CN111452227B - 一种非球面柱面镜的加工方法 - Google Patents

一种非球面柱面镜的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种非球面柱面镜的加工方法，通过在机床工作台上自下而上依次安装的粗调位移平台和精调位移平台，实现Y轴方向的进给；首先通过调节精调位移平台进行加工，当到达精调位移平台的量程M后，下调精调位移平台并上调粗调位移平台，并通过精度校正，使刀尖与测量块的基准面重合，然后再通过不断调节精调位移平台实现Y轴方向高精度的进给，并通过不断重复上述步骤完成非球面柱面镜的加工。本发明通过采用将精调位移平台和粗调位移平台相结合，实现Y轴方向的高精度进给的形式，实现在两轴超精密机床上完成低成本、高精度、大深径比的非球面柱面镜的加工。

Description

一种非球面柱面镜的加工方法
技术领域
本发明涉及精密光学元件加工领域，特别是涉及一种非球面柱面镜的加工方法。
背景技术
目前，非球面柱面镜的加工方法有慢刀伺服车削、慢刀伺服铣削和超精密刨削三种加工方法。慢刀伺服车削是通过X轴、Z轴两个直线轴和回转轴C轴联动，使单晶金刚石车刀在工件表面雕刻出非球面柱面镜的加工方法；慢刀伺服铣削是在机床上增加高速铣削轴附件，再将金刚石铣刀装在铣削轴上，通过直线轴X轴、Z轴和回转轴C轴联动，使高速回转的金刚石铣刀在工件表面拟合加工出非球面柱面镜；超精密刨削是通过X轴、Z轴和Y轴三个直线轴联动拟合完成非球面柱面镜加工。
慢刀伺服车削虽然可以较高精度的完成非球面柱面镜的加工，但由于受到刀具后角的影响，不能加工大深径比非球面柱面镜；慢刀伺服铣削加工不受刀具后角的影响，可以实现大深径比非球面柱面镜的加工，但是由于受到C轴轨迹点不均匀分布的影响，加工精度低；超精密刨削可以实现高精度、大深径比的非球面柱面镜的加工，但需要三个高精度直线轴，X轴、Y轴和Z轴。而在机床上集成三个高精度的直线轴使得机床的制造成本极大的提高，同时，当非球面柱面镜的深度大于Y轴的量程时，超精密刨削加工也无法完成高精度、大深径比(深度大于Y轴量程)的非球面柱面镜的加工。
综上，上述三种加工方式存在加工范围受限、精度不够高或成本高的问题，因此，我们需要一种能够实现低成本、高精度、大深径比的非球面柱面镜的加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种非球面柱面镜的加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现低成本、高精度、大深径比的非球面柱面镜的加工。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种非球面柱面镜的加工方法，所用设备为两轴超精密机床，所述两轴超精密机床具有两个超精密直线轴X轴和Z轴，所述两轴超精密机床的机床主轴上安装有刀具；包括以下步骤，
步骤S01：在机床工作台上自下而上依次安装粗调位移平台和精调位移平台，将测量块和工件均固定在所述精调位移平台上，所述精调位移平台和所述粗调位移平台均用于Y轴方向的进给；
步骤S02：为使所述测量块和所述工件的顶面位于同一基准面A0上，对所述粗调位移平台调节、固定后，对所述工件和所述测量块进行平整加工；
步骤S03：沿Y轴方向每上调一次所述精调位移平台后，通过所述刀具在X方向和Z方向的进给运动完成一次所述测量块的平整加工，再通过所述刀具在X方向和Z方向的进给运动完成一层所述工件材料的去除；当所述工件的加工深度小于所述精调位移平台的量程M时，通过此步骤完成非球面柱面镜的加工；当所述工件的加工深度大于所述精调位移平台的量程M时，通过此步骤持续加工到所述精调位移平台的量程M，此时，所述测量块的上表面为基准面A1，所述刀具的刀尖与所述基准面A1平齐；
步骤S04：将所述精调位移平台下调H1，所述粗调位移平台上调H2，此时，所述刀尖距所述基准面A1的理论距离为H1-H2；对所述理论距离进行精度校正，得到校正距离H3；根据校正距离H3，调节所述精调位移平台，使所述刀尖与所述基准面A1重合；
步骤S05：重复步骤S03-S04，直到完成整个非球面柱面镜的加工，得到最终的非球面柱面镜。
优选地，所述刀具的刀头为圆弧形，步骤S04中H2＞H1，精度校正的过程为，通过所述刀具在所述测量块的任一位置飞切加工出一个圆弧槽；通过测量仪测量出圆弧槽的宽度W，并计算出圆弧槽的深度，所述圆弧槽的深度即为校正距离H3。
优选地，在步骤S04中，H1的取值范围为M-10μm～M-5μm，H2取值范围为H1+2μm～H1+3μm。
优选地，所述测量仪选用CCD在位测量显微镜。
优选地，步骤S01中还包括，所述精调位移平台的量程M在百微米范围，分辨率为十纳米级，所述粗调位移平台的分辨率为一微米级。
优选地，步骤S02和步骤S03中的加工方式采用飞切加工。
优选地，还包括步骤S06：将步骤S01-S05在Z方向上重复，直至完成非球面柱面镜阵列的加工，得到非球面柱面镜阵列。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种非球面柱面镜的加工方法，该方法通过在机床工作台上安装精调位移平台和粗调位移平台的形式，实现Y轴方向进给，从而实现在加工成本较低的两轴超精密机床上完成非球面柱面镜的加工，以解决超精密刨削加工需要在集成有三个高精度直线轴的机床上进行，从而使加工成本增加的问题；通过在加工深度大于精调位移平台的量程时，下调精调位移平台，并通过上调粗调位移平台补偿精调位移平台下调的位移，再通过精度校正保证刀尖和测量块上表面重合形式，实现大深径比、Y轴方向加工深度较大的非球面柱面镜的高精度加工，解决了慢刀伺服车削不能加工大深径比的非球面柱面镜、超精密刨削不能加工深度大于Y轴量程的非球面柱面镜以及慢刀伺服铣削加工精度低的问题。
本发明还通过在精度校正过程中，采用在测量块上飞切加工出圆弧槽后，对圆弧槽的宽度进行高精度测量，并通过计算得到圆弧槽深度的形式，保证得到的刀尖距测量块上表面的距离更加精确，依据此精确距离进行精调位移平台的调节后，保证刀尖和测量块上表面重合，从而保证了整个加工过程在Y轴方向上的高精度。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为步骤S01示意图；
图2为步骤S02示意图；
图3为步骤S03示意图；
图4为步骤S04示意图；
图5为步骤S05示意图；
图6为步骤S06示意图；
其中，1为机床主轴，2为刀具，3为机床工作台，4为粗调位移平台，5为精调位移平台，6为测量块，7为工件，8为精调控制装置，9为CCD在位测量显微镜，10为测量控制装置。
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。
本发明的目的是提供一种非球面柱面镜的加工方法，以解决现有技术存在的问题，实现低成本、高精度、大深径比的非球面柱面镜的加工。
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。
实施例一
如图1-图5所示，本实施例提供一种非球面柱面镜的加工方法，所用设备为两轴超精密机床，两轴超精密机床具有两个超精密直线轴X轴和Z轴，在两轴超精密机床的机床主轴1上安装有刀具2，本实施例中刀具2优选刀头为圆弧形的金刚石刀具；具体包括以下步骤：
步骤S01，如图1所示，在机床工作台3上放置一个粗调位移平台4和一个精调位移平台5，精调位移平台5放置在粗调位移平台4上。通过使粗调位移平台4的下表面紧贴机床工作台3的上表面、精调位移平台5的下表面紧贴粗调位移平台4的上表面，使精调位移平台5的上表面处于严格的水平状态。其中，粗调位移平台4的量程较大，可满足加工深度的需求，但是分辨率较低，本实施例中优选最小分辨率在1μm级；精调位移平台5的量程M较小，本实施例中优选精调位移平台5的量程M在百微米范围内，分辨率在10纳米级。精调位移平台5与精调控制装置8电联接，通过精调控制装置8的控制进行上下位移的精确调节。将工件7和测量块6均固定在精调位移平台5上，工件7和测量块6的下表面均与精调位移平台5的上表面紧密贴合，精调位移平台5和粗调位移平台4均用于Y轴方向进给。
步骤S02，如图2所示，为使测量块6和工件7的顶面位于同一基准面A0上，对粗调位移平台4调节、固定后，对工件7和测量块6进行平整加工。本实施例中优选采用飞切的加工方式进行平整加工，当然也可以采用机床主轴1不旋转的刨削的形式进行平整加工。
步骤S03，如图3所示，将粗调位移平台4在Y轴方向固定，并将精调位移平台5向上调节Δh纳米，首先完成测量块6的平整加工。接着，将刀具2移到A位置，通过X方向的飞切运动与Z方向的进给运动相结合使刀具2运动到B位置，并通过在X方向重复上述运动，完成第一层材料的去除，此时刀具2的刀尖与测量块6上表面完全重合。再将精调位移平台向上调节Δh纳米，在完成测量块6的平整加工后，将刀具移到C位置，再通过X方向的飞切运动与Z方向的进给运动相结合使刀具2运动到D位置，并完成第二层材料的去除，此时，刀尖与测量块6上表面完全重合。当工件7的加工深度小于精调位移平台5的量程M时，通过此步骤完成非球面柱面镜的加工；当工件的加工深度大于精调位移平台5的量程M时，重复以上步骤，直到精调位移平台5的高度达到精调位移平台5的量程M。精调位移平台5的高度达到精调位移平台5的量程M后，首先完成测量块6的平整加工，假设此时刀具位于E位置，通过X方向的飞切运动与Z方向的进给运动相结合使刀具2运动到F位置，并完成该层材料的去除。此时，测量块6的上表面为基准面A1，刀尖与基准面A1完全重合。本实施例中，飞切运动也可以替换成机床主轴1不旋转的刨削的形式进行加工。
步骤S04，如图4所示，将精调位移平台5向下调节H1，H1的取值范围为M-10μm～M-5μm，即精调位移平台5从高度M调节到高度5～10μm，同时将粗调位移平台向上调节H2，H2的取值为H1+2μm～H1+3μm。本实施例中，优选H1为M-5μm，H2为M-3μm，此时，理论上刀具的刀尖位于测量块6的基准面A1下2μm，但由于粗调位移平台4的精度在1μm级，因此，此时刀尖距离测量块6的基准面A1的距离2μm不是个精确值，且误差在1μm左右，需要对刀尖距离基准面A1的距离进行精度校正。作为本实施例中一个优选的实施方式，精度校正的过程具体为：将刀具2移动到测量块6的任一位置，并在测量块6上飞切加工出一个圆弧形凹槽。通过CCD在位测量显微镜9测量出圆弧形凹槽的宽度W，CCD在位测量显微镜9通过测量控制装置10的控制进行测量并读取数据，根据圆弧形凹槽的宽度W，利用几何关系计算出圆弧形凹槽的深度，该深度即为刀尖距离基准面A1的校正距离H3。再通过将精调位移平台5向下调节H3，使刀具刀尖与基准面A1完全重合。
步骤S05，重复步骤S03～步骤S04，从而完成非球面柱面镜的加工，如图5所示。
通过以上的加工方法，能够实现大深径比、加工深度大于Y轴的量程的高精度非球面柱面镜的加工；同时该方法在两轴超精密机床上进行，还极大的降低了非球面柱面镜的加工成本。
实施例二
如图6所示，在实施例一的基础上，还包括步骤S06，将步骤S01～步骤S05在Z方向上重复，从而得到非球面柱面镜阵列的加工。
通过上述方法不但实现了大深径比、加工深度大于Y轴量程的非球面柱面镜阵列的加工，而且阵列的一致性高，从而能够得到高精度的非球面柱面镜阵列。
本发明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)

1.一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：所用设备为两轴超精密机床，所述两轴超精密机床具有两个超精密直线轴X轴和Z轴，所述两轴超精密机床的机床主轴上安装有刀具；包括以下步骤，
步骤S01：在机床工作台上自下而上依次安装粗调位移平台和精调位移平台，将测量块和工件均固定在所述精调位移平台上，所述精调位移平台和所述粗调位移平台均用于Y轴方向的进给；
步骤S02：为使所述测量块和所述工件的顶面位于同一基准面A0上，对所述粗调位移平台调节、固定后，对所述工件和所述测量块进行平整加工；
步骤S03：沿Y轴方向每上调一次所述精调位移平台后，通过所述刀具在X方向和Z方向的进给运动完成一次所述测量块的平整加工，再通过所述刀具在X方向和Z方向的进给运动完成一层所述工件材料的去除；当所述工件的加工深度小于所述精调位移平台的量程M时，通过此步骤完成非球面柱面镜的加工；当所述工件的加工深度大于所述精调位移平台的量程M时，通过此步骤持续加工到所述精调位移平台的量程M，此时，所述测量块的上表面为基准面A1，所述刀具的刀尖与所述基准面A1平齐；
步骤S04：将所述精调位移平台下调H1，所述粗调位移平台上调H2，此时，所述刀尖距所述基准面A1的理论距离为H1-H2；对所述理论距离进行精度校正，得到校正距离H3；根据校正距离H3，调节所述精调位移平台，使所述刀尖与所述基准面A1重合；
步骤S05：重复步骤S03-S04，直到完成整个非球面柱面镜的加工，得到最终的非球面柱面镜。
2.根据权利要求1所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：所述刀具的刀头为圆弧形，步骤S04中H2＞H1，精度校正的过程为，通过所述刀具在所述测量块的任一位置飞切加工出一个圆弧槽；通过测量仪测量出圆弧槽的宽度W，并计算出圆弧槽的深度，所述圆弧槽的深度即为校正距离H3。
3.根据权利要求2所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：在步骤S04中，H1的取值范围为M-10μm～M-5μm，H2取值范围为H1+2μm～H1+3μm。
4.根据权利要求2所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：所述测量仪选用CCD在位测量显微镜。
5.根据权利要求1所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤S01中还包括，所述精调位移平台的量程M在百微米范围，分辨率为十纳米级，所述粗调位移平台的分辨率为一微米级。
6.根据权利要求1所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤S02和步骤S03中的加工方式采用飞切加工。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种非球面柱面镜的加工方法，其特征在于：还包括步骤S06：将步骤S01-S05在Z方向上重复，直至完成非球面柱面镜阵列的加工，得到非球面柱面镜阵列。
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