CN114211313A - 大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，属于光学制造领域；为在外圆加工时保证非球面镜面形不发生改变，利用激光定心磨边机设备，通过合理安排左右刀具的位置，进行余量去除过程中保证非球面镜所受合力最小；在校准中心厚度尺寸时，先输入上钟罩外径对应口径的最佳拟合球面半径，可通过对比校准值与实际测量值之间的差异修正下钟罩高度，避免下钟罩高度测量不准确对平台口径尺寸造成的影响。通过分两次磨削，在第一次磨削后精确测量实际完工尺寸，并参照第一次磨削时程序设定值与实际尺寸间的差值，达到在第二次磨削后外圆尺寸与平台尺寸的精确加工。

Description

大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法
技术领域
本发明属于光学制造领域，具体涉及一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法。
背景技术
光学非球面反射镜的表面面形精度要求越来越高，因抛光方法的限制，存在较大的边缘效应。为解决边缘效应问题，加工时需将非球面镜的外圆尺寸加大10-15mm，待非球面反射镜表面面形精度符合要求时再将外圆多余部分磨去。
现有技术中为提高非球面镜的面形精度，在非球面镜加工时外径余量较大，是普通光学透镜外径余量的十倍左右，且边缘厚度尺寸远大于激光定心磨边机的磨轮厚度。因光学激光定心磨边机只能针对球面进行定心，加工程序需输入被加工零件上下两表面的曲率半径。非球面镜的下表面为平面，可输入无穷大，非球面镜上表面为非球面，各口径对应的曲率半径均不相同，按照不同曲率半径输入会造成加工非球面镜平台的口径有较大差异。因此现有数控设备在安装磨轮后也可以完成外圆的加工，但存在加工效率低及应力大的问题，严重影响已经加工好的表面面形。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，为在外圆加工时保证非球面镜面形不发生改变，利用激光定心磨边机设备，通过合理安排左右刀具的位置，进行余量去除过程中保证非球面镜所受合力最小，并采取一定的编程技巧，在表面参数只能输入球面半径的情况下来保证非球面平台尺寸的准确加工。实现一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的精确加工。
本发明的技术方案是：一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，其特征在于具体步骤为：
步骤一：测量非球面镜的中心厚度及外圆尺寸；
步骤二：根据步骤一测量数据选取合适尺寸的钟罩；
步骤三：利用DIFFSYS软件分别计算上钟罩外径、完工平台对应的最佳拟合半径；
步骤四：完成程序中各参数的设置，先按照上钟罩外径对应的最佳拟合球面半径输入零件上表面曲率半径；
步骤五：在磨边机安装上、下钟罩；
步骤六：将非球面镜的上下表面擦拭干净后，平面朝下、凹非球面朝上放置在下钟罩上；
步骤七：转动下钟罩，目视观察非球面镜回转轴与磨边机回转轴基本一致；
步骤八：控制端面跳动符合图样要求进行中心厚度尺寸校准，并通过调整下钟罩高度使校准的中心厚度尺寸与测量结果相同；
步骤九：程序中曲率半径受设备程序限制只能输入球面半径，因此将程序中零件上表面的曲率半径更改为非球面镜图样要求完工平台口径尺寸对应的最佳拟合球面半径，用于保证非球面镜平台口径尺寸有足够的加工余量；
步骤十：输入外圆及平台口径，尺寸分别比完工尺寸大2mm～3mm，保证第一次加工后外圆及平台有足够余量进行第二次修正加工；
步骤十一：执行程序完成第一次外圆及平台口径的加工；
步骤十二：精确测量第一次加工后外圆及平台的尺寸；
步骤十三：修正第二次加工需要输入的外圆及平台口径尺寸：根据第一次磨削的外圆尺寸公差，在程序中输入要求完工的外圆尺寸，使第二次加工后的外圆满足图样尺寸要求；根据第一次磨削的平台口径实际尺寸，利用DIFFSYS软件计算出与非球面完工平台尺寸的矢高差，仅更改平台完工口径尺寸，使其在同一个最佳拟合球面半径下对应两次口径的矢高差与为保证非球面镜平台完工口径需要改变的矢高差相同；
步骤十四：完成第二次外圆及平台口径的精加工。
本发明的进一步技术方案是：所述磨边机上设置有两个成对角设置的磨轮，左边磨轮位于非球面镜过中心轴的径向截面左下角，右边磨轮位于非球面镜过中心轴的径向截面右下角；左、右边磨轮同步对非球面镜外圆进行加工。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤十一和步骤十四中外圆加工方法：首先，将左边磨轮移至非球面镜左下角，右边磨轮移至非球面镜右下角；然后，控制左、右边磨轮的直边部分移动至超出非球面镜周面上、下轮廓边缘，沿竖直方向反向进给进行非球面镜上下部位大尺寸余量去除；最后，将左、右边磨轮继续沿竖直方向进给至中部交错，使得上、下两端磨轮在交错位置的磨削重叠，实现中间剩余部分台阶的大尺寸余量磨削。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明充分利用光学激光定心磨边机的加工特点，在外圆大余量尺寸去除过程中左右磨轮同时工作，则玻璃材料非球面镜(针对特定对象的加工)所受到的合力基本为零，最大程度减小加工应力对非球面镜表面面形造成影响。
在第一次磨削过程中，先将左边磨轮移至下端，右边磨轮移至上端，上下两端磨轮的直边部分超出上、下轮廓边缘进行非球面镜上下部位大尺寸余量去除，再将左右磨轮错开进行中间剩余部分台阶的大尺寸余量磨削，因刀具位置及执行任务的合理安排，磨轮仅需在径向进给，极大缩短了大尺寸边缘厚度外圆磨轮反复上下运动消耗的大量加工时间。
在校准中心厚度尺寸时，先输入上钟罩外径对应口径的最佳拟合球面半径，可通过对比校准值与实际测量值之间的差异修正下钟罩高度，避免下钟罩高度测量不准确对平台口径尺寸造成的影响。通过分两次磨削，在第一次磨削后精确测量实际完工尺寸，并参照第一次磨削时程序设定值与实际尺寸间的差值，达到在第二次磨削后外圆尺寸与平台尺寸的精确加工。
附图说明
图1本发明左右磨轮起始位置示意图。
图2本发明外圆上下部位大余量去除示意图。
图3本发明外圆中间部位大余量去除示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明通过合理安排左右磨轮的位置，结合激光定心磨边机磨外圆的特点，在保持非球面镜表面面形的同时提高了非球面透镜的外圆大余量去除的效率及平台尺寸的精度。
工艺步骤如下：
(1)测量非球面镜的中心厚度及外圆尺寸；
(2)选取合适尺寸的钟罩；
(3)利用DIFFSYS软件分别计算上钟罩外径、完工平台对应的最佳拟合半径；
(4)完成程序中各参数的设置，先按照上钟罩外径对应的最佳拟合球面半径输入零件上表面曲率半径；
(5)安装上、下钟罩；
(6)将非球面镜的上下表面擦拭干净，平面在下、凹非球面朝上放置在下钟罩上；
(7)转动下钟罩，目视观察非球面镜回转轴与磨边机回转轴基本一致；
(8)控制端面跳动符合图样要求进行中心厚度尺寸校准，并通过调整下钟罩高度使校准的中心厚度尺寸与测量结果相同；
(9)曲率半径因设备程序限制只能输入球面半径，更改程序中零件上表面的曲率半径为非球面镜图样要求完工平台口径尺寸对应的最佳拟合球面半径，用于保证非球面镜平台口径尺寸有足够的加工余量；
(10)输入外圆及平台口径，尺寸分别比完工尺寸大2mm～3mm，保证第一次加工后外圆及平台有足够余量进行第二次修正加工；
(11)执行程序完成第一次外圆及平台口径的加工；
(12)精确测量第一次加工后外圆及平台的尺寸；
(13)修正第二次加工需要输入的外圆及平台口径尺寸：根据第一次磨削的外圆尺寸公差，在程序中输入要求完工的外圆尺寸，使第二次加工后的外圆满足图样尺寸要求；根据第一次磨削的平台口径实际尺寸，利用DIFFSYS软件计算出与非球面完工平台尺寸的矢高差，仅更改平台完工口径尺寸，使其在同一个最佳拟合球面半径下对应两次口径的矢高差与为保证非球面镜平台完工口径需要改变的矢高差相同；
(14)完成第二次加工。
实施例1
利用本方法加工非球面反射镜——主镜：
·毛坯外圆尺寸φ257；
·主镜完工外圆尺寸
Figure BDA0003352023340000051
·主镜完工平台口径
Figure BDA0003352023340000052
·非球面方程为抛物面
Figure BDA0003352023340000053
c＝1/R,R＝-416.32，h2＝x2+y2,K＝-1,面形精度PV≤0.2λ，RMS≤0.02λ；
·中心偏差χ≤4.3〃；
·中心厚度尺寸25±0.1；
·表面疵病等级B＝Ⅴ。
加工的工艺过程如下：
(1)测量主镜的中心厚度为25.01及外圆尺寸φ257；
(2)选取合适尺寸的钟罩，其中上钟罩为外径为φ179.85mm，下钟罩外径为φ180mm；
(3)分别计算上钟罩外径φ179.85mm、完工平台φ237对应的最佳拟合球面半径为R-421.18及R-424.75；
(4)完成程序中各参数的设置，先按照上钟罩外径φ179.85对应的最佳拟合球面半径输入零件上表面曲率半径R-421.18；
(5)安装上、下钟罩；
(6)将主镜的上下表面擦拭干净，平面在下、凹抛物面朝上放置在下钟罩上；
(7)转动下钟罩，目视观察主镜回转轴基本与磨边机回转轴一致；
(8)控制端面跳动≤2μm校准中心厚度尺寸，通过调整下钟罩高度使校准的中心厚度尺寸为25.01mm；
(9)更改程序中零件上表面的曲率半径为主镜图样要求完工平台口径尺寸φ237对应的最佳拟合球面半径R-424.75；
(10)进行第一次外圆φ245及平台口径φ240的加工，尺寸分别比完工尺寸大2mm及3mm；
(11)执行程序完成第一次外圆φ245及φ240平台口径的加工；
(12)测量第一次加工后外圆尺寸为φ245.01mm，平台的尺寸为φ242.094；
(13)修正第二次加工需要输入的外圆及平台口径尺寸：根据第一次磨削的外圆尺寸公差，在程序中输入要求完工的外圆尺寸为φ242.97mm；根据第一次磨削的平台口径实际尺寸φ242.094，计算出与非球面完工平台尺寸φ237的矢高差为0.733，更改平台完工口径尺寸为φ234.9667，保证与按照第一次加工输入的最佳拟合球面半径R-424.75、φ240口径的矢高差亦为非球面需要改变的矢高差0.733。
(14)完成第二次加工。
利用本方法进行的主镜外圆及平台的加工，效率高，精度符合图样要求，并保持前工序加工的面形精度不发生变化。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，其特征在于具体步骤为：
步骤一：测量非球面镜的中心厚度及外圆尺寸；
步骤二：根据步骤一测量数据选取合适尺寸的钟罩；
步骤三：利用DIFFSYS软件分别计算上钟罩外径、完工平台对应的最佳拟合半径；
步骤四：完成程序中各参数的设置，先按照上钟罩外径对应的最佳拟合球面半径输入零件上表面曲率半径；
步骤五：在磨边机安装上、下钟罩；
步骤六：将非球面镜的上下表面擦拭干净后，平面朝下、凹非球面朝上放置在下钟罩上；
步骤七：转动下钟罩，目视观察非球面镜回转轴与磨边机回转轴基本一致；
步骤八：控制端面跳动符合图样要求进行中心厚度尺寸校准，并通过调整下钟罩高度使校准的中心厚度尺寸与测量结果相同；
步骤九：程序中曲率半径受设备程序限制只能输入球面半径，因此将程序中零件上表面的曲率半径更改为非球面镜图样要求完工平台口径尺寸对应的最佳拟合球面半径，用于保证非球面镜平台口径尺寸有足够的加工余量；
步骤十：输入外圆及平台口径，尺寸分别比完工尺寸大2mm～3mm，保证第一次加工后外圆及平台有足够余量进行第二次修正加工；
步骤十一：执行程序完成第一次外圆及平台口径的加工；
步骤十二：精确测量第一次加工后外圆及平台的尺寸；
步骤十三：修正第二次加工需要输入的外圆及平台口径尺寸：根据第一次磨削的外圆尺寸公差，在程序中输入要求完工的外圆尺寸，使第二次加工后的外圆满足图样尺寸要求；根据第一次磨削的平台口径实际尺寸，利用DIFFSYS软件计算出与非球面完工平台尺寸的矢高差，仅更改平台完工口径尺寸，使其在同一个最佳拟合球面半径下对应两次口径的矢高差与为保证非球面镜平台完工口径需要改变的矢高差相同；
步骤十四：完成第二次外圆及平台口径的精加工。
2.根据权利要求1所述大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，其特征在于：所述磨边机上设置有两个成对角设置的磨轮，左边磨轮位于非球面镜过中心轴的径向截面左下角，右边磨轮位于非球面镜过中心轴的径向截面右下角；左、右边磨轮同步对非球面镜外圆进行加工。
3.根据权利要求2所述大尺寸边缘厚度、平凹非球面镜外圆及平台的加工方法，其特征在于：所述步骤十一和步骤十四中外圆加工方法：首先，将左边磨轮移至非球面镜左下角，右边磨轮移至非球面镜右下角；然后，控制左、右边磨轮的直边部分移动至超出非球面镜周面上、下轮廓边缘，沿竖直方向反向进给进行非球面镜上下部位大尺寸余量去除；最后，将左、右边磨轮继续沿竖直方向进给至中部交错，使得上、下两端磨轮在交错位置的磨削重叠，实现中间剩余部分台阶的大尺寸余量磨削。
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