CN114406292B - 一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，包括径向支撑装置、椭圆形反射镜和轴向支撑装置，所述轴向支撑装置设置在所述椭圆反射镜背部，与所述椭圆反射镜通过轴向支撑与反射镜连接孔连接，所述径向支撑装置与所述轴向支撑装置通过轴向支撑与径向支撑连接孔连接。本申请的加工装置仅利用轴向和径向两个工艺装置，即可完成反射镜轴向和径向的多维自由度定位，并且可精确调整单点金刚石主轴旋转的转动惯量，装置简单并且调整精度高。制造成本低，效率高。

Description

一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置和方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤指一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造方法和装置。

背景技术

同轴光学系统设计和装调简单，系统包络尺寸紧凑小巧，目前广泛应用于空间光学探测和成像领域。随着空间光学系统任务需求的复杂化，在有限的光学平台中布置多个光学载荷实现多样化的功能是未来空间光学载荷的重要发展方向。受到光学载荷空间紧凑布局的影响，为了尽可能的发挥和利用光学系统的极限探测和成像性能，同轴反射式光学系统的镜面形状通常设计设计成非回转对称结构形式，例如需要将反射镜设计成具有大长宽比的长方形或者椭圆形反射镜来规避载荷舱内的其他设备，从而尽可能的提高反射镜镜面的高利用率。

随着单点金刚石车削技术的发展和进步，金属基反射镜在红外光学系统中应用范围越来越多。

金属基反射镜可以采用车削、铣削配合单点金刚石车削加工的方式实现反射镜镜面的快速制造。这种制造方式具有制造成本低、效率高、精度高的特点。

采用金刚石车削加工制造金属反射镜，对于镜面形状为回转对称形状的反射镜相对比较成熟，也容易达到较高的制造精度，这是由于同轴回转对称反射镜的镜面加工过程中，金刚石车床的主轴旋转的动平衡很容易配平，反射镜只收到加工切削力的影响，不存在由于反射镜镜体质心分布不均匀而带来加工的离心镜面变形。而对于大长宽比的长方形或者椭圆形金属反射镜而言，反射镜镜体具有长轴方向和短轴方向，车削加工过程中镜体的在长短轴方向的分布不均匀，镜面除了受到单点金刚石车刀的切削力以外，还受到机床高速旋转的离心变形的影响，对于大尺寸的非回转对称金属反射镜的单点金刚石车削加工来说，很难达到较高的制造精度。如何通过合理的加工方法和装置来解决大口径非回转对称金属反射镜制造效率是目前亟待解决的技术难题。

CN107775453A一种长条形反射镜的高精度加工方法中，采用DMG超声铣磨机床铣磨毛坯基准面，铣磨减重定位孔，利用手工抛光结合QED磁流变抛光完成长条形反射镜镜面制造。反射镜从铣磨到抛光加工到亚微米量级需要很长的迭代时间，这种制造方式无法满足低成本快速制造的应用需求。

CN110967804A介绍了一种可快速定位的离轴金属反射镜及加工方法，该方法介绍了离轴长条形反射镜的高精度制造方法，采用V型定位块的方式实现离轴量的精确控制，但是为了保证反射镜离轴定位同轴回转切削加工，设计了与反射镜质量质心相同的反射镜或者工装进行拼盘加工，这种加工方式虽然在反射镜镜体绕V型定位中心轴线180度方向可以实现质心的配平，但是在90度或者270度方向还是存在质心的偏移，同时镜面的切削也是断续切削，会存在制造精度不足和道具切削振动产生镜面边缘刀痕严重的问题，加工后的镜面粗糙度会变差。

现有的技术或者利用传统的低效率加工方式完成非回转对称镜面的加工制造，存在加工效率低、制造成本高的问题；或采用拼盘的方式进行质心配平后的单点金刚石车削加工，存在的问题是加工镜面过程中为断续切削，从而产生加工制造精度不足、镜面边缘易产生振动刀痕，表面粗糙度差的问题。

发明内容

鉴于此，有必要提供能够解决非回转对称镜面结构的高效率、低成本、高精度制造问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，包括径向支撑装置、椭圆形反射镜和轴向支撑装置，所述轴向支撑装置设置在所述椭圆反射镜背部，与所述椭圆反射镜通过轴向支撑与反射镜连接孔连接，所述径向支撑装置与所述轴向支撑装置通过轴向支撑与径向支撑连接孔连接。

进一步的，所述径向支撑装置与所述轴向支撑装置连接的面为平面，与所述椭圆形反射镜镜面相邻的面为与所述椭圆形反射镜镜面曲率和镜面矢高相匹配的曲面，所述径向支撑装置的外径为圆柱面。

进一步的，所述径向支撑装置的中心设置成与所述椭圆形反射镜外轮廓呈均匀间隙的椭圆形内孔。

进一步的，所述椭圆形反射镜的背部设置有反射镜背部轻量化结构。

进一步的，所述径向支撑装置还包括四个沿所述椭圆形内孔的短轴方向对称分布的减重坑，所述椭圆形内孔与所述减重坑之间预留一定厚度的镜面边缘预留支撑结构。

进一步的，所述镜面边缘预留支撑装置为椭圆环面。

本申请实施例还提供一种大口径椭圆形反射镜加工装配方法，包括以下装配步骤：

将轴向支撑装置的两个连接平面进行高精度单点金刚石车削加工或研磨；

将椭圆形反射镜通过第一沉头通孔与所述轴向支撑装置进行定位和紧固；

将预先设计好的径向支撑装置通过与径向支撑装置连接的第二沉头通孔进行定位和紧固。

进一步的，在所述将预先设计好的径向支撑装置通过与径向支撑装置连接的沉头通孔进行定位和紧固的步骤之前，还包括：

根据所述椭圆形反射镜的轴向支撑结构和长短轴的长宽比输入参数，设计径向支撑装置沿椭圆短轴方向对称分布的四个减重坑，所述椭圆形内孔与所述减重坑之间预留5～10mm的镜面边缘预留支撑结构。

进一步的，将装配的装置放置在转动惯量测试设备上，测量和验证装置的静态质心分布情况，保证装置的静态质心在以回转中心轴的径向偏移量小于1mm。

进一步的，在所述椭圆形反射镜和所述径向支撑装置的内孔之间注入光学蜡或者光学胶；将装置通过轴向支撑装置的安装孔与单点金刚石车床相连，转动金刚石车床测量动平衡，完成椭圆形反射镜的连续切削。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)光学镜面制造精度高：

本申请的大口径椭圆形反射镜单点金刚石车削加工高精度制造方法和装置，可保证加工过程中单点金刚石主轴稳定，转动惯量低，反射镜单点金刚石车削加工时镜面的道具振动幅度小，可实现镜面的高精度加工，从而保证加工后镜面的面形精度高、表面粗糙度好。

(2)加工装置简单，易于精密调整：

本申请的大口径椭圆形反射镜单点金刚石车削加工高精度制造方法和装置，仅利用轴向和径向两个工艺装置，即可完成反射镜轴向和径向的多维自由度定位，并且可精确调整单点金刚石主轴旋转的转动惯量，装置简单并且调整精度高。

(3)制造成本低，效率高：

本申请大口径椭圆形反射镜单点金刚石车削加工高精度制造方法和装置，可实现反射镜的快速高精度加工，解决了异形反射镜单点金刚石车削加工精度低，只能通过低效率抛光的方式来提高反射镜的面形问题，提高了大口径椭圆形金属反射镜的制造效率，从而降低了制造成本，实现大口径椭圆形金属反射镜的快速低成本制造。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置的剖视图；

图2为本申请实施例大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置的背部结构图；

图3为本申请实施例大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置轴向支撑装置和径向支撑装置的连接示意图；

图4为本申请实施例大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置轴向支撑装置的结构示意图；

图5为本申请实施例大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置的质心示意图。

附图标记说明：

101、径向支撑装置；102、椭圆形反射镜；103、轴向支撑装置；104、椭圆形内孔；105、减重坑；106、径向支撑装置外圆的螺丝孔；107、第一沉头通孔；108、第二沉头通孔；109、轴向支撑装置的通孔；110、径向质心；111、椭圆形内孔边缘预留支撑结构；

201、椭圆形反射镜的背部安装螺纹孔；202、轻量化结构。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供一种大口径椭圆形反射镜单点金刚石车削加工高精度制造方法和装置，旨在单点金刚石车削加工阶段尽可能的提高反射镜加工的面形质量，降低后续抛光加工的工作量，实现大口径椭圆形金属基反射镜的快速低成本高精度制造，具有广阔的应用价值和市场价值。

实施例1：

本申请实施例提供一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，包括径向支撑装置101、椭圆形反射镜102和轴向支撑装置103，所述轴向支撑装置103设置在所述椭圆形反射镜102背部，与所述椭圆形反射镜102通过轴向支撑与反射镜连接孔连接，所述径向支撑装置101与所述轴向支撑装置103通过轴向支撑与径向支撑连接孔连接。径向支撑装置101与椭圆形反射镜102之间无直接装配关系，防止椭圆形反射镜102定位带来加工应力，从而退化椭圆形反射镜102的加工面形精度。

所述径向支撑装置101与所述轴向支撑装置103连接的面为平面，与所述椭圆形反射镜102镜面相邻的面为与所述椭圆形反射镜102镜面曲率和镜面矢高相匹配的曲面，所述径向支撑装置101的外径为圆柱面。

所述径向支撑装置101的中心设置成与所述椭圆形反射镜102外轮廓呈均匀间隙的椭圆形内孔。进一步的，径向支撑装置101的椭圆内孔104与椭圆形反射镜102外轮廓之间的距离为1mm。

椭圆形内孔104的直径比椭圆形反射镜102的外径略大，椭圆形内孔104与镜面外径形成等间隙的缝隙，便于椭圆形反射镜102的安装和定位，同时可在缝隙中注入光学蜡或者光学胶，实现大口径椭圆形反射镜102的径向柔性支撑定位。

需要说明的是，径向支撑装置101靠近反射镜镜面部分的前表面设计成与镜面曲率半径相同的曲面，从而实现单点金刚石车削加工镜面的时候尽量保证切削镜面的连续性，减少因为单点金刚石断续车削加工对镜面加工的面形精度损失。这种通过径向支撑装置将椭圆形反射镜由于长短轴不一致产生的断续切削转换成整个沿着椭圆形反射镜长轴方向的回转对称连续切削，可以减少车削过程中由于切削圆周不连续产生的刀具振动降到最低，从而实现高精度制造。除此之外，由于补全了镜面长短轴的支撑结构，使椭圆形反射镜102的质心稳定且均匀，大大减少了加工过程中由于镜面形状结构而产生的非回转对称的离心变形。

其中椭圆形反射镜102的背部含有椭圆形反射镜的背部安装螺纹孔201和反射镜背部轻量化结构202，反射镜背部轻量化结构202可以是任意形状的，比如三角形、正方形、菱形、矩形等等，反射镜背部轻量化结构202的不同会产生不同种类型长短轴质心分布的差异。

一般光学反射镜背部设计成轻量化坑结构实现反射镜镜体的轻量化设计，减少反射镜由于自身重力而产生的重力变形。反射镜镜体的轻量化结构会加剧反射镜长轴短轴质心的不平衡，为了补偿整套加工装置的质心平衡，需要在径向支撑装置101沿着径向椭圆形反射镜102的短轴方向设计合适的轻量化减重坑来提高装置的转动惯量一致性。径向支撑装置上的减重坑设计原则是保证整套装置的质心位于回转中心的位置，同时将整套装置平均分成4份，形成4个扇形区域，整套装置1/4部分的质心位于扇形的角平分线附近，这样可以进一步保证回转中心的均匀分布，降低单点金刚石车削加工的主轴晃动，提高制造精度。

具体的，本申请实施例径向支撑装置101设置了4个沿着中心椭圆形内孔104的短轴方向减重坑105，短轴方向减重坑105为了实现整套装置短轴和长轴方向质量质心分布的粗调整。同时在椭圆形内孔104与短轴方向减重坑105之间留有一定厚度的镜面边缘预留支撑结构111，椭圆形内孔边缘预留支撑结构111用来实现径向支撑装置101对椭圆形反射镜102的径向柔性支撑，椭圆形内孔边缘预留支撑结构111设计成等厚度的椭圆环面，从而保证支撑力的均匀，进一步的，等厚椭圆环面的厚度为5～10mm。

径向支撑装置101的外圆设置了单点金刚石车削径向动平衡调整配重孔，数量为18～36个，用来实现整套装置转动惯量和动平衡的精调整。

更为具体的，由于径向支撑装置通过设计减重坑结构来实现长短轴质心的配平，受限于镜面背部轻量化结构的复杂性，所以很难将整套装置实现精准的质心控制。于是在径向支撑装置的沿着外径的径向设计24个螺钉孔，利用螺丝钉进行更高精度的质心和动平衡配准，这种通过径向支撑装置的减重坑进行长短轴质心的粗配平，然后利用外圈的径向螺钉孔安装螺丝钉的方式进行精配平的方式，是实现大口径椭圆形反射镜高精度制造的基本前提。

轴向支撑装置103含有与椭圆形反射镜102连接的第一沉头通孔107、与径向支撑装置101连接的第二沉头通孔108以及与单点金刚石车床主轴连接的通孔109，轴向支撑装置103两个安装面均为平面。

实施例2：

本申请实施例还提供一种大口径椭圆形反射镜加工方法，具体方法如下：

将轴向支撑装置103的两个连接平面进行高精度单点金刚石车削加工或者研磨，保证安装面的平面度误差由于5微米；

将椭圆形反射镜102通过与与椭圆形反射镜102连接的第一沉头通孔107进行定位和紧固；

根据椭圆形反射镜102的背部支撑结构和长短轴的长宽比等输入参数，设计径向支撑装置101沿椭圆短轴方向减重坑105，减重坑105的设计原则是保证径向支撑装置101椭圆形内孔边缘预留支撑结构111满足等厚5～10mm的前提下进行合理的轻量化减重，从而使最终的整套装置的径向质心110位于轴向支撑装置103的回转中心轴上；

将预先设计好的径向支撑装置101通过与径向支撑装置101连接的第二沉头通孔108进行定位和紧固；

将连接装配好的整套装置放置在转动惯量测试设备上，测量和验证整套装置的静态质心分布情况，若整套装置的径向质心110不在轴向支撑装置103的回转中心轴上，则拆下径向支撑装置101进行轻量化减重坑105的粗修整，保证整套装置的径向质心110在以回转中心轴为中心的径向偏移量小于1mm为止。

在椭圆形反射镜102和径向支撑装置101的椭圆形内孔104之间的等厚间隙内，注入光学蜡或者光学胶，光学蜡或者光学胶的填充实现椭圆形反射镜102与椭圆形内孔边缘预留支撑结构111之间的缝隙，既可以在反射镜在加工离心旋转过程中实现对椭圆形反射镜102的径向柔性支撑，并且同时将椭圆形反射镜102和径向支撑装置101连接成为一个整体，可以实现反射镜镜面的连续切削。

将整套装置通过轴向支撑装置的通孔109与单点金刚石车床相连，转动金刚石车床测量动平衡，利用径向支撑装置外圆的螺丝孔106的相应位置旋拧不同深度的螺钉，精确的调整主轴的动平衡。

动平衡精调整完成后，完成椭圆形反射镜102的连续切削。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，包括径向支撑装置、椭圆形反射镜和轴向支撑装置，所述轴向支撑装置设置在所述椭圆形反射镜背部，与所述椭圆形反射镜通过轴向支撑与反射镜连接孔连接，所述径向支撑装置与所述轴向支撑装置通过轴向支撑与径向支撑连接孔连接；

所述径向支撑装置与所述轴向支撑装置连接的面为平面，与所述椭圆形反射镜镜面相邻的面为与所述椭圆形反射镜镜面曲率和镜面矢高相匹配的曲面，所述径向支撑装置的外径为圆柱面。

2.根据权利要求1所述的大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，所述径向支撑装置的中心设置成与所述椭圆形反射镜外轮廓呈均匀间隙的椭圆形内孔。

3.根据权利要求1所述的大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，所述椭圆形反射镜的背部设置有反射镜背部轻量化结构。

4.根据权利要求2所述的大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，所述径向支撑装置还包括四个沿所述椭圆形内孔的短轴方向对称分布的减重坑，所述椭圆形内孔与所述减重坑之间预留一定厚度的镜面边缘预留支撑结构。

5.根据权利要求4所述的大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，所述镜面边缘预留支撑结构为椭圆环面。

6.一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造方法，该方法基于权利要求1所述的大口径反射镜单点金刚石车削加工制造装置，其特征在于，包括以下步骤：

将轴向支撑装置的两个连接平面进行高精度单点金刚石车削加工或研磨；

将椭圆形反射镜通过第一沉头通孔与所述轴向支撑装置进行定位和紧固；

将预先设计好的径向支撑装置通过与径向支撑装置连接的第二沉头通孔进行定位和紧固。

7.根据权利要求6所述的一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造方法，其特征在于，

在所述将预先设计好的径向支撑装置通过与径向支撑装置连接的第二沉头通孔进行定位和紧固的步骤之前，还包括：

根据所述椭圆形反射镜的轴向支撑结构和长短轴的长宽比输入参数，将径向支撑装置的中心设置成与所述椭圆形反射镜外轮廓呈均匀间隙的椭圆形内孔，设计径向支撑装置沿椭圆短轴方向对称分布的四个减重坑，所述椭圆形内孔与所述减重坑之间预留5~10mm的镜面边缘预留支撑结构。

8.根据权利要求7所述的一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造方法，其特征在于，将装配的装置放置在转动惯量测试设备上，测量和验证装置的静态质心分布情况，保证装置的静态质心在以回转中心轴的径向偏移量小于1mm。

9.根据权利要求8所述的一种大口径反射镜单点金刚石车削加工制造方法，其特征在于，在所述椭圆形反射镜和所述径向支撑装置的内孔之间注入光学蜡或者光学胶；将装置通过轴向支撑装置的安装孔与单点金刚石车床相连，转动金刚石车床测量动平衡，完成椭圆形反射镜的连续切削。