CN111198408A - 一种针对微透镜阵列的超精密加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对微透镜阵列的超精密加工装置及加工方法(18JCTPJC52100)，其特征在于：包括主轴、透镜阵列工件、快速伺服系统机构、刀架和金刚石刀具，所述的超精密车床上安装有所述的主轴，所述的微透镜阵列选为但不限于平面基底阵列，其单元口径形状选为六边形但不仅限于六边形，单元面形选为但不限于凹球面，刀架上安装有所述的金刚石刀具，金刚石刀具与快速伺服系统机构连接。相对于现有技术，该针对微透镜阵列的超精密加工装置避免了加工缺陷，很好地保证了加工表面面形精度，避免了加工缺陷，实现了大面积、均匀的高表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种针对微透镜阵列的超精密加工装置及加工方法(18JCTPJC52100)。
背景技术
微透镜阵列是一种常见的光学自由曲面，它由一系列孔径在微米至毫米级的微小型透镜按照一定规律排列而成。具有尺寸小、集成度高、便于制造、传输损耗小、有特殊功能等优点，其应用包括光场相机，大视场成像系统，光电探测及传感，光线均匀，光纤扫描，光刻等方面。对比传统透镜及反射镜，光学复杂曲面具有更优越的性能，在成像系统中，可以实现多个视场同时提高系统的成像质量。
微透镜阵列的机械加工方法主要为超精密切削加工，该方法具有高效率、高精度、低成本等优势，可以在各种材料基底上，实现各种复杂面型和紧密排布方式的微透镜阵列制造。然而由于微透镜阵列本身的几何形貌具有突变处，因此在切削时会存在尖角加速度反向逆变点，致使机床无法响应这些逆变点，造成加工缺陷，缺陷带不仅仅会导致面型误差的产生，同时会极大的影响光学性能。为保证加工表面质量以及微透镜阵列大面积高均匀度加工，需要对加工刀具路径进行修正过渡，同时不改变原本加工微透镜阵列形状。因此，研究微透镜阵列大面积、高表面质量，无缺陷的切削加工方法，对于微透镜材料的深入应用，以及光学工程，光学制造光电探测领域具有重要的现实意义。
因此，如何提供一种微透镜阵列的超精密切削方法，通过分区域加工以及加工刀具路径优化平滑，避免了加工缺陷，很好地保证了加工表面面形精度，避免了加工缺陷，实现了大面积、均匀的高表面质量的切削加工的利用离轴三反成像系统的加工装置及加工方法，是本发明专利要决解的技术问题。
发明专利内容
针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明专利目的是提供了一种微透镜阵列的超精密切削方法，通过分区域加工以及加工刀具路径优化平滑，避免了加工缺陷，很好地保证了加工表面面形精度，避免了加工缺陷，实现了大面积、均匀的高表面质量的切削加工。其中透镜阵列根据应用需求，可以采用球面，也可以采用自由曲面，并且透镜单元的口径形状适用于圆形，四边形，六边形等复杂口径形状的利用离轴三反成像系统的加工装置及加工方法。
为了达到上述目的，本发明专利提供如下技术方案
一种针对微透镜阵列的超精密加工装置及加工方法(18JCTPJC52100)，包括主轴、透镜阵列工件、快速伺服系统机构、刀架和金刚石刀具，所述的超精密车床上安装有所述的主轴，所述的微透镜阵列选为但不限于平面基底阵列，其单元口径形状选为六边形但不仅限于六边形，单元面形选为但不限于凹球面。刀架上安装有所述的金刚石刀具，金刚石刀具与快速伺服系统机构连接。
作为本方案的优选实施例，所述的主轴的旋转轴和微透镜阵列的几何中心轴线同轴。
作为本方案的优选实施例，所述的金刚石刀具安装在快速伺服机构上。
作为本方案的优选实施例，所述的微透镜阵列为平面基底阵列。
作为本方案的优选实施例，所述的微透镜阵列单元口径形状为六边形。
作为本方案的优选实施例，所述的微透镜阵列单元面形为凹球面。
本发明涉及一种微透镜阵列的超精密切削加工方法，包括以下步骤：
S1、根据基本光学性能需求进行微透镜阵列设计及优化；
S2、将微透镜阵列工件安装至机床主轴上，并将刀具安装在连接快速伺服机构的刀架上；
S3、对微透镜阵列各个单元进行区域划分；
S4、设计加工路径，对加工路径中切削存在尖角加速度反向逆变点进行路径平滑过渡；
S5、采用平滑过渡后的加工路径对微透镜阵列进行一个区域的透镜阵列进行超精密切削加工；
S6、采用同样方法依次对其他区域的透镜阵列进行S5步骤，直至所有区域加工完毕。
进一步，所述的微透镜阵列单元个数总数不低于2×2个，各个单元面形一致，均为平滑曲面，且口径形状一致，基面一般为平面、球面或者柱面，但不限于以上三种形状。
所述的快速伺服系统运动方向与透镜阵列切削深度方向一致，通过机床的直线导轨以及主轴旋转实现对微透镜阵列工件全口径区域的遍历。
所述的区域划分是指将透镜阵列各个单元进行分组，使得每一组中不存在连续两个透镜阵列单元，避免加工时伺服系统运动速度突变。
所述的平滑过渡路径是指采用插值替换的方式，对加工路径中不对工件进行材料去除的区域的路径进行平滑修正，避免加工路径尖角，从而消除加速度反向逆变点。所采用的插值方式需要满足衔接处的位置相同，以及一阶平滑，因此插值方法包括多项式插值法，Hermite插值法等。
所述的超精密切削加工方法包括但不限于超精密车削加工和超精密铣削加工。
本申请实施例中提供的方案具有如下技术效果或优点：
结构简单，使用方便，采用分区域超精密切削加工方法，避免了加工缺陷，很好地保证了微透镜阵列表面加工质量和均匀性，可以实现大口径、大面积微透镜阵列的高性能加工。并且平滑路径后可以提高轴系相应频率，适当提高主轴转速，有效提高加工效率。该方法不仅适用于传统机械加工材料，并且也适用于一些脆性材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请某一种实施例的结构示意图。
图1中，1、主轴，2、快速伺服系统机构，3、金刚石刀具，4、X方向运动导轨，5、Z方向运动导轨，6、微透镜阵列工件。
图2是微透镜阵列单元的口径形状及其分布种类。
图2中，(a)是圆口径单元，水平方向分布；(b)是圆口径单元，六边形方向分布；(c)是圆口径单元，水平方向分布；(d)是六边形口径单元，六边形方向分布。
图3是微透镜阵列区域划分示意图，在加工过程中每次只加工一个区域，经过多次循环完成对所有微透镜单元的加工。
图4是加工路径平滑过渡示意图，基于图3的区域划分，通过路径平滑，对单次加工不涉及切削的区域进行加工路径平滑过渡，避免加工路径跳变造成加工缺陷。
具体实施方式
本发明提供了一种微透镜阵列的加工方法，利用超精密机床及伺服运动机构，通过对微透镜阵列合适的分区域与加工路径平滑，避免了加工缺陷，很好地保证了微透镜阵列表面加工质量和均匀性，可以实现大口径、大面积微透镜阵列的高性能加工，有效提高加工效率，扩展了加工所用材料。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本实施例所述的微透镜阵列加工装置，包括主轴1、微透镜阵列6、快速伺服机构2、金刚石刀具3，所述的超精密机床上安装有主轴1，微透镜阵列通过夹具连接吸附在主轴上，金刚石刀具3与快速伺服机构2连接。
其中，在实际应用中，微透镜阵列工件几何中心放置在主轴轴线上。
其中，在实际应用中，所述的金刚石刀具3连接有快速伺服机构2，实际加工时主轴1旋转与机床X轴4的进给运动实现对微透镜阵列口径的遍历，快速伺服机构与机床主轴1的旋转角与机床X轴4的位置同步运动，对微透镜阵列进行切削成形。
其中，在实际应用中，所述的快速伺服系统机构是指其中，在实际应用中，按照微透镜阵列各单元分布规律将其分成多个区域，实施例中为3个，避免各区域中的微透镜单元存在无缝隙连接。
其中，在实际应用中，对各区域非切削成形区域的刀具路径进行平滑过渡，致使刀具路径中不存在尖角形成机床加速度逆变点。
本实施例所述的一种微透镜阵列的超精密切削加工方法，其实现步骤为：
S1、根据基本光学性能需求进行微透镜阵列设计及优化；
S2、将微透镜阵列工件安装至机床主轴上，并将刀具安装在连接快速伺服机构的刀架上；
S3、对微透镜阵列各个单元进行区域划分；
S4、设计加工路径，对加工路径中切削存在尖角加速度反向逆变点进行路径平滑过渡；
S5、采用平滑过渡后的加工路径对微透镜阵列进行一个区域的透镜阵列进行超精密切削加工；
S6、采用同样方法依次对其他区域的透镜阵列进行S5步骤，直至所有区域加工完毕。
所述微透镜阵列单元的口径形状及其分布种类如图2所示，包括但不限于：(a)圆口径单元，水平方向分布；(b)圆口径单元，六边形方向分布；(c)圆口径单元，水平方向分布；(d)六边形口径单元，六边形方向分布。在本实施例中，单元各个单元口径为图2(c)中的六边形，且互相连接，没有间隙，所在基底为平面。
在本实施例中，所述的区域划分如图3所示，将待加工微透镜阵列分成三个区域，分成三次加工，加工完区域I后，旋转120°采用同样的方法加工区域II，然后再旋转120°加工区域III，并完成加工。
在本实施例中，所述的平滑过渡加工路径是指采用插值替换的方式，如图4所示，对加工路径中不对工件进行材料去除的区域的路径进行平滑修正，这里采用的插值方法为Hermite插值法，其表达式为
H 2n+1(ξ) = Σnj=0α j (ξ)z j + Σnj=0β j (ξ)z j (1)
其中α j 和β j 为2n + 1阶多项式，用于保证插值处一阶可导，形成平滑路径，经过插值平滑过渡后的加工路可以避免加工中路径突变导致的加工缺陷。
以上所述，仅为本发明专利的具体实施方式，但本发明专利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专利揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种针对微透镜阵列的超精密加工装置(18JCTPJC52100)，其特征在于：包括主轴、透镜阵列工件、快速伺服系统机构、刀架和金刚石刀具，所述的超精密车床上安装有所述的主轴，所述的微透镜阵列选为但不限于平面基底阵列，其单元口径形状选为六边形但不仅限于六边形，单元面形选为但不限于凹球面，刀架上安装有所述的金刚石刀具，金刚石刀具与快速伺服系统机构连接。
2.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述的主轴的旋转轴和微透镜阵列的几何中心轴线同轴。
3.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述的金刚石刀具安装在快速伺服机构上。
4.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述的微透镜阵列为平面基底阵列。
5.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述的微透镜阵列单元口径形状为六边形。
6.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述下沉部的数量为6个。
7.根据权利要求1所述的针对微透镜阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述的微透镜阵列单元面形为凹球面。
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