CN110280840B

CN110280840B - 一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法

Info

Publication number: CN110280840B
Application number: CN201910589362.1A
Authority: CN
Inventors: 程颖; 卢永斌; 谢小兵; 王泽超
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: CN110280840A

Abstract

本发明涉及一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法，通过控制超精密车床的B轴转角和工件的X轴和Z轴坐标，利用五轴超精密机床的飞刀切削方式实现柱面菲涅尔透镜一体成型加工。本发明方法可实现圆柱菲涅尔透镜的一次成型加工，利用该方法避免了以往柱面菲涅尔透镜拼接式的加工方式，提高了光学元件的加工精度和加工效率。

Description

一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法

技术领域

本发明属于超精密制造领域，涉及圆柱面菲涅尔透镜的超精密加工技术，尤其是一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法。

背景技术

随着全球经济的高速发展，能源问题已经成为社会发展最重要的问题之一。太阳能因为其无污染、来源广、可再生而收到广泛的关注，光伏发电是太阳能利用的主要方式之一。聚光光伏(CPV)技术是新一代的光伏发电技术，通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上，从而大幅度降低系统成本及昂贵的太阳能电池材料用量。菲涅尔透镜是最实用最广泛的聚光镜，按照会聚方式可分为点聚焦菲涅尔透镜和线聚焦菲涅尔透镜。其中线聚焦菲涅尔透镜又根据截面形状，分为平面型线聚焦菲涅尔透镜和圆柱型线聚焦菲涅尔透镜。圆柱面菲涅尔透镜由于其截面呈拱形，与平板菲涅尔透镜相比，可在一定程度上增加透镜的容忍角度，具有更加优越的性能。

点聚焦菲涅尔透镜为回转对称型，其加工方法已经很成熟。圆柱面菲涅尔透镜由于棱镜单元非回转，各棱镜单元参数都不相同，其加工一般采用拼接式的方式完成，不能实现一次成型加工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种圆柱面菲涅尔透镜一体成型超精密加工方法，通过控制超精密车床的B轴转角和专用夹具的位置，利用五轴超精密机床的飞刀切削方式实现柱面菲涅尔透镜一体成型加工。大大提高了加工效率，并降低了加工误差。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法，通过控制超精密车床的B轴转角和工件的X轴和Z轴坐标，利用五轴超精密机床的飞刀切削方式实现柱面菲涅尔透镜一体成型加工。

而且，所述加工方法包括菲涅尔透镜非工作面的加工和菲涅尔透镜工作面的加工。

而且，所述的菲涅尔透镜非工作面的加工的方法包括如下步骤：

调整五轴超精密机床B轴与刀具中心重合；

根据菲涅尔透镜的几何参数，确定各个槽顶点的坐标，槽单元所对应的圆心角；

首先加工最边缘的槽，转动B轴使刀具直刃与槽单元的轴平面重合；

将B轴转动

角，

为出射角，并调整工件X轴和Z轴的坐标，保证刀具顶点和切削槽点重合；

转动B轴，从透镜边缘往中心加工，利用直刃依次加工各个槽单元的非工作面。

而且，所述的菲涅尔透镜工作面的加工的方法包括如下步骤：

将B轴转动β_k-γ角，其中β_k为本单元的有效出射面和上一个单元轴向面的夹角，γ为刀具刀尖角；

根据B轴的转角计算所加工的槽定点的X轴和Z轴坐标；

调整刀尖和槽顶点重合，加工槽的工作面；

转动B轴，从透镜边缘往中间加工，利用斜刃依次加工各个槽单元的工作面。

而且，采用金刚石角度刀加工，控制刀尖角小于工件齿形最小角。

而且，工件通过圆柱面夹具固定，所述的圆柱面夹具的柱面截面半径与所设计圆柱面菲涅尔透镜的基底圆半径相同。

本发明的优点和积极效果是：

本发明方法可实现圆柱菲涅尔透镜的一次成型加工，利用该方法避免了以往柱面菲涅尔透镜拼接式的加工方式，提高了光学元件的加工精度和加工效率。

附图说明

图1为圆柱面Fresnel几何参数设计图；

图2为圆柱面菲涅尔透镜的加工装置图；

图3为加工刀具的照片；

图4为本发明加工工艺框图；

图5为实际加工照片；

图6为加工后的圆柱面菲涅尔透镜照片；

图7为菲涅尔透镜角度测试图；

图8为加工顺序图；

图9为非工作面切削原理图；

图10为工作面切削原理图；

图11为整体加工参数控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明所加工的圆柱面菲涅尔透镜的几何设计参数如图1所示，基底圆半径为R，基底圆心为O，透镜焦距为f，太阳光平行入射到菲涅尔透镜上方，经过透镜会聚到太阳能电池上，焦点为F。以F为坐标原点，以圆柱面对称轴为Y轴，建立直角坐标系。基底圆心角为θ，棱镜单元个数为M，各棱镜单元所对应的圆心角相同为θ₀＝θ/M。每个棱镜单元有三个面，其截面顶点分别为A、B、C。其中AB为非工作面，不控制光线的偏折，为所在棱镜单元边缘光线确定；BC为有效工作面，控制所有光线的偏折。

本发明采用超精密车削飞刀加工技术实现圆柱面Fresnel的一次成型加工，其加工示意图如图2所示，采用专用柱面夹具固定工件，将刀具及刀架固定在主轴上，刀具采用如图3所示的金刚石角度刀，其加工工艺如图4所示。将半圆形工件轴心放置于与Y轴平行，安装于B轴旋转中心同轴处，利用夹具使刀具跟随主轴绕Z轴旋转，刀具角度选择小于工件齿形最小角即可，然后利用Z、B、X轴之间的关系确定空间槽的精确位置。最后，刀具旋转后机床Y轴实现工件沟槽长度方向上的切削。

本发明的具体实施步骤为：

1.明确圆柱面菲涅尔透镜的设计参数；

2.刀具选择及加工准备；

3.菲涅尔透镜的棱镜单元非工作面的加工；

4.菲涅尔透镜的棱镜单元工作面的加工。

本发明实施过程中提及的明确圆柱面菲涅尔透镜的设计参数的具体实施步骤为：

(1)首先明确菲涅尔透镜的设计要求，如图1所示，透镜焦距为f，透镜基底圆半径R，基顶圆心角θ，棱镜单元个数为M，则每个棱镜单元所对应的圆心角θ₀＝θ/M。每个棱镜单元有三个面，其截面顶点分别为A、B、C。其中AB为非工作面，不控制光线的偏折，为所在棱镜单元边缘光线确定；BC为有效工作面，控制所有光线的偏折；

(2)计算非工作面AB。根据棱镜单元边缘光线确定，如图1所示。以菲涅尔透镜的任意一个棱镜单元k(k＝1,2，…，M/2+1，在Y轴上的k＝1，边缘处棱镜单元k＝M/2+1)为研究对象，A为棱镜单元k的边缘点，在A点入射光线的入射角为kθ₀，根据折射定律，设透镜材料的折射率为n，可以求得出射角

为

(3)计算工作面BC。以菲涅尔透镜的任意一个棱镜单元k(k＝1,2，…M/2+1，在Y轴上的k＝1，边缘处棱镜单元k＝M/2+1)为研究对象，光线入射角为v_k，则v_k为：

根据折射定理，设透镜材料的折射率为n，可求得经过AC后的光线折射角r_k为

设棱镜两个边AC和BC的夹角为α_k，则光线在BC的入射角i_k＝α_k-r_k，根据折射定律，可求得光线在BC的出射角t_k为

t_k＝arcsin(nsin(α_k-r_k)) (4)

根据正弦定理建立公式(5)，求得AC和BC夹角α_k

最后，可得到每个棱镜单元的顶点坐标A、B、C，依次变换k值可求得菲涅尔透镜上所有棱镜单元的结构参数。

本发明实施过程中提及的刀具选择及加工准备的具体实施步骤为：

(1)采用超精密加工车床，如图2所示，设计圆柱面的专用夹具，柱面截面半径与所设计圆柱面菲涅尔透镜的基底圆半径相同；

(2)选择的金刚石角度刀具如图3所示，图中的刀尖角γ为25°，所选择的刀具角要小于工件齿形最小角，将刀具及刀架安装在车床主轴上，利用刀具的直刃切削棱镜单元的非工作面，利用斜刃切削棱镜单元的工作面；

(3)将半圆形工件轴心放置于与Y轴平行，安装于B轴旋转中心同轴处，利用夹具使刀具跟随主轴绕Z轴旋转，然后利用Z、B、X轴之间的关系确定空间槽的精确位置。

本发明实施过程中提及菲涅尔透镜的棱镜单元非工作面的加工的具体实施步骤为：

(1)图1中的菲涅尔透镜沿着Y轴可分为左右两部分，这两部分关于Y轴对称，两部分分别加工，方法类似，这里只详细介绍一部分的加工过程。首先加工最边缘的透镜单元，其加工顺序如图8所示；

(2)利用刀具的直刃切削棱镜单元的非工作面，以第k个单元为例。如图9所示，O₁为透镜基底圆圆心，同时也为B轴的回转中心，O₂为刀柄的回转中心。首先通过控制B轴转角，转动kθ₀，将刀具直刃与棱镜单元的轴平面对齐；然后再以O₁为中心将工件转动

为出射角，计算方法如公式(1)。同时根据

计算出工件X轴和Z轴的位移位置，如公式(6)所示。经过B轴的旋转及X轴和Z轴的平移，最终保证刀尖点和槽顶点重合；

(3)转动B轴，从边缘往中心加工，按照步骤(2)依次完成各个棱镜单元非工作面的加工。

本发明实施过程中提及的菲涅尔透镜的棱镜单元工作面的加工的具体实施步骤为：

(1)从边缘往中心加工。以第k个棱镜单元为例，如图10所示。首先调整工件，使刀具的直刃与轴向面重合，然后转动B轴使刀具斜刃与工作面重合，转动的角度为β_k-γ，其中β_k为本单元的有效出射面和上一个单元轴向面的夹角，即β_k＝α_k-θ₀，γ为刀具刀尖角，棱镜两个边AC和BC的夹角为α_k，每个棱镜单元所对应的圆心角θ₀。

转动B轴后，刀具和工件的相对位置发生了改变，调整工件的X和Z轴的坐标Xc和Zc，使刀尖点和槽顶点重合，经过计算调整工件的坐标为如公式(6)。

(2)切削每个槽单元，需要重新调整刀具和工件的位置，其整体切削路径规划流程如图11所示。

为了证明该方法的可行性，设计了一个柱面菲涅尔透镜实例，透镜的基底圆半径为R＝60mm，圆心角为θ＝60°，焦距为f＝100mm，材料为PMMA，棱镜单元个数为40个。其加工过程如图5所示，加工得到的菲涅尔透镜如图6所示。加工后利用Olympus显微镜检测菲涅尔透镜棱镜单元角度，如图7所示，其中一个棱镜单元设计模型夹角49.580°，其加工模型夹角为49.571°，误差0.02％。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法，其特征在于：通过控制超精密车床的B轴转角和工件的X轴和Z轴坐标，利用五轴超精密机床的飞刀切削方式实现柱面菲涅尔透镜一体成型加工，所述加工方法包括菲涅尔透镜非工作面的加工和菲涅尔透镜工作面的加工；

所述的菲涅尔透镜非工作面的加工的方法包括如下步骤：

调整五轴超精密机床B轴与刀具中心重合；

将B轴转动

角，

转动B轴，从透镜边缘往中心加工，利用直刃依次加工各个槽单元的非工作面；

所述的菲涅尔透镜工作面的加工的方法包括如下步骤：

根据B轴的转角计算所加工的槽定点的X轴和Z轴坐标；

调整刀尖和槽顶点重合，加工槽的工作面；

2.根据权利要求1所述的圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法，其特征在于：采用金刚石角度刀加工，控制刀尖角小于工件齿形最小角。

3.根据权利要求1所述的圆柱面菲涅尔透镜一次成型超精密加工方法，其特征在于：工件通过圆柱面夹具固定，所述的圆柱面夹具的柱面截面半径与所设计圆柱面菲涅尔透镜的基底圆半径相同。