CN111438564A - 一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法，涉及光学元件定轴加工技术领域，通过自准直光电定心仪、旋转工作台、龙门式精密三维运动组件、精密主轴加工组件和信息处理与控制系统等，实现了对异形光学元件的光轴定位加工，解决了目前异形光学元件加工中因多次换位装夹或拆分组合的累计误差引起的加工精度难以满足设计要求的问题，有效的提高了加工精度，同时实现了异形光学元件的直接加工，可以简化光学元件的结构设计，减少光学元件的数量，更利于提高光学系统的成像质量。

Description

一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件定轴加工技术领域，特别是涉及一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法。

背景技术

在复杂光学系统中，由于结构限制，常常需要带孔、台阶、沟槽和角度等复杂形状的异形光学元件来满足光学系统的需求，而所需的异形光学元件在常规加工过程中，通常采用分步多次加工或将一个元件拆分成几个元件，分别加工好后再组合的方式来完成，但经过多次换位装夹或拆分组合，在加工过程中的累计误差会使其光轴与光学元件的精度很难满足设计要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法，通过自准直光电定心仪、旋转工作台、龙门式精密三维运动组件、精密主轴加工组件和信息处理与控制系统等，实现对异形光学元件的光轴定位加工，减少装夹次数，避免拆分光学元件，从而降低累计加工误差的影响，提高加工精度，提升生产效率。

本发明采用先定心后加工的基本原理，实现光学元件光轴定位与外形加工一次装夹完成，从而将加工定位基准与光学元件实际使用基准保持一致。

一种异形光学元件光轴定位加工装置中设置自准直光电定心仪，用于确定光学元件的光轴中心；设置旋转工作台，工作台上设置万向调整装夹机构，便于调整光学元件光轴与自准直光电定心仪保持一致，并提供光学元件的旋转角度位置；设置龙门式精密三维运动组件，便于使加工组件处于所需的位置；设置精密主轴加工组件，通过更换不同的加工工具头，实现在光学元件上加工孔、台阶、沟槽和角度等复杂形状；设置信息处理与控制系统，通过处理上述各机构的信息，建立以自准直光电定心仪确定的光学元件光轴中心为基准的坐标系，并控制各机构根据需求进行相应的运动，实现异形光学元件的精密加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种异形光学元件光轴定位加工装置，主要包括基座、自准直光电定心仪、旋转工作台、龙门式精密三维运动组件、精密主轴加工组件和信息处理与控制系统，所述基座是定位加工装置的基础结构，设有各个机构的安装接口；所述自准直光电定心仪居中处于所述基座的一端，其光学中心轴线与所述基座的基面垂直；所述旋转工作台处于所述自准直光电定心仪下方的所述基座内，并保持所述旋转工作台的旋转轴线与所述自准直光电定心仪的光学中心轴线重合；所述龙门式精密三维运动组件居中处于所述基座与所述自准直光电定心仪对应的另一端，设有驱动机构和反馈检测机构；所述精密主轴加工组件处于所述龙门式精密三维运动组件上，可以根据需求更换不同类型的加工工具头；所述信息处理与控制系统通过导线与各机构通讯，根据获取的各机构参数，通过运算后下达进一步作业指令，再传递给各机构进行相应运动。

优选地，所述自准直光电定心仪包括定心仪支架、滑台、导轨副、丝杠、手轮、定心仪基体、光源、摄像机和物镜，所述定心仪支架与所述基座相连，所述滑台、所述导轨副、所述丝杠和所述手轮共同组成定心仪运动调节机构，居中处于所述定心仪支架内部，所述定心仪基体处于所述滑台上，且所述定心仪基体的光学中心轴线与所述基座的基面垂直，所述光源和所述物镜与所述定心仪基体的中心轴线重合，并分别处于所述定心仪基体的上下两端，所述摄像机的中心轴线与所述定心仪基体中心轴线垂直且相交。

优选地，所述旋转工作台包括驱动电机、回转主轴、旋转编码器、调整法兰轴、偏摆组件、平移组件和工作台，所述驱动电机为便于控制进给的步进电机，处于最底端，所述回转主轴与所述驱动电机相连，其为精密主轴，包括但不限于气体静压或液体静压式主轴，所述旋转编码器处于所述回转主轴的上端，用来确定工作台的旋转角度，便于控制待加工件的角度位置，所述调整法兰轴处于所述旋转编码器的上方，与所述回转主轴的内环连接，所述偏摆组件与所述调整法兰轴相连，用于实现光学元件光轴中心偏摆调整，所述平移组件处于所述偏摆组件的上方，用于实现光学元件光轴中心平移调整，所述工作台处于所述平移组件的上方，用于粘接固定待加工光学元件。

优选地，所述龙门式精密三维运动组件包括龙门支架、X向导轨、X向驱动电机、X向丝杠螺母、X向丝杠、X向光栅尺、Y向滑块、Y向导轨、Y向驱动电机、Y向丝杠螺母、Y向丝杠、Y向光栅尺、Z向导轨、Z向驱动电机、Z向丝杠螺母、Z向丝杠和Z向光栅尺，所述X向导轨均布于所述基座左右两边，所述龙门支架处于所述X向导轨上，所述X向驱动电机、所述X向丝杠螺母和所述X向丝杠组成驱动组件，处于所述基座一侧的所述X向导轨旁，用来驱动所述龙门支架沿X向运动，所述X向光栅尺处于所述基座另一侧的所述X向导轨旁，用来检测所述龙门支架的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述龙门支架的位置；所述Y向导轨上下均布于所述龙门支架横梁的侧边，所述Y向滑块处于所述Y向导轨上，所述Y向驱动电机、所述Y向丝杠螺母和所述Y向丝杠组成驱动组件，处于所述龙门支架横梁的上侧，用来驱动所述Y向滑块沿Y向运动，所述Y向光栅尺处于所述龙门支架横梁的下侧，用来检测所述Y向滑块的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述Y向滑块的位置；所述Z向导轨均布于所述Y向滑块左右两边，所述Z向驱动电机、所述Z向丝杠螺母和所述Z向丝杠组成驱动组件，处于所述Y向滑块一侧的所述Z向导轨旁，用来驱动所述精密主轴加工组件沿Z向运动，所述Z向光栅尺处于所述Y向滑块另一侧的所述Z向导轨旁，用来检测所述精密主轴加工组件的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述精密主轴加工组件的位置。

优选地，所述精密主轴加工组件包括驱动电机、精密主轴、Z向滑块和加工工具头，所述Z向滑块处于Z向导轨上，所述精密主轴为包括但不限于气体静压或液体静压式主轴，处于所述Z向滑块的中间，所述驱动电机处于所述精密主轴的上端，所述加工工具头安装于所述精密主轴的下端，用来对光学元件的加工，并且可根据需要更换不同的工具头。

优选地，所述信息处理与控制系统包括嵌入式工控计算机及其附属支撑、线缆、电源等硬件和控制软件。

一种异形光学元件光轴定位加工方法采用的技术方案如下：

步骤1，将待加工光学元件用UV胶初步定位固定在旋转工作台上；

步骤2，打开电源，接通自准直光电定心仪上的光源和摄像机，以及信息处理与控制系统；

步骤3，调整自准直光电定心仪上的物镜或滑台的位置，直至通过信息处理与控制系统的显示屏观察到光源清晰的自准直像；

步骤4，转动旋转工作台，通过信息处理与控制系统的显示屏观察光源经光学元件的反射像的变化情况，通过旋转工作台上的偏摆组件和平移组件调整光学元件的位置，直至光源的反射像不随精密回转主轴的转动而转动，或者其在一定公差范围内转动，则完成了光学元件的光轴定心；

步骤5，根据所需加工的特殊结构选用合适的加工工具头；

步骤6，在信息处理与控制系统中根据确定的光轴和旋转工作台的位置，以及所选加工工具头的尺寸建立加工坐标系；

步骤7，通过信息处理与控制系统运算处理位置信息，通过龙门三维运动组件和旋转工作台配合完成异形光学元件的加工。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

1、本发明的一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法，解决了目前异形光学元件加工中因多次换位装夹或拆分组合的累计误差引起的加工精度难以满足设计要求的问题，有效的提高了加工精度，提升生产效率；

2、本发明的一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法，可以实现异形光学元件的直接加工，无需再进行拆分，简化了光学元件的结构设计，减少了光学元件的数量，更利于提高光学系统的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明一种异形光学元件光轴定位加工装置系统示意图；

图2为本发明龙门式精密三维运动组件结构示意图；

图3为本发明精密主轴加工组件结构示意图；

图4为本发明旋转工作台结构示意图；

图5为本发明自准直光电定心仪结构示意图；

图6为本发明一种异形光学元件光轴定位加工方法的流程图。

附图标记说明：1、基座；2、旋转工作台；3、自准直光电定心仪；4、精密主轴加工组件；5、龙门式精密三维运动组件；6、信息处理与控制系统；7、龙门支架；8、X向导轨；9、X向驱动电机；10、X向丝杠螺母；11、X向丝杠；12、X向光栅尺；13、Y向滑块；14、Y向导轨；15、Y向驱动电机；16、Y向丝杠螺母；17、Y向丝杠；18、Y向光栅尺；19、Z向导轨；20、Z向驱动电机；21、Z向丝杠螺母；22、Z向丝杠；23、Z向光栅尺；24、驱动电机；25、精密主轴；26、Z向滑块；27、加工工具头；28、驱动电机；29、回转主轴；30、旋转编码器；31、调整法兰轴；32、偏摆组件；33、平移组件；34、工作台；35、待加工光学元件；36、定心仪支架；37、滑台；38、导轨副；39、丝杠；40、手轮；41、光源；42、摄像机；43、定心仪基体；44、物镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供一种异形光学元件光轴定位加工装置及方法，解决了目前异形光学元件加工中因多次换位装夹或拆分组合的累计误差引起的加工精度难以满足设计要求的问题，有效的提高了加工精度，并且实现了异形光学元件的直接加工，无需再进行拆分，简化了光学元件的结构设计，减少了光学元件的数量，更利于提高光学系统的成像质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种异形光学元件光轴定位加工装置，包括基座1、旋转工作台2、自准直光电定心仪3、精密主轴加工组件4、龙门式精密三维运动组件5和信息处理与控制系统6；其中基座1是定位加工装置的基础结构，设有各个机构的安装接口；自准直光电定心仪3居中处于基座1的一端，其光学中心轴线与基座1的基面垂直；旋转工作台2处于自准直光电定心仪3下方的基座1内，并保持旋转工作台2的旋转轴线与自准直光电定心仪3的光学中心轴线重合；龙门式精密三维运动组件5居中处于基座1与自准直光电定心仪3对应的另一端，设有驱动机构和反馈检测机构；精密主轴加工组件4处于龙门式精密三维运动组件5上，可以根据需求更换不同类型的加工工具头；信息处理与控制系统6通过导线与各机构通讯，根据获取的各机构参数，通过运算后下达进一步作业指令，再传递给各机构进行相应运动。

如图1、5所示，自准直光电定心仪3包括定心仪支架36、滑台37、导轨副38、丝杠39、手轮40、光源41、摄像机42、定心仪基体43和物镜44；其中定心仪支架36与基座1相连；滑台37、导轨副38、丝杠39和手轮40共同组成定心仪运动调节机构，居中处于定心仪支架36内部；定心仪基体43处于滑台37上，且定心仪基体43的光学中心轴线与基座1的基面垂直；光源41和物镜44与定心仪基体43的中心轴线重合，并分别处于定心仪基体43的上下两端；摄像机42的中心轴线与定心仪基体43中心轴线垂直且相交。

如图4所示，旋转工作台2包括驱动电机28、回转主轴29、旋转编码器30、调整法兰轴31、偏摆组件32、平移组件33和工作台34；驱动电机28为便于控制进给的步进电机，处于最底端；回转主轴29与驱动电机28相连，其为精密主轴，包括但不限于气体静压或液体静压式主轴；旋转编码器30处于回转主轴29的上端，用来确定工作台34的旋转角度，便于控制待加工光学元件35的角度位置；调整法兰轴31处于旋转编码器30的上方，与回转主轴29的内环连接；偏摆组件32与调整法兰轴31相连，用于实现光学元件光轴中心偏摆调整；平移组件33处于偏摆组件32的上方，用于实现光学元件光轴中心平移调整；工作台34处于平移组件33的上方，用于粘接固定待加工光学元件35。

如图1、2所示，龙门式精密三维运动组件5包括龙门支架7、X向导轨8、X向驱动电机9、X向丝杠螺母10、X向丝杠11、X向光栅尺12、Y向滑块13、Y向导轨14、Y向驱动电机15、Y向丝杠螺母16、Y向丝杠17、Y向光栅尺18、Z向导轨19、Z向驱动电机20、Z向丝杠螺母21、Z向丝杠22和Z向光栅尺23；其中X向导轨8均布于基座1左右两边，龙门支架7处于X向导轨8上，X向驱动电机9、X向丝杠螺母10和X向丝杠11组成驱动组件，处于基座1一侧的X向导轨8旁，用来驱动龙门支架7沿X向运动，X向光栅尺12处于基座1另一侧的X向导轨8旁，用来检测龙门支架7的位置状态，并传送给信息处理与控制系统6，便于控制龙门支架7的位置；Y向导轨14上下均布于龙门支架7横梁的侧边，Y向滑块13处于Y向导轨14上，Y向驱动电机15、Y向丝杠螺母16和Y向丝杠17组成驱动组件，处于龙门支架7横梁的上侧，用来驱动Y向滑块13沿Y向运动，Y向光栅尺18处于龙门支架7横梁的下侧，用来检测Y向滑块13的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制Y向滑块13的位置；Z向导轨19均布于Y向滑块13左右两边，Z向驱动电机20、Z向丝杠螺母21和Z向丝杠22组成驱动组件，处于Y向滑块13一侧的Z向导轨19旁，用来驱动精密主轴加工组件4沿Z向运动，Z向光栅尺23处于Y向滑块13另一侧的Z向导轨19旁，用来检测精密主轴加工组件4的位置状态，并传送给信息处理与控制系统6，便于控制所述精密主轴加工组件4的位置。

如图2、3所示，精密主轴加工组件4包括驱动电机24、Z向滑块25、精密主轴26和加工工具头27；其中Z向滑块25处于Z向导轨19上；精密主轴26为包括但不限于气体静压或液体静压式主轴，处于Z向滑块25的中间；驱动电机24处于精密主轴26的上端，加工工具头27安装于精密主轴26的下端，用来对光学元件的加工，并且可根据需要更换不同的工具头。

信息处理与控制系统6包括嵌入式工控计算机及其附属支撑、线缆、电源等硬件和控制软件（图中未示）。

如图6所示，本发明还提供了一种异形光学元件光轴定位加工方法，结合本发明的工作过程作进一步详细的说明：

步骤1，将待加工光学元件35用UV胶初步定位固定在旋转工作台2上；

步骤2，打开电源，接通自准直光电定心仪3上的光源41和摄像机42，以及信息处理与控制系统6；

步骤3，调整自准直光电定心仪3上的物镜44或滑台37的位置，直至通过信息处理与控制系统6的显示屏观察到光源44清晰的自准直像；

步骤4，转动旋转工作台2，通过信息处理与控制系统6的显示屏观察光源41经光学元件的反射像的变化情况，通过旋转工作台2上的偏摆组件32和平移组件33调整光学元件35的位置，直至光源41的反射像不随精密回转主轴29的转动而转动，或者其在一定公差范围内转动，则完成了光学元件35的光轴定心；

步骤5，根据所需加工的特殊结构选用合适的加工工具头27；

步骤6，在信息处理与控制系统6中根据确定的光轴和旋转工作台2的位置，以及所选加工工具头27的尺寸建立加工坐标系；

步骤7，通过信息处理与控制系统6运算处理位置信息，通过龙门三维运动组件5和旋转工作台2配合完成异形光学元件的加工。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，包括基座、自准直光电定心仪、旋转工作台、龙门式精密三维运动组件、精密主轴加工组件和信息处理与控制系统；所述基座是定位加工装置的基础结构，设有各个机构的安装接口；所述自准直光电定心仪居中处于所述基座的一端，其光学中心轴线与所述基座的基面垂直；所述旋转工作台处于所述自准直光电定心仪下方的所述基座内，并保持所述旋转工作台的旋转轴线与所述自准直光电定心仪的光学中心轴线重合；所述龙门式精密三维运动组件居中处于所述基座与所述自准直光电定心仪对应的另一端，设有驱动机构和反馈检测机构；所述精密主轴加工组件处于所述龙门式精密三维运动组件上，可以根据需求更换不同类型的加工工具头；所述信息处理与控制系统通过导线与各机构通讯，根据获取的各机构参数，通过运算后下达进一步作业指令，再传递给各机构进行相应运动。

2.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，所述自准直光电定心仪包括定心仪支架、滑台、导轨副、丝杠、手轮、定心仪基体、光源、摄像机和物镜，所述定心仪支架与所述基座相连，所述滑台、所述导轨副、所述丝杠和所述手轮共同组成定心仪运动调节机构，居中处于所述定心仪支架内部，所述定心仪基体处于所述滑台上，且所述定心仪基体的光学中心轴线与所述基座的基面垂直，所述光源和所述物镜与所述定心仪基体的中心轴线重合，并分别处于所述定心仪基体的上下两端，所述摄像机的中心轴线与所述定心仪基体中心轴线垂直且相交。

3.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，所述旋转工作台包括驱动电机、回转主轴、旋转编码器、调整法兰轴、偏摆组件、平移组件和工作台，所述驱动电机为便于控制进给的步进电机，处于最底端，所述回转主轴与所述驱动电机相连，其为精密主轴，包括但不限于气体静压或液体静压式主轴，所述旋转编码器处于所述回转主轴的上端，用来确定工作台的旋转角度，便于控制待加工件的角度位置，所述调整法兰轴处于所述旋转编码器的上方，与所述回转主轴的内环连接，所述偏摆组件与所述调整法兰轴相连，用于实现光学元件光轴中心偏摆调整，所述平移组件处于所述偏摆组件的上方，用于实现光学元件光轴中心平移调整，所述工作台处于所述平移组件的上方，用于粘接固定待加工光学元件。

4.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，所述龙门式精密三维运动组件包括龙门支架、X向导轨、X向驱动电机、X向丝杠螺母、X向丝杠、X向光栅尺、Y向滑块、Y向导轨、Y向驱动电机、Y向丝杠螺母、Y向丝杠、Y向光栅尺、Z向导轨、Z向驱动电机、Z向丝杠螺母、Z向丝杠和Z向光栅尺，所述X向导轨均布于所述基座左右两边，所述龙门支架处于所述X向导轨上，所述X向驱动电机、所述X向丝杠螺母和所述X向丝杠组成驱动组件，处于所述基座一侧的所述X向导轨旁，用来驱动所述龙门支架沿X向运动，所述X向光栅尺处于所述基座另一侧的所述X向导轨旁，用来检测所述龙门支架的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述龙门支架的位置；所述Y向导轨上下均布于所述龙门支架横梁的侧边，所述Y向滑块处于所述Y向导轨上，所述Y向驱动电机、所述Y向丝杠螺母和所述Y向丝杠组成驱动组件，处于所述龙门支架横梁的上侧，用来驱动所述Y向滑块沿Y向运动，所述Y向光栅尺处于所述龙门支架横梁的下侧，用来检测所述Y向滑块的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述Y向滑块的位置；所述Z向导轨均布于所述Y向滑块左右两边，所述Z向驱动电机、所述Z向丝杠螺母和所述Z向丝杠组成驱动组件，处于所述Y向滑块一侧的所述Z向导轨旁，用来驱动所述精密主轴加工组件沿Z向运动，所述Z向光栅尺处于所述Y向滑块另一侧的所述Z向导轨旁，用来检测所述精密主轴加工组件的位置状态，并传送给所述信息处理与控制系统，便于控制所述精密主轴加工组件的位置。

5.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，所述精密主轴加工组件包括驱动电机、精密主轴、Z向滑块和加工工具头，所述Z向滑块处于Z向导轨上，所述精密主轴为包括但不限于气体静压或液体静压式主轴，处于所述Z向滑块的中间，所述驱动电机处于所述精密主轴的上端，所述加工工具头安装于所述精密主轴的下端，用来对光学元件的加工，并且可根据需要更换不同的工具头。

6.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置，其特征在于，所述信息处理与控制系统包括嵌入式工控计算机及其附属支撑、线缆、电源等硬件和控制软件。

7.根据权利要求1所述的一种异形光学元件光轴定位加工装置的定位加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将待加工光学元件用UV胶初步定位固定在旋转工作台上；

步骤2，打开电源，接通自准直光电定心仪上的光源和摄像机，以及信息处理与控制系统；

步骤3，调整自准直光电定心仪上的物镜或滑台的位置，直至通过信息处理与控制系统的显示屏观察到光源清晰的自准直像；

步骤4，转动旋转工作台，通过信息处理与控制系统的显示屏观察光源经光学元件的反射像的变化情况，通过旋转工作台上的偏摆组件和平移组件调整光学元件的位置，直至光源的反射像不随精密回转主轴的转动而转动，或者其在一定公差范围内转动，则完成了光学元件的光轴定心；

步骤5，根据所需加工的特殊结构选用合适的加工工具头；

步骤6，在信息处理与控制系统中根据确定的光轴和旋转工作台的位置，以及所选加工工具头的尺寸建立加工坐标系；

步骤7，通过信息处理与控制系统运算处理位置信息，通过龙门三维运动组件和旋转工作台配合完成异形光学元件的加工。

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