CN114290177A - 一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，在机床工作台上安装固定光学元件的同时，在元件的旁边不影响加工的位置固定一块油石；然后使用砂轮在元件表面磨削凹坑，将激光传感器固定在机床主轴上，测量凹坑最低点在第一坐标系中的坐标，由此计算得到测头光点和砂轮最低点之间的偏移距离；并进一步获取非球面光学元件位置并建立元件‑砂轮空间位置关系。本发明砂轮和元件没有直接接触，保证了元件表面的质量，并且对刀精度达到微米级别，提高了非球面的加工精度，避免后续停机检测进行误差修整而造成的工时增加，提高了加工效率。

Description

一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法

技术领域

本发明涉及光学元件超精密加工技术领域，更具体的说是涉及一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法。

背景技术

非球面光学元件能够消除球面元件在光束传递过程中产生的球差、慧差、像差等不利影响，在光束聚焦时能减少光能损失，提高聚焦和校准精度，在现代大型光学系统中获得了广泛的应用。非球面表面各点的矢高和曲率半径不相同，采用精密磨削加工的方法，实现非球面光学元件的精密成形，具有材料去除速率快、便于实现自动化等优点，目前已被国内外多项大型光学系统作为非球面光学元件制造的主工艺使用。超精密磨削加工利用高精度、高刚度的超精密磨床，金刚石砂轮在数控系统的精确控制下，按照理论的非球面轨迹进行运行，实现材料的去除，基于运动复印原理获得被加工表面。非球面光学元件的超精密磨削分为初成形磨削和精密磨削。初成形磨削是在长方体、圆柱体等块料的基础上，使用较粗粒度的金刚石砂轮，直接磨削加工为设计的非球面；精密磨削是在已经完成非球面初成形的基础上，使用更加精细的金刚石砂轮进行进一步的磨削加工，去除前级加工产生的亚表面缺陷层的同时，收敛面形误差。无论是初成形磨削，还是精密磨削，金刚石砂轮和元件之间的相对空间位置关系，直接影响了元件最终加工的形状精度和位置精度。

中国专利CN201710047333.3公开了一种磨削过程快速精密对刀装置及其对刀方法，该装置包括位置检测模块、声发射检测系统和测量与可视系统，利用测针与砂轮之间相对固定的位置关系，实现砂轮与被加工工件之间的快速粗定位，然后采用流体声发射技术进行精密对刀，并结合工业内窥镜，通过显示器实时观查测针和工件内表面的相对位置关系，实现测针的快速精密定位。中国专利CN201810668997.6公开了一种基于CCD相机在位测量的超精密对刀法，通过CCD相机测量得到圆环宽度，并根据该圆环宽度对工件加工平面的基准位置进行修正，以此实现对刀操作。中国专利CN201920456902.4公开了一种基于显微视觉的外置式机械辅助对刀装置，该装置安装于机床外部，通过竖杆、横杆和转接头实现显微视场粗调，通过X向调节旋钮和Z向调节旋钮实现X、Z方向的显微视场微调；通过长工作距离显微镜和CCD采集刀具图像，并将刀具图像通过视频数据线传输至外接的显示器上，以观察刀具试切画面。

传统的对刀方法之间使用金刚石砂轮缓慢接触元件表面，针对非球面光学元件的加工，对刀精度低、耗时长，并且砂轮接触元件后会在硬脆光学材料表面造成深划痕甚至内裂，影响元件的质量。以上公开的对刀方法中，有采用CCD相机进行图像采集实现非接触式对刀，但针对于表面各点矢高和曲率半径均不相同的非球面，在某些特定的角度CCD的视场光路会被元件表面遮挡导致不能观测砂轮与元件之间的位置关系，并且也难以实现微米级别位置精度的对刀。

因此，如何提供一种加工精度高且加工效率高的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，该方法在保证加工效率的基础上有效提高了加工精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，机床工作台与机床主轴独立移动，砂轮设置在机床主轴上，以机床工作台移动的方向作为X轴，以机床主轴在水平面内移动的方向作为Y轴，以砂轮竖直升降的方向作为Z轴，包括以下步骤：

S1.将非球面光学元件装夹在机床工作台上，将油石安装于机床工作台上不影响元件磨削加工的位置；

S2.沿X轴移动机床工作台，沿Y轴移动机床主轴，沿Z轴下降砂轮，通过所述砂轮在油石表面磨削凹坑，将以所述凹坑最低点为原点的加工坐标系作为第一加工坐标系；

S3.获取激光传感器相对于砂轮的空间位置：将激光传感器安装在砂轮的砂轮外罩上，使激光传感器的测量光路竖直向下，分别移动机床工作台和机床主轴，使激光传感器的光点位于凹坑的最低点，在Z轴方向上移动机床主轴直至激光传感器的读数为0，记录激光传感器在第一加工坐标系下的空间坐标(xm，ym，zm)，即激光传感器测头相对于砂轮最低点的空间位置偏移量；

S4.获取非球面光学元件位置并建立元件-砂轮空间位置关系：移动机床工作台，使激光传感器的测头位于非球面光学元件坯料边缘上方，在Z轴方向上移动激光传感器直至激光传感器读数为0，分别移动机床工作台和机床主轴，使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点，将砂轮的位置在X轴、Y轴和Z轴上分别偏移xm，ym和zm，偏移后的砂轮则处于中心点位置并与元件表面接触，将当前砂轮所处位置作为数控加工程序的参考点坐标，建立砂轮-元件之间的空间位置关系，完成对刀操作。

优选的，S1的具体内容包括：

清洁机床工作台，将非球面光学元件平放于机床工作台上；

若元件外形为圆形，非球面为回转对称曲面，则元件平放于机床工作台表面并固定；

若元件外形为圆形，非球面为非回转对称曲面，则对元件进行精密定位，即将元件的离轴方向与机床的X轴向平行。

优选的，砂轮为金刚石砂轮，通过砂轮的高速旋转，在油石上磨削凹坑，高速旋转的转速为800r/min～1200r/min，凹坑的深度为2mm～4mm。

优选的，S3中使激光传感器的光点位于凹坑的最低点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑边缘的位置，沿Z轴移动砂轮，使激光传感器靠近凹坑直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴移动机床工作台，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第一边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Lx；再沿X轴反方向移动机床工作台，移动距离为Lx/2；移动后的激光传感器的光点则位于油石表面凹坑在X轴方向上的最低点；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第一边缘的邻边边缘，沿Z轴移动砂轮，使激光传感器靠近凹坑直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第三边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，记录当前位置坐标，将当前边缘作为第四边缘，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Ly；再沿Y轴反方向移动机床工作台，移动距离为Ly/2；移动后的激光传感器的光点则位于油石表面凹坑在Y轴方向上的最低点；

完成X轴和Y轴移动后，激光传感器的光点则位于油石表面凹坑最低点的正上方。

优选的，对于需进行初成形磨削加工的非球面光学元件，其形状为长方体或圆柱体的块状坯料，上表面为平面或斜面，S4中使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点的具体方法为：

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头位于非球面光学元件坯料边缘上方，沿Z轴移动砂轮，直至传感器读数为0；

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头靠近元件的边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头靠近元件第一边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Ox，再沿X轴反方向移动机床Ox/2；移动后的激光传感器的光点则位于元件在X轴方向上的中心点；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器测头靠近元件第一边缘的邻边边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器测头靠近元件第三边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第四边缘，记录当前位置坐标，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Oy，再沿Y轴反方向移动机床Oy/2；移动后的激光传感器的光点则位于元件在Y轴方向上的中心点；

沿Z轴移动砂轮，直至激光传感器读数为0，当前激光传感器的光电对应的位置则为非球面光学元件的中心点。

优选的，S4中使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台并沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器在元件中央区域上方，并沿Z轴移动砂轮，直至传感器读数为0，并以激光传感器测头的当前位置作为原点建立第二坐标系；

分别记录激光传感器沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，传感器获取的位移数据序列dx、dy；分别将位移数据序列dx、dy进行一次多项式拟合，获得倾斜度αx、αy；

对第二坐标系沿X向和Y向进行偏移，偏移后再次分别记录激光传感器沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，并记录传感器获得的位移数据序列，再次求取倾斜度αx、αy；

迭代进行第二坐标系偏移和求取倾斜度αx、αy的过程，直至倾斜度αx、αy达到工艺指标要求，达到工艺指标要求后激光传感器的光点则为所述非球面光学元件的中心点。

优选的，散点坐标通过非球面方程获取：

其中，C＝-1/R，R为非球面顶点曲率半径，k为圆锥系数，α_i为高次项系数。

优选的，激光传感器为非接触式激光位移传感器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，本发明中砂轮和元件没有直接接触，保证了元件表面的质量，并且对刀精度达到微米级别，提高了非球面的加工精度，避免后续停机检测进行误差修整而造成的工时增加，提高了加工效率。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法的流程示意图；

图2附图为本发明提供的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法中非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀原理图；

图3附图为本发明提供的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法中激光传感器对准油石凹坑最低点的方法的流程示意图；

图4附图为本发明提供的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法中初始成形磨削加工前测量元件位置示意图；

图5附图为本发明提供的一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法中精密磨削加工前测量元件位置示意图；

1—机床底座；2—机床工作台；3—油石；4—激光传感器；5—砂轮外罩；6—机床主轴箱体；7—非球面光学元件；8—砂轮；9—机床立柱；10—凹坑；11—沿Y向测量轨迹；12—沿X向测量轨迹。

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。

本发明实施例公开了一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，机床工作台2与机床主轴独立移动，砂轮8设置在机床主轴上，如图1所示，以机床工作台2移动的方向作为X轴，以机床主轴在水平面内移动的方向作为Y轴，以砂轮8竖直升降的方向作为Z轴，包括以下步骤：

S1.将非球面光学元件7装夹在机床工作台2上，将油石3安装于机床工作台2上不影响元件磨削加工的位置；如图2所示；

S2.沿X轴移动机床工作台2，沿Y轴移动机床主轴，沿Z轴下降砂轮8，通过砂轮8在油石3表面磨削凹坑10，将以凹坑10最低点为原点的加工坐标系作为第一加工坐标系；

S3.获取激光传感器4相对于砂轮8的空间位置：将激光传感器4安装在砂轮8的砂轮8外罩5上，使激光传感器4的测量光路竖直向下，分别移动机床工作台2和机床主轴，使激光传感器4的光点位于凹坑10的最低点，在Z轴方向上移动机床主轴直至激光传感器4的读数为0，记录激光传感器4在第一加工坐标系下的空间坐标(xm，ym，zm)，即激光传感器4测头相对于砂轮8最低点的空间位置偏移量；

S4.获取非球面光学元件7位置并建立元件-砂轮8空间位置关系：移动机床工作台2，使激光传感器4的测头位于非球面光学元件7坯料边缘上方，在Z轴方向上移动激光传感器4直至激光传感器4读数为0，分别移动机床工作台2和机床主轴，使激光传感器4的光点位于非球面光学元件7的中心点，将砂轮8的位置在X轴、Y轴和Z轴上分别偏移xm，ym和zm，偏移后的砂轮8则处于中心点位置并与元件表面接触，将当前砂轮8所处位置作为数控加工程序的参考点坐标，建立砂轮8-元件之间的空间位置关系，完成对刀操作。

需要说明的是：

如图2所示，在本发明中，机床主轴安装在机床立柱9上，机床工作台2与机床主轴独立移动，砂轮8设置在机床主轴上，砂轮8可以随机床主轴在Y轴和Z轴上移动，机床工作台2和机床主轴均安装在机床底座1上，机床主轴设置于机床主轴箱体6内。

为了进一步实施上述技术方案，S1的具体内容包括：

清洁机床工作台2，将非球面光学元件7平放于机床工作台2上；

若元件外形为圆形，非球面为回转对称曲面，则元件平放于机床工作台2表面并固定；

若元件外形为圆形，非球面为非回转对称曲面，则对元件进行精密定位，即将元件的离轴方向与机床的X轴向平行。

需要说明的是：

需要进行精密定位的元件例如离轴非球面，针对圆形离轴非球面光学元件7，其侧边均会预先加工一个小平面用于精密定位，通过旋转元件，使该小平面与机床的X轴平行即可，然后固定元件。

为了进一步实施上述技术方案，砂轮8为金刚石砂轮8，通过砂轮8的高速旋转，在油石3上磨削凹坑10，高速旋转的转速800r/min～1200r/min，凹坑10的深度为2mm～4mm。

需要说明的是：

磨削凹坑10后对油石3表面和凹坑10进行清洁。

为了进一步实施上述技术方案，如图3所示，S3中使激光传感器4的光点位于凹坑10的最低点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台2，使激光传感器4测头靠近油石3表面凹坑10边缘的位置，沿Z轴移动砂轮8，使激光传感器4靠近凹坑10直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴移动机床工作台2，使激光传感器4测头靠近油石3表面凹坑10的第一边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Lx；再沿X轴反方向移动机床工作台2，移动距离为Lx/2；移动后的激光传感器4的光点则位于油石3表面凹坑10在X轴方向上的最低点；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器4测头靠近油石3表面凹坑10的第一边缘的邻边边缘，沿Z轴移动砂轮8，使激光传感器4靠近凹坑10直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器4测头靠近油石3表面凹坑10的第三边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，记录当前位置坐标，将当前边缘作为第四边缘，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Ly；再沿Y轴反方向移动机床工作台2，移动距离为Ly/2；移动后的激光传感器4的光点则位于油石3表面凹坑10在Y轴方向上的最低点；

完成X轴和Y轴移动后，激光传感器4的光点则位于油石3表面凹坑10最低点的正上方。

需要说明的是：

油石3表面的凹坑10为砂轮8磨削得到，因此该凹坑10相对于机床的X轴和Y轴对称。

在实际应用过程中，为便于光学元件的装调和使用，光学元件的外形一般为圆形、正方形或长方形等规则形状，则其坯料即为长方体或圆柱体的块状。若光学元件坯料为其他不规则形状，则根据元件图纸上对非球面位置的定义，确定其定义参考点(一般为坯料的形心)。采用同样的方法，即可以找到元件的形心。

为了进一步实施上述技术方案，如图4所示，对于需进行初成形磨削加工的非球面光学元件7，其形状为长方体或圆柱体的块状坯料，上表面为平面或斜面，S4中使激光传感器4的光点位于非球面光学元件7的中心点的具体方法为：

沿X轴方向移动机床工作台2，使激光传感器4测头位于非球面光学元件7坯料边缘上方，沿Z轴移动砂轮8，直至传感器读数为0；

沿X轴方向移动机床工作台2，使激光传感器4测头靠近元件的边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴方向移动机床工作台2，使激光传感器4测头靠近元件第一边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Ox，再沿X轴反方向移动机床Ox/2；移动后的激光传感器4的光点则位于元件在X轴方向上的中心点；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器4测头靠近元件第一边缘的邻边边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器4测头靠近元件第三边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第四边缘，记录当前位置坐标，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Oy，再沿Y轴反方向移动机床Oy/2；移动后的激光传感器4的光点则位于元件在Y轴方向上的中心点；

沿Z轴移动砂轮8，直至激光传感器4读数为0，当前激光传感器4的光电对应的位置则为非球面光学元件7的中心点。

为了进一步实施上述技术方案，如图5所示，对于需进行精密磨削加工的非球面光学元件7，S4中使激光传感器4的光点位于非球面光学元件7的中心点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台2并沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器4在元件中央区域上方，并沿Z轴移动砂轮8，直至传感器读数为0，并以激光传感器4的当前位置作为原点建立第二坐标系；

分别记录激光传感器4沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器4测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，分别包括沿Y向测量轨迹11和沿X向测量轨迹12，传感器获取的位移数据序列dx、dy；分别将位移数据序列dx、dy进行一次多项式拟合，获得倾斜度αx、αy；

对第二坐标系沿X向和Y向进行偏移，偏移后再次分别记录激光传感器4沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器4测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，并记录传感器获得的位移数据序列，再次求取倾斜度αx、αy；

迭代进行第二坐标系偏移和求取倾斜度αx、αy的过程，直至倾斜度αx、αy达到工艺指标要求，达到工艺指标要求后激光传感器4的光点则为非球面光学元件7的中心点。

需要说明的是：

上述过程中的偏移量可通过非球面方程获取，在实际的应用过程中可以根据经验适当估计偏移量。

为了进一步实施上述技术方案，散点坐标通过非球面方程获取：

其中，C＝-1/R，R为非球面顶点曲率半径，k为圆锥系数，α_i为高次项系数。

为了进一步实施上述技术方案，激光传感器4为非接触式激光位移传感器。

为解决大口径非球面光学元件7超精密磨削之前的精密对刀，建立砂轮8与光学元件之间的精确空间位置关系，本发明提出了大口径非球面光学元件7磨削加工非接触式精密对刀方法。在超精密磨削机床工作台2上安装固定光学元件的同时，在元件的旁边不影响加工的位置固定一块油石3；然后在第一加工坐标系下使用砂轮8在元件表面磨削一个凹坑10，将激光传感器4固定在机床主轴上，测量凹坑10最低点在第一坐标系中的坐标，由此计算得到测头光点和砂轮8最低点之间的偏移距离；针对初成形磨削加工，使用激光传感器4测量光学元件边缘，由此获得元件的位置，并进行偏移得到砂轮8和元件之间的精确空间位置关系；针对精密磨削加工，控制激光传感器4测头严格按照非球面的形貌沿元件表面运动，并同步测量获得测头相对于元件表面的高度位移数据，通过对测头和元件之间横向相对位置的修正，使测头相对于元件表面的高度位移数据倾斜量误差最小，由此得到非球面在第二加工坐标系中的位置，进行偏移得到砂轮8和元件之间的精确空间位置关系。以上对刀方法砂轮8和元件没有直接接触，保证了元件表面的质量，并且对刀精度达到微米级别，提高了非球面的加工精度，避免后续停机检测进行误差修整而造成的工时增加，提高了加工效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，机床工作台与机床主轴独立移动，砂轮设置在机床主轴上，以机床工作台移动的方向作为X轴，以机床主轴在水平面内移动的方向作为Y轴，以砂轮竖直升降的方向作为Z轴，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将非球面光学元件装夹在机床工作台上，将油石安装于机床工作台上不影响元件磨削加工的位置；

S2.沿X轴移动机床工作台，沿Y轴移动机床主轴，沿Z轴下降砂轮，通过所述砂轮在油石表面磨削凹坑，将以所述凹坑最低点为原点的加工坐标系作为第一加工坐标系；

S3.获取激光传感器相对于砂轮的空间位置：将激光传感器安装在砂轮的砂轮外罩上，使激光传感器的测量光路竖直向下，分别移动机床工作台和机床主轴，使激光传感器的光点位于凹坑的最低点，在Z轴方向上移动机床主轴直至激光传感器的读数为0，记录激光传感器在第一加工坐标系下的空间坐标(xm，ym，zm)，即激光传感器测头相对于砂轮最低点的空间位置偏移量；

S4.获取非球面光学元件位置并建立元件-砂轮空间位置关系：移动机床工作台，使激光传感器的测头位于非球面光学元件坯料边缘上方，在Z轴方向上移动激光传感器直至激光传感器读数为0，分别移动机床工作台和机床主轴，使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点，在Z轴方向上移动机床主轴直至激光传感器的读数为0，将砂轮的位置在X轴、Y轴和Z轴上分别偏移xm，ym和zm，偏移后的砂轮则处于中心点位置并与元件表面接触，将当前砂轮所处位置作为数控加工程序的参考点坐标，建立砂轮-元件之间的空间位置关系，完成对刀操作。

2.根据权利要求1所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，S1的具体内容包括：

清洁机床工作台，将非球面光学元件平放于机床工作台上；

若元件外形为圆形，非球面为回转对称曲面，则元件平放于机床工作台表面并固定；

若元件外形为圆形，非球面为非回转对称曲面，则对元件进行精密定位，即将元件的离轴方向与机床的X轴向平行。

3.根据权利要求1所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，砂轮为金刚石砂轮，通过砂轮的高速旋转，在油石上磨削凹坑，高速旋转的转速为800r/min～1200r/min，凹坑的深度为2mm～4mm。

4.根据权利要求1所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，S3中使激光传感器的光点位于凹坑的最低点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑边缘的位置，沿Z轴移动砂轮，使激光传感器靠近凹坑直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴移动机床工作台，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第一边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Lx；再沿X轴反方向移动机床工作台，移动距离为Lx/2；移动后的激光传感器的光点则位于油石表面凹坑在X轴方向上的最低点；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第一边缘的邻边边缘，沿Z轴移动砂轮，使激光传感器靠近凹坑直至读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器测头靠近油石表面凹坑的第三边缘的对侧边缘，直到传感器读数为0，记录当前位置坐标，将当前边缘作为第四边缘，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Ly；再沿Y轴反方向移动机床工作台，移动距离为Ly/2；移动后的激光传感器的光点则位于油石表面凹坑在Y轴方向上的最低点；

完成X轴和Y轴移动后，激光传感器的光点则位于油石表面凹坑最低点的正上方。

5.根据权利要求1所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，对于需进行初成形磨削加工的非球面光学元件，其形状为长方体或圆柱体的块状坯料，上表面为平面或斜面，S4中使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点的具体方法为：

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头位于非球面光学元件坯料边缘上方，沿Z轴移动砂轮，直至传感器读数为0；

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头靠近元件的边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第一边缘；

沿X轴方向移动机床工作台，使激光传感器测头靠近元件第一边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第二边缘，记录当前位置坐标，获取第一边缘到第二边缘在X轴上移动的距离Ox，再沿X轴反方向移动机床Ox/2；移动后的激光传感器的光点则位于元件在X轴方向上的中心点；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器测头靠近元件第一边缘的邻边边缘，直至传感器读数为0，记录当前位置坐标；将当前边缘作为第三边缘；

沿Y方向移动机床主轴，使激光传感器测头靠近元件第三边缘的对侧边缘，将当前边缘作为第四边缘，记录当前位置坐标，获取第三边缘到第四边缘在Y轴上移动的距离Oy，再沿Y轴反方向移动机床Oy/2；移动后的激光传感器的光点则位于元件在Y轴方向上的中心点；

沿Z轴移动砂轮，直至激光传感器读数为0，当前激光传感器的光电对应的位置则为非球面光学元件的中心点。

6.根据权利要求1所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，对于需进行精密磨削加工的非球面光学元件，S4中使激光传感器的光点位于非球面光学元件的中心点的具体方法为：

沿X轴移动机床工作台并沿Y轴移动机床主轴，使激光传感器在元件中央区域上方，并沿Z轴移动砂轮，直至传感器读数为0，并以激光传感器测头的当前位置作为原点建立第二坐标系；

分别记录激光传感器沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，传感器获取的位移数据序列dx、dy；分别将位移数据序列dx、dy进行一次多项式拟合，获得倾斜度αx、αy；

对第二坐标系沿X向和Y向进行偏移，偏移后再次分别记录激光传感器沿X轴运动和沿Y轴运动时，激光传感器测头在第二坐标系内的运动轨迹的散点坐标，并记录传感器获得的位移数据序列，再次求取倾斜度αx、αy；

迭代进行第二坐标系偏移和求取倾斜度αx、αy的过程，直至倾斜度αx、αy达到工艺指标要求，达到工艺指标要求后激光传感器的光点则为所述非球面光学元件的中心点。

7.根据权利要求6所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，散点坐标通过非球面方程获取：

其中，C＝-1/R，R为非球面顶点曲率半径，k为圆锥系数，α_i为高次项系数。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的非球面光学元件磨削加工非接触式精密对刀方法，其特征在于，激光传感器为非接触式激光位移传感器。

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