CN113984207B - 一种像切分器的飞刀加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像切分器的飞刀加工方法，解决了传统光学加工每个子切片相对独立，胶合时需要同时进行俯仰、偏摆和离焦量的调节，装调繁琐，胶合装配的难度越来越大，精度也受影响的弊端，其技术方案要点是对像切分器进行加工部分划分并进行编号，根据对应加工部分在原工件坐标系中的离轴量和加工位置计算对应的加工截面轮廓半径，再通过进行刀具半径补偿计算获取飞刀轨迹半径，根据像切分器水平方向的离轴量确定轨迹的起始点和终点坐标，以此完成垂直方向进给和水平轮廓进给，完成其中一条轮廓线的飞切加工，以此类推，完成整个面形加工，本发明能省去繁琐装配，加工操作更加便捷、效率高、子切面之间的相对精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及光学自由曲面制造技术，特别涉及一种像切分器的飞刀加工方法。
背景技术
传统意义上的光谱仪是通过狭缝在线视场上采样获得光谱像，无论是单狭缝还是多狭缝光谱仪得到的都是观测目标的二维信息，只有通过多次曝光及分次扫描才能得到展源(面源)的三维信息，这需花费大量的观测时间，且同一展源的光谱不是同时观测得到的。而积分视场光谱仪将二维视场内的展源目标连续切割成若干单元，并在二维视场上采样重新排列后进入光谱仪,通过单次曝光就能够同时获得展源的三维信息。因此，基于三维成像光谱的技术优势,自20世纪末国际上相继研制出了多种不同类型的三维成像光谱技术系统，如光纤系统、小透镜阵系统、光纤加小透镜阵系统、像切分器系统等等。在诸多三维成像光谱技术中，像切分器方法的光学传输率高、尺寸小、便于低温冷却，特别适用于红外光谱仪。此外，像切分器方法大大提高了光谱在探测器上的分布密度,提高了探测器焦面阵列的利用率，其高分辨率和高空间覆盖率特性为其它方法无法比拟，因此，基于像切分器的积分视场光谱技术是目前国际上主流应用技术。
像切分器由多个球面切片镜阵列而成，每个子切片反射镜为凹球面的一部分，相邻切片之间件隔一定的角度，以球面中心为轴呈相邻螺旋形渐次变化。子切片反射镜根据其曲率将像面分割引向不同的子光路组件，最后按照一定要求再将各不同子光路的像面重新拼接起来。像切分器切片的数量决定了通道数量，从而决定了积分视场单元的规模和制作装配难度。该元件特殊离散的表面结构虽然使其与传统光学元件相比具有不可比拟的性能优势，但这也给其超精密加工带来了极大的困难和挑战。
采用传统光学加工技术时，像切分器一般采用玻璃材料，每个子切片单独加工，然后再切割，最后胶合到一起。采用传统光学加工方法的优点是可以通过抛光获得亚纳米级别的表面粗糙度，面形精度高，但是其缺点也是显而易见的，每个子切片相对独立，胶合时需要同时进行俯仰、偏摆和离焦量的调节，装调繁琐，随着子切片的厚度变薄和数量的增多，胶合装配的难度越来越大。
发明内容
本发明的目的是提供一种像切分器的飞刀加工方法，能省去繁琐装配，加工操作更加便捷、效率高、子切面之间的相对精度更高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种像切分器的飞刀加工方法，包括有以下步骤：
将像切分器原工件划分为上下两个加工部分，并对每部分的各子切片分别进行编号；
将原工件安装至机床主轴，根据待加工部分的子切片在原工件坐标系中的离轴量和加工位置，确定每一个子切片加工截面轮廓数据，计算获取对应飞刀轨迹半径，并确定飞刀路径；
根据飞刀轨迹半径和飞刀路径，完成对应子切片一条轮廓线的轨迹飞刀加工，重复加工直至该待加工部分的子切片全部完成轨迹加工；
调整机床主轴角度，更换工件加工部分，重新计算并进行轨迹加工，直至完成工件的整个面形加工。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
对像切分器进行加工部分的划分并编号，通过计算和轨迹加工，能一次性完成对应部分子切片的加工，省去了繁琐的装配时间，所有的子切片的面形一次装夹后全部加工出来，加工效率高，加工操作更加的便捷，且子切面之间的相对位置精度也更高。
附图说明
图1是为像切分器坐标系示意图；
图2为像切分器坐标系俯视图图；
图3为像切分器计算截面轮廓半径的方法示意图；
图4为关于刀具半径补偿的示意图；
图5为计算路径起讫点的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
根据一个或多个实施例，公开了一种像切分器的飞刀加工方法，包括有以下步骤：
将像切分器原工件划分上下两个加工部分，并对每部分的各子切片分别进行编号；
将原工件安装至机床主轴，根据待加工部分的子切片在原工件坐标系中的离轴量和加工位置，确定每一个子切片加工截面轮廓数据，计算获取对应飞刀轨迹半径，并确定飞刀路径；
根据飞刀轨迹半径和飞刀路径，完成对应子切片一条轮廓线的轨迹飞刀加工，重复加工直至该待加工部分的子切片全部完成轨迹加工；
调整机床主轴角度，更换工件加工部分，重新计算并进行轨迹加工，直至完成工件的整个面形加工。
具体的，如图1及图2所示，将原工件安装至机床主轴上，原工件中心与机床主轴轴线重合，调整主轴角度，使得工件长轴方向水平，锁定主轴角度。将像切分器原工件划分为上下两部分，以像切分器原工件的面形中心作为坐标原点，沿着工件长轴水平方向作为X轴，子切片排列的水平方向作为Y轴，子切片的厚度方向作为Z轴。以原工件的坐标原点为计数起点，上、下两部分每一个子切片分别编号为上1、上2、…、上N，下1、下2、…-下N。
安装后，对上部分的子切片进行计算加工。具体为：
a1、根据每一个子切片的厚度W和飞切垂直方向进给量dh，确定每一个子切片的加工刀数Q，飞切垂直方向进给量dh取0.001mm至0.01mm之间，加工刀数Q＝[W/dh]。
a2、定义第i个切片(i＝1，...，N)在坐标系中底面的对应高度为hi，像切分器母体的球半径为R，如图3所示，则第i个切片的第j(j＝1，...，Q)个截面轮廓半径Rij为
a3、定义飞刀盘的半径为r，机床的飞刀采用金刚石刀具，且为半圆弧刀具如图4所示，进行刀具半径补偿，飞刀加工第i(i＝1，...，N)个切片的第j(j＝1，...，Q)个截面飞刀轨迹半径DRij为
DRij＝Rij-r。
a4、根据元件图纸要求，计算飞刀路径的起讫点坐标，如图5所示，第i个切片XZ平面的离轴量为Si，则第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓截面飞刀轨迹的起点和终点分别为：
起点坐标为
终点坐标
通过计算确定飞刀轨迹的起始点和终点坐标。
a5、第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓截面飞刀轨迹Y方向的高度为
Yij＝(i-1)·W+j·dh。
a6、根据确定的XZ平面内圆弧半径DRij，圆弧起讫点坐标、Y方向高度，完成第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓的轨迹加工。
a7、重复上述步骤，直至完成上部分每一个子切片的轨迹加工。
完成对上部分每一个子切片的轨迹加工后，机床主轴旋转180°，调整切换加工区域，重复上述操作，完成对剩余待加工部分子切片的加工。
对像切分器进行加工部分划分并分别进行编号，根据对应加工部分在原工件坐标系中的离轴量和加工位置计算对应的回转半径，然后进行刀具半径补偿，然后根据像切分器水平方向的离轴量确定轨迹的起始点和终点坐标，并以此完成垂直方向进给和水平轮廓进给，完成其中一条轮廓线的飞切加工，以此类推，垂直方向步进，完成整个面形加工。该方法一次装夹实现所有子切片面形的整体加工，加工效率高，子切片之间的相对位置精度高。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种像切分器的飞刀加工方法，其特征是，包括有以下步骤：
将像切分器原工件划分上下两个加工部分，并对每部分的各子切片分别进行编号；
将原工件安装至机床主轴，根据待加工部分的子切片在原工件坐标系中的离轴量和加工位置，确定每一个子切片加工截面轮廓数据，计算获取对应飞刀轨迹半径，并确定飞刀路径；
根据飞刀轨迹半径和飞刀路径，完成对应子切片一条轮廓线的轨迹飞刀加工，重复加工直至该待加工部分的子切片全部完成轨迹加工；
调整机床主轴角度，更换工件加工部分，重新计算并进行轨迹加工，直至完成工件的整个面形加工。
2.根据权利要求1所述的像切分器的飞刀加工方法，其特征是，对原工件的加工部分划分及编号具体为：以像切分器原工件面形中心作为坐标原点、工件长轴水平方向作为X轴、子切片排列水平方向作为Y轴，沿子切片排列方向将原工件进行上下两部分划分；以原工件的坐标原点为计数起点，上、下两部分每一个子切片分别编号为上1、上2、…、上N，下1、下2、…下N。
3.根据权利要求2所述的像切分器的飞刀加工方法，其特征是，对原工件的安装及数据计算具体为：
将原工件安装至机床主轴上，原工件中心与机床主轴轴线重合，调整主轴角度，使得工件长轴方向水平，锁定主轴角度，对上部分的子切片进行计算加工；
根据每一个子切片的厚度W和飞切垂直方向进给量dh，确定每一个子切片的加工刀数Q；
定义第i个切片(i＝1，…，N)在坐标系中底面的对应高度为hi，以子切片的厚度方向作为Y轴，像切分器母体的球半径为R，则第i个切片的第j(j＝1，...，Q)个截面轮廓半径Rij为
定义飞刀盘的半径为r，则飞刀加工第i(i＝1，...，N)个切片的第j(j＝1，...，Q)个截面飞刀轨迹半径DRij为
DRij＝Rij-r
根据元件图纸要求，第i个切片XZ平面的离轴量为Si，则第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓截面飞刀轨迹的起点坐标为终点坐标/> 计算确定飞刀轨迹的起始点和终点坐标；
第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓截面飞刀轨迹Y方向的高度为
Yij＝(i-1)·W+j·dh
根据确定的XZ平面内圆弧半径DRij，圆弧起始点坐标、Y方向高度，完成第i个切片的第j(j＝1，...，Q)轮廓的轨迹加工；
完成对上部分每一个子切片的轨迹加工后，调节机床主轴旋转180°，调整切换加工区域，重复操作完成对剩余待加工部分子切片的加工。
4.根据权利要求3所述的像切分器的飞刀加工方法，其特征是：所述飞切垂直方向进给量dh取0.001mm-0.01mm之间，加工刀数Q＝[W/dh]。
5.根据权利要求1所述的像切分器的飞刀加工方法，其特征是：机床采用的飞刀为金刚石刀具。
6.根据权利要求5所述的像切分器的飞刀加工方法，其特征是：所述刀具为半圆弧刀具。
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