CN110842476B - 一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法，包括如下步骤：S1车削坯体：坯体为棒料，粗车棒料的两端和外圆面及加工内孔；S2铣削面型：铣削加工粗车后的毛坯，加工出五面体的五个面型；S3热处理：S4一次装夹，精车内孔、精车端面及对五个面进行镜面加工，分别达到定位内孔尺寸、定位基准平面尺寸和镜面尺寸要求，具体的，采用的设备为单点金刚石车床，车床上设置有车销内孔和端面的车刀机构和切削镜面的飞刀机构，工件毛坯通过负压夹具进行固定，利用机床精度定位，工件毛坯背对定位端面的一端与负压夹具吸附接触。本制作方法不仅减少了加工工序，而且将五面镜的定位精度提升了一个数量级。

Description

一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法

技术领域

本发明属于多面体棱镜的制作方法技术领域，具体涉及一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法。

背景技术

多面体棱镜结构的显著特点在于其旋转一周能够将入射到该结构上的光线多次反射到固定区域，从而实现光线高效扫描动作，经常应用于各类打印机等光学系统。由于多面体棱镜旋转一周可实现多次光线扫描，所以在驱动多面体棱镜电机同转速情况下，可使扫描系统更节能、更高效。目前，已得到广泛的应用，市场前景很广阔。

目前主要的制造方法如下：

1)单件飞刀(flycutting)加工，镜面制作也采用超精密金刚石切削技术，通常五个镜面为最后的加工工序，但在加工镜面前要做一系列的辅助工作，车削坯体、铣削面型、定位柱面精铰(或精密车削)、定位平面磨、热处理等工艺流程，总工序约6项左右，工艺过程繁琐，基准面由多个工序重复安装加工实现，定位基准存在微米量级的误差，而且一致性不能得到保证，效率不高，所需配套资源要求较高。

2)多件飞刀加工，镜面制作同样采用超精密金刚石切削技术，通常五个镜面也是最后的加工工序，镜面加工前的辅助工作一样，不同的是最后加工五个镜面是采用多片一起加工的方式，带来的好处是镜面成型效率提高，但是同时带来的问题也很突出，问题主要集中在两个方面：一是多片的镜面角度定位比较麻烦，且多片的切削厚度不均匀，导致镜面平面度一致性不好的现象；二是平面定位基准误差累计，因为多片叠加在一起加工，从依靠基准的第一件开始，后者均以前者的定位面作为基准面定位，导致一次性加工的工件平面定位基准精度不一致的现象，优点是镜面成型效率高，但是工艺过程复杂，定位精度低。

以上两种制作方法没有结合超精密车削技术对定位基准面和反射镜面的同时加工，从而导致角五面镜的制作流程复杂，定位精度不高等问题，使五面体棱镜的高精度定位应用难题得不到有效的解决

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法。该方法通过单点金刚石车削技术中的车削和飞刀相结合，可提高制作五面体棱镜结构的精度，同时有望提高其反射性能并使其具有超高精度的定位基准。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1车削坯体：坯体为棒料，粗车棒料的两端和外圆面及加工内孔；

S2铣削面型：铣削加工粗车后的毛坯，加工出五面体的五个面型；

S3热处理：

S4一次装夹，精车内孔、精车端面及对五个面进行镜面加工，分别达到定位内孔尺寸、定位基准平面尺寸和镜面尺寸要求，具体的，采用的设备为单点金刚石车床，车床上设置有车销内孔和端面的车刀机构和切削镜面的飞刀机构，工件毛坯通过负压夹具固定，利用机床精度进行定位，工件毛坯背对定位端面的一端与负压夹具吸附接触。

本发明具有的优点和积极效果：

本发明提出了一种打破常规的五面体反射镜的制作方式，不仅减少了加工工序，而且将五面镜的定位精度提升了一个数量级，在最后一道工序中引入所有基准面(包括孔和基准平面)和镜面一次切削的理念，利用超精密金刚石车床的精度实现孔定位基准和平面定位基准以及五个镜面一次装夹完成，从而使五面镜的定位精度得到提升，最终孔轴线与五个镜面之间的距离误差和定位平面与五个镜面的倾斜误差均小于0.1um，使成品率接近100％。本发明提出的制作方法简单、易于实现，直接采用金刚石切削技术就能低成本地进行结构制作。

附图说明

图1是五面体反射镜的结构简图：1a是剖视图；1b是主视图；

图2是是传统制作方法一的参考图；

图3是传统制作方法二的参考图；

图4是五面体反射镜的孔与夹具轴配合间隙；

图5是五面体反射镜与电机定位面配合倾斜；

图6是多片定位倾斜的结构示意图；

图7是本发明制作方法在单点金刚石车床上位置关系示意图；

图8是本发明制作方法在单点金刚石车床上的加工轨迹示意图；

图9是本发明制作方法在单点金刚石车床上采用的负压安装夹具示意图；

图10是本发明制作方法工件安装示意图；

图11是现有制作方法工艺流程图；

图12是本发明制作方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合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。

为了更好的理解本发明方法及其优点，在此首先结合附图对现有的传统加工方法的加工过程及其缺陷进行详细描述。

五面体反射镜1简图见图1，对于了解的传统的五面镜制作流程主要有两种，其各有利弊，第一种见图2，五个镜面的加工工序在最后完成，镜面完成后即为成品，镜面1-1加工前段工序一般为车削、铣削、精车定位孔(或铰孔)、磨削基准面、热处理，其中精车定位孔1-3和磨削定位基准平面1-2都是为了保证后期应用安装的定位精度，因受加工方式限制公差范围都在几微米量级，实际情况是公差越严格，应用的定位精度越高，对整体扫描系统的精度就越有利，这个加工流程对于五个镜面和定位孔的位置公差一般在5微米左右，因为是以定位孔和夹具的轴配合加工五个镜面，所以定位孔和轴的配合间隙误差直接反应到五个镜面和孔定位基准轴线的距离公差(如图4)，因为是五个面之间角度差为72°，误差公式为：两个面最大距离误差＝(孔直径-轴直径)*cos36°；两个平面定位基准则精度取决于磨削平面和夹具定位基准面的定位精度误差，一般在1um-2um之间，这个平面定位基准最终会和旋转电机的基准贴合，最后会把五面镜基准平面和五个镜面的角差传递到整个扫描系统中，导致五个镜面扫描状态不一致的现象(如图5)。第二种则是第一种的“升级”版，工序基本一致，只是把最后一刀五个镜面加工变成多片同时加工的形式，主要目的是提高生产效率，但是带来的问题则很突出，那就是逐一安装在夹具上的每个五面镜的定位基准平面都是以前一个镜片定位基准平面的对立面作为起始定位基准，这样导致安装的片数越多，其累计误差越大，误差大小每次都呈现出不同的排列组合，最终导致成品率下降，误差数值普遍偏大的现象(见图6)。

为了解决以上两种五面镜成型方式的一些不足之处，本发明提出了一种打破常规的新型五面镜成型方式，不仅减少了加工工序，而且将五面镜的定位精度提升了一个数量级，如图7-8所示，在最后一道工序中引入所有基准面和镜面一次切削的理念，利用超精密金刚石车床的精度实现孔定位基准和平面定位基准以及五个镜面一次装夹完成，从而使五面镜的定位精度得到提升，最终孔轴线与五个镜面之间的距离误差和定位平面与五个镜面的倾斜误差均小于0.1um，且成品率接近100％。具体加工流程见图12，节省了前段两个基准面的制作流程，增加了超精密加工的基准制作内容。工件和刀具的位置关系见图7，车削基准面的刀具和切削镜面的飞刀(flycutting)共存于机床Z轴上，工件安装于机床C轴上，同时工件随X轴可做直线运动，保证刀具和工件相互运动不干涉的情况下设置为各向移动距离最短，从而保证最佳切削效率，两把刀具的运动轨迹见图8，飞刀做Z向直线运动完成五个镜面的加工，车刀先做X向(相对)运动实现平面基准加工，再做Z向运动实现定位孔加工，最终完成五面镜超高定位基准的制作，使制作的成品五面镜具有超高的一致性和超高的定位精度，解决了五面镜的制作精度问题，同时也开拓了多面体棱镜的另一种超高精度的制作方法。

本发明所述的应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法，包括如下步骤：

S1车削坯体：坯体为棒料，粗车棒料的两端和外圆面及加工内孔；

S2铣削面型：铣削加工粗车后的毛坯，加工出五面体的五个面型；

S3热处理：

S4一次装夹，精车内孔、精车端面及对五个面进行镜面加工，分别达到定位内孔尺寸、定位基准平面尺寸和镜面尺寸要求，具体的，采用的设备为单点金刚石车床，车床上设置有车销内孔和端面的车刀机构3和切削镜面的飞刀机构2，工件毛坯通过负压夹具固定，利用机床精度进行定位，工件毛坯背对定位端面的一端与负压夹具吸附接触。具体的,在负压夹具的端部设置有负压气孔4-1和负压区4-2。

对于实施上述步骤4，具体操作包含以下几个方面：

1、刀具位置对正：飞刀刀具因为刀具做回转运动，所以对于刀具的安装位置要求不高，主要标定刀具回转轨迹和Z轴的平行度小于0.1um，确保加工镜片的平面度需求；车削刀具用光学对刀仪对正刀具与X轴和Y轴的关系，刀具在X轴方向的坐标需要利用试切圆柱外圆检测尺寸的方式标定到要求9um的公差范围内，以确保切削孔径尺寸合格；

2、工件安装：将毛坯安放于负压夹具上，确保毛坯和夹具接触面没有大颗粒灰尘或切屑，不能漏气，保证连接刚度；

3、端面、内孔加工：利用试切法到车刀和工件端面的Z向位置关系，设置切削深度加工工件端面和内孔，确保一次成型并且毛坯面完全去除；

4、5个镜面加工：首先对毛坯的切削角度进行找正，飞刀低速旋转试切确定于5个镜面的加工关系，设置切削深度加工5个镜面，每次加工一个，每72°一次加工循环。

综上，本发明的加工方法采用金刚石车削(cutting)和飞刀(fly-cutting)一体加工方式进行超精密加工，可加工的多面体棱镜不仅限于五面，也不仅限于固定尺寸，对于不同性能要求的多面体棱镜结构产品，可以选择不同的旋转角度加工，同时根据不同的结构特点设计特定的工装夹具，通过同样的加工方式实现多面体棱镜的高精度一次性成型加工。通过一体式加工得到的多面体棱镜结构可直接应用于光学扫描模组，通过高转速电机带动五面镜进行旋转运动，实现高一致性，高频率扫描动作，在各类扫描系统中可得到广泛应用。

本发明提出的应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法，通过特殊的加工工艺实现五面体反射镜结构的制作，实现这种结构反射镜的方法具有精度高，效率高的特点，此方法具有创新性，并具有较好的应用价值。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种应用于高速扫描系统的五面体反射镜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1车削坯体：坯体为棒料，粗车棒料的两端和外圆面及加工内孔；

S2铣削面型：铣削加工粗车后的毛坯，加工出五面体的五个面型；

S3热处理：

S4一次装夹，精车内孔、精车端面及对五个面进行镜面加工，分别达到定位内孔尺寸、定位端面尺寸和镜面尺寸要求，具体的，采用的设备为单点金刚石车床，车床上设置有车销内孔和端面的车刀机构和切削镜面的飞刀机构，工件毛坯通过负压夹具固定，利用机床精度进行定位，工件毛坯背对定位端面的一端与负压夹具吸附接触。

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