

发明内容

本发明的目的是：提供非球面柱面镜的加工方法及加工系统，用以克服上述现有技术中的缺陷。

本发明所采用的技术解决方案是：

非球面柱面镜的加工方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)铣磨：根据给定的非球面顶点曲率半径，圆锥系数，各次项系数，确定柱面镜的准线，通过非球面标准方程进行计算，得到非球面柱面镜准线上的离散坐标点(X,Y)，绘制非球面加工轨迹，同时引入Z轴作为柱面镜的直母线，通过在Z轴方向的步进运动实现柱面镜的铣磨加工，整个铣磨过程在Z轴方向上的轨迹为“己”字形。

2)抛光。

进一步的，所述步骤2)的具体实现方法为：根据所述柱面镜加工轨迹，在Z轴方向上做预定值域范围内的随机运动抛光。

进一步的，还包括步骤3)修正：通过面型检测得到面型误差数据，根据面型误差数据调节在所述柱面镜加工轨迹上各个区间上的驻留时间，达到修正抛光面型误差的作用。

进一步的，所述步骤3)的具体实现方法为：根据所述面型误差数据，当中间区域误差出现波峰，边缘误差出现波谷时，延长中间区域驻留时间，缩短边缘区域驻留时间，反之，当中间区域误差出现波谷，边缘误差出现波峰时，缩短中间区域驻留时间，延长边缘区域驻留时间。

本发明还提供非球面柱面镜的加工系统，包括抛光工具和工件夹具，其特殊之处在于：所述抛光工具包括抛光轴，抛光轴外表面粘结发泡橡胶及聚氨酯。

进一步的，所述抛光棒的主体为Φ25口径的金属棒，以一边为起点，在金属棒的3/4的长度上粘结一圈发泡橡胶，并在发泡橡胶上粘结一层0.5mm的聚氨酯片。

进一步的，所述工件夹具包括弹性夹具座，弹性夹具座上固定粘接模，粘接模侧壁粘接多个待加工工件，所述多个待加工工件紧密接触。

进一步的，所述多个待加工工件由设置在粘接模侧壁的保护玻璃夹紧。

进一步的，所述保护玻璃与待加工工件的材质一致。

本发明的有益效果是：提供一种非球面柱面镜的加工方法，该方法能够对无拐点非球面柱面镜实现有效加工。克服了传统抛光方式效率低，表面光洁度差，面型误差无法进一步修正的问题。自组一套抛光循环系统，使数控设备实现铣磨及抛光的一机两用，同时换用新型抛光夹具，改之前的单轴摩擦式抛光为环绕式抛光，可以一次性解决面型及光洁度两方面的问题。提高了加工效率，降低了加工成本。

附图说明

图1是自编软件的操作界面；

图2是工件夹具的结构示意图；

图3是非球面柱面镜铣磨过程的平视图；

图4是非球面柱面镜铣磨过程的俯视图；

图5是在立柱面Z轴方向上补充随机振动函数后的抛光轨迹示意图；

图6是在软件上的抛光驻留时间显示界面；

图7是具体实施方式中的某型零件的面型检测结果。

图中，1-弹性夹具座、2-粘接模、3-待加工工件、4-保护玻璃、5-磨轮。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种非球面柱面镜的加工方法，加工方法将加工时受力的方向从立柱面Z轴方向变为X轴水平方向，同时通过自编软件将非球面的加工参数转化为设备可以识别的坐标点，并在Z轴方向上补充随机振动函数，使抛光轨迹变为无序状态改善表面光洁度。在非球面面型曲线达不到图纸要求的情况下，通过自编软件改变加工过程中抛光工具在非球面轮廓线上的驻留时间，从而将面型修正到图纸要求。

具体而言，非球面柱面镜的加工方法包括以下步骤：

S01、通过图纸所给出的非球面加工相关参数，应用自编软件将加工参数转化为设备可识别的坐标点，所有坐标点可以连接成为非球面的曲线轮廓，采用立式铣磨的方法，保持上述坐标点不变，在立柱面Z轴方向每次步进0.05mm～0.1mm的距离，直到整个夹具上的零件全部铣磨完成。通过调节步进距离的大小实现零件的粗磨和精磨。

本方法非球面柱面镜采用立柱式加工，根据非球面的各项参数，确定柱面镜的准线，采用自主编制的软件绘制非球面加工轨迹，同时引入Z轴作为柱面镜的直母线，通过在Z轴方向的步进运动实现柱面镜的铣磨加工，整个铣磨过程在Z轴方向上的轨迹为“己”字形。

S02、将自组抛光液循环系统置于数控加工设备中，调节竹节管，使循环的抛光液冲在抛光工具与零件的接触面上，在抛光过程中，通过自编软件使非球面参数转化为相应曲线上的坐标点，三轴联动，使抛光轴沿着非球面曲线的轨迹做往复运动，同时调整抛光参数，在立柱面Z轴方向上补充随机振动函数把抛光轨迹彻底改为无序状态。

上述S01中本方法所用自主编制的软件可以根据图纸或设计部门给定的非球面顶点曲率半径，圆锥系数，各次项系数，通过非球面标准方程进行计算，得到非球面柱面镜准线上的离散坐标点(X,Y)坐标，这些坐标可以连接成为非球面曲线的近似轨迹，这些坐标点可以被数控加工中心识别，并最终实现非球面柱面镜铣磨加工。非球面标准方程如下：

其中C＝1/R，R为顶点曲率半径，K为圆锥系数，Ai为各次项系数

S03、抛光结束后，通过轮廓仪检测非球面面型曲线是否达到图纸要求，如果误差较大，不满足要求，则通过测量数据，使用自编软件改变加工过程中抛光工具在非球面轮廓线上的驻留时间，进行面型修正，使零件达到要求。

本发明适用于任何非球面柱面镜的加工；针对现有技术的局限性而言，特别适合对直径30mm～100mm之间的非球面柱面镜实现加工。

在对铣磨好的柱面镜抛光时，同样根据非球面的各项参数，确定柱面镜的准线，采用自主编制的软件绘制非球面加工轨迹，同时引入Z轴作为柱面镜的直母线，在Z轴方向上做某一值域范围内的运动，当运动距离和速度均为恒定时，抛光后的产品表面会出现规则的抛光痕迹，表面质量差，故此在程序中的Z轴数值上引入限定值域内无序的随机数，以此实现每次进行Z轴方向运动时，移动的位移均为可控范围内的随机数值，以此消除抛光过程中带来的抛光痕迹。

进一步地，本发明的加工方法还包括：

S04、非球面柱面镜面形加工完毕后，进行面形加工精度检测。

具体而言，非球面柱面镜面形检测为接触式测量。

本发明进一步涉及实现前述加工方法的数控加工中心，数控加工中心包括安装于刀具工作台上的磨轮，抛光工具；安装于工作台面上的零件粘结夹具。

S05、通过对现有数控加工中心进行改造，在铣磨柱面镜时冷却循环系统采用常规方式，用碟形磨轮在工件表面按步骤S01进行铣磨加工。当进行抛光时，通过抽水电机、竹节管、便携式水盘及一定浓度的氧化铈抛光液等组成一套便于拆卸的抛光液循环系统，使铣磨设备实现抛光功能。自组抛光液循环系统，包括水泵，竹节管，托盘，通过水泵抽取托盘中的配置好的抛光液，使其在托盘的范围内进行循环，将抛光液冲在抛光工具与零件的接触面上。加工时，抛光轴外表面粘结合适长度的发泡橡胶及聚氨酯制作成抛光棒，替代铣磨刀具，使其与工件在软件程序的控制下按步骤S03进行抛光加工。

抛光结束后进行面型检测，得到面型误差数据，通过面型误差数据，利用自编软件对面型误差数据进行分析，在软件上引入驻留时间调节选项，可通过输出的程序控制抛光过程中柱面镜准线上各个区间的驻留时间，进而对面型误差进行修正，使之最终达到图纸要求。

本加工方法采用自主设计的工装装夹工件，可以一次装夹三块，同时边缘采用同材质的保护片避免在抛光过程中出现边缘效应。

参见图1-图7，本发明所采用的抛光夹具，包括弹性夹具座1，弹性夹具座1上固定粘接模2，粘接模2侧壁粘接多个待加工工件3，多个待加工工件3紧密接触。多个待加工工件3由设置在粘接模2侧壁的保护玻璃4夹紧。保护玻璃4与待加工工件3的材质一致。

使用柏油将零件粘结在抛光夹具上，自编软件将非球面相关参数输入，通过非球面标准方程进行计算，得到非球面柱面镜准线上的各离散坐标点坐标，这些坐标可以连接成为非球面曲线的近似轨迹，这些坐标点可以被数控加工中心识别，并最终实现非球面柱面镜铣磨加工。

本发明采用立式铣磨方式，铣磨磨轮5在XY方向上沿非球面曲线的近似轨迹上的各坐标点铣磨，每一次轨迹铣磨完成后，均在Z轴方向步进一次，每步进一次，磨轮5完成一次非球面曲线近似轨迹的铣磨。在立柱面Z轴方向每次步进0.05mm～0.1mm的距离，直到整个夹具上的零件全部铣磨完成。通过调节步进距离的大小实现零件的粗磨和精磨。

铣磨好的零件位置不变，将铣磨磨轮5更换为抛光工具。应用自编软件以上述相同原理编辑抛光程序，其中，非球面轨迹上各离散坐标点坐标保持不变，但Z轴方向上的运动变为固定的两个值之间的匀速运动，在本方法实验的零件抛光过程中，Z轴的摆动距离为10mm。为消除匀速规则抛光所带来的表面疵病，在Z轴方向上补充随机振动函数，本方法实验的零件抛光过程中，随机函数为Z*∈[-3,3]，使其在Z轴上的相对运动不再为确定的数值，而是可控范围内的随机数，其运动轨迹最后的随机波动范围为Zmin≤Z≤Zmax，其中Zmin＝4mm,Zmax＝16mm,最后在Z轴方向上的实际抛光轨迹进一步参见图5。

抛光结束后，通过面型检测，根据面型误差数据调节在非球面轨迹上各个区间上的驻留时间，达到修正抛光面型误差的作用。抛光后的零件表面面型曲线与标准曲线之间会出现误差，当中间区域误差出现波峰，边缘误差出现波谷时，需要使抛光工具在抛光到零件中间区域的过程中驻留的时间更长，以此来减小中间区域的误差值，从而修正零件的面型误差，其驻留时间柱状图如图6所示。反之，当中间区域误差出现波谷，边缘误差出现波峰时，相应调节驻留时间，使抛光工具在中间区域停留时间更短，边缘区域停留时间更长。

本实施例采用的实验加工的零件为ZK10光学玻璃材料，柱面镜的长宽高为50mm×50mm×50mm，非球面为抛物面。面形加工精度要求：PV≤3μm，表面光洁度B＝IV。该非球面柱面镜面形加工完毕后，对其进行了局部面形加工精度检测，检测结果如图7所示。Rt＝1.1909μm，满足加工精度要求。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)铣磨：根据给定的非球面顶点曲率半径，圆锥系数，各次项系数，确定柱面镜的准线，通过非球面标准方程进行计算，得到非球面柱面镜准线上的离散坐标点(X,Y)，绘制非球面加工轨迹，同时引入Z轴作为柱面镜的直母线，通过在Z轴方向的步进运动实现柱面镜的铣磨加工，整个铣磨过程在Z轴方向上的轨迹为“己”字形。

2)抛光。

2.根据权利要求1所述的非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方法为：根据所述柱面镜加工轨迹，在Z轴方向上做预定值域范围内的随机运动抛光。

3.根据权利要求2所述的非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：还包括步骤3)修正：通过面型检测得到面型误差数据，根据面型误差数据调节在所述柱面镜加工轨迹上各个区间上的驻留时间，达到修正抛光面型误差的作用。

4.根据权利要求3所述的非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方法为：根据所述面型误差数据，当中间区域误差出现波峰，边缘误差出现波谷时，延长中间区域驻留时间，缩短边缘区域驻留时间，反之，当中间区域误差出现波谷，边缘误差出现波峰时，缩短中间区域驻留时间，延长边缘区域驻留时间。

5.非球面柱面镜的加工系统，包括抛光工具和工件夹具，其特征在于：所述抛光工具包括抛光轴，抛光轴外表面粘结发泡橡胶及聚氨酯。

6.根据权利要求5所述的非球面柱面镜的加工系统，其特征在于：所述抛光棒的主体为Φ25口径的金属棒，以一边为起点，在金属棒的3/4的长度上粘结一圈发泡橡胶，并在发泡橡胶上粘结一层0.5mm的聚氨酯片。

7.根据权利要求5所述的非球面柱面镜的加工系统，其特征在于：所述工件夹具包括弹性夹具座，弹性夹具座上固定粘接模，粘接模侧壁粘接多个待加工工件，所述多个待加工工件紧密接触。

8.根据权利要求7所述的非球面柱面镜的加工系统，其特征在于：所述多个待加工工件由设置在粘接模侧壁的保护玻璃夹紧。

9.根据权利要求8所述的非球面柱面镜的加工系统，其特征在于：所述保护玻璃与待加工工件的材质一致。