CN116690317A - 一种球面透镜加工方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球面透镜加工方法及加工装置，属于凹凸透镜加工技术领域，本发明根据透镜的尺寸进行合适的毛坯尺寸选取，通过开R砂轮实现超半球曲率面粗加工、精加工，并通过后工序磨边对透镜外径余量的去除，实现了先磨边外径，后磨边台阶面，保留透镜边厚完成前道加工工序需要对透镜的夹持，解决了之前无法实现或降低要求加工此类透镜的现状，实现透镜的中心偏、外圆圆柱面的修正，保证完全半球透镜的中心偏、外圆圆柱面符合品质要求，实现透镜的高质量加工。
Description
技术领域
本发明涉及透镜加工技术领域，具体涉及一种球面透镜加工方法及加工装置。
背景技术
在光学透镜冷加工中，一面为完全半球，另一面为有台面的圆柱形凹凸透镜的加工，之前只能通过常规加工顺序加工，通过首先保证完全半球透镜的外圆圆柱面外径，然后通过逐步加工透镜曲率面至完全半球曲率，导致透镜中心偏的存在（透镜光轴与透镜的机械轴偏离），无法通过常规加工工序，去除透镜的外径余量来纠正透镜中心偏，同时也无法修正透镜的外圆圆柱面，只能降低透镜中心偏及外圆圆柱面的品质要求，不能实现对凹凸透镜的高要求加工。
发明内容
技术目的：针对现有针对凹凸透镜加工方式，导致透镜容易出现中心偏并且无法进行纠正，导致无法实现高质量凹凸透镜加工的不足，本发明公开了一种利用开R砂轮进行超半球曲率的透镜加工，实现高质量凹凸透镜加工的球面透镜加工方法及加工装置。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种球面透镜加工方法，包括步骤：
S01、根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸，使毛坯尺寸超出透镜加工的磨削量；
S02、在毛坯上进行透镜凹面的加工；
S03、在毛坯相对于透镜凹面的另一侧进行透镜凸面的加工，毛坯在透镜凸面两端的外侧形成直径大于透镜凸面直径的夹持区；
S04、通过与夹持区对应的夹具与夹持区配合进行毛坯的夹紧，对透镜凸面中心区域进行抛光，对透镜凹面进行精磨加工；
S05、对毛坯夹持区的外径进行磨边加工，调整透镜光轴与机械轴偏差在设定范围内；
S06、对毛坯的透镜凸面和透镜凹面进行抛光，并对背离透镜凸面所在一侧边缘台面按照透镜加工尺寸进行磨削加工，得到成品透镜。
优选地，在本发明的步骤S01中，根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸的过程包括：根据铣磨加工设备对透镜加工的中心偏精度，计算加工毛坯所需的最小余量。
优选地，本发明的最小余量分为外径加工余量与厚度加工余量，所述厚度加工余量为透镜凸面铣磨、精磨、抛光去除量；所述外径加工余量的计算过程包括：先根据对透镜加工产生中心偏计算线性值，并将线性值转换为边厚差，并根据边厚差计算毛坯的外径加工余量，根据透镜的直径以及外径加工余量确定毛坯的径向尺寸。
优选地，本发明在确认毛坯径向尺寸时考虑毛坯倾斜引起的径向偏移量，所述径向偏移量根据透镜边厚长度以及毛坯倾斜角度进行计算，毛坯的径向尺寸大于透镜直径、最小加工余量以及径向偏移量之和。
优选地，在本发明的步骤S03中，对透镜凸面使用开R砂轮进行加工，开R砂轮按照透镜凸面尺寸进行加工，在透镜凸面与毛坯边缘交界处形成与开R砂轮端部弧形一致的过渡区，夹持区位于透镜凸面边缘与透镜凹面所在一侧的端面之间。
优选地，在本发明的步骤S05中进行磨边加工调整透镜中心偏的过程包括：使用磨边机的空心夹具对透镜凸面和透镜凹面进行同心夹持固定，空心夹具中心使用激光指示，使透镜中心与空心夹具中心同轴，然后通过设置在透镜侧面的磨边砂轮对透镜的外径进行磨边加工。
本发明还提供一种基于上述球面透镜加工方法的球面透镜加工装置，包括用于进行透镜凹面加工的端部为球状结构的圆柱状开R砂轮，用于对透镜凸面进行加工的环形圆柱状开R砂轮，用于夹持毛坯的夹持区进行透镜凸面和透镜凹面进行加工的凹槽圆柱状夹具，以及用于对透镜夹持定位进行磨边调整的空心夹具，所述凹槽圆柱状夹具在靠近透镜的一侧对应设有与透镜凸面或者透镜凹面形状相一致的安装槽，通过安装槽进行透镜的夹持，配合与透镜凸面或者透镜凹面匹配的加工模具进行精磨或者抛光加工。
优选地，本发明的空心夹具同心设有激光发射结构，所述激光发射结构发射的激光束与空心夹具同心，通过激光束对透镜进行定心调整。
优选地，本发明的凹槽圆柱状夹具在背离透镜毛坯所在一侧中心设有锥形凹点，通过锥形凹点与加工设备的压力头配合，在夹持透镜毛坯时，通过凹槽圆柱状夹具进行透镜毛坯位姿的调整。
有益效果：本发明所提供的一种球面透镜加工方法及加工装置具有如下有益效果：
1、本发明通过铣磨加工设备加工的中心偏精度，计算加工毛坯所需的最小余量，选择毛坯的外径尺寸，保证毛坯具备足够的加工余量用于后续的中心偏纠正，从而实现透镜的高精度高质量加工。
2、本发明利用开R砂轮进行透镜凸面的加工，在加工完透镜凸面后，在透镜凸面的边缘与毛坯表面的交界处形成与开R砂轮边缘相一致的弧形，使毛坯侧面形成供透镜加工时进行夹持的夹持区，可以保持夹持的稳定性，实现对透镜的高精度定位加工。
3、本发明的毛坯径向尺寸考虑因为毛坯倾斜引起的径向偏移，从而避免因为径向偏移，导致在偏心调整时，出现透镜边缘无法磨到，导致透镜的外圆柱柱面不完整的情形，提升产品加工良率。
4、本发明在调整透镜中心偏时先对透镜的中心区域进行精磨与抛光，配合中空的空心夹具与激光束，实现对透镜的定心，实现对透镜的磨边，便于调整透镜偏心。
5、本发明使用凹槽圆柱状夹具进行透镜的夹持固定，并在凹槽圆柱状夹具背面设置锥形凹点，以便通过夹具对透镜的方位进行调整。
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介绍。
图1为本发明进行透镜凹面加工示意图；
图2为本发明进行透镜凸面加工示意图；
图3为本发明进行透镜凸面中心区域抛光示意图；
图4为本发明进行透镜凹面精磨加工示意图；
图5为本发明进行透镜磨边加工示意图；
图6为本发明进行透镜凸面抛光加工示意图；
图7为本发明进行透镜凹面抛光加工示意图；
图8为本发明进行透镜台面加工示意图；
图9为现有透镜加工方式进行透镜磨边加工前后对比图；
图10为本发明进行透镜磨边加工前后对比图；
图11为本发明透镜结构示意图；
其中，1-透镜凹面、2-圆柱状开R砂轮、3-透镜凸面、4-环形圆柱状开R砂轮、5-夹持区、6-空心夹具、7-凹槽圆柱状夹具、8-锥形凹点、9-开R机器夹具、10-弧形圆柱状抛光模、11-弧形圆柱状精磨模、12-磨边砂轮、13-安装槽。
实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1-图10所示，本发明公开了一种球面透镜加工方法，包括步骤：
S01、根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸，使毛坯尺寸超出透镜加工的磨削量；
根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸的过程包括：根据铣磨加工设备对透镜加工的中心偏精度，计算加工毛坯所需的最小余量，如图11所示，凹凸透镜的尺寸包括透镜直径D，透镜厚度H，透镜凹面曲率R1，透镜凸面曲率R2，透镜边厚L，透镜中心偏X。
最小余量分为外径加工余量与厚度加工余量，所述厚度加工余量为透镜凸面铣磨、精磨、抛光去除量，一般加工量共计0.5mm，并且透镜凹面的加工从毛坯的端面箱内切削，不需要增加厚度，因此毛坯的厚度一般为H+0.5mm；所述外径加工余量的计算过程包括：先根据对透镜加工产生中心偏计算线性值C，C=0.291(n-1)*L’*X/1000，其中n表示透镜的透射率，L’为像顶焦距，X为开R加工产生的透镜中心偏，单位为分，一般中心偏心量为1分。
然后，根据Δt=C*D/R2，将线性值转换为边厚差，Δt为透镜边厚差；并根据边厚差计算毛坯的外径加工余量，Δt=|ΔD(ΔD+D)(R1-R2-d)/2R1*R2|，ΔD为外径加工余量，d为透镜凹面和透镜曲面中心之间的距离；根据透镜的直径以及外径加工余量确定毛坯的尺寸为D+ΔD。
因为毛坯自身柱面倾斜引起的径向偏移量c=tanY*L，Y表示毛坯表面相较于轴线的倾斜角度，一般可以控制在1分以内，在透镜边厚L较短时数值很小，因此可以忽略径向偏移的影响，但是在透镜边厚较长时，即使倾斜的角度很小，因为透镜边厚加大，同样引起的径向偏移也会较大，从而导致透镜的柱面沿长度方向产生偏差，在进行中心偏修正时，如图9所示，因为毛坯表面倾斜产生的径向偏移较大，导致透镜外圆圆柱面外径出现磨不到的情况，进而导致外圆圆柱面不完整，影响透镜的加工质量；为此本发明在确认毛坯尺寸时考虑在透镜边厚较长时，因为毛坯倾斜引起的径向偏移量，所述径向偏移量根据透镜边厚长度以及毛坯的倾斜角度进行计算，毛坯的径向尺寸大于透镜直径、最小加工余量以及径向偏移量之和。
S02、在毛坯上进行透镜凹面的加工；
S03、在毛坯相对于透镜凹面的另一侧进行透镜凸面的加工，在本实施例中，对透镜凸面使用开R砂轮进行加工，开R砂轮使用环形圆柱状开R砂轮，开R砂轮按照透镜凸面尺寸进行加工，在透镜凸面与毛坯边缘交界处与开R砂轮端部弧形一致，夹持区位于透镜凸面边缘与透镜凹面所在一侧的端面之间，夹持区直径大于透镜凸面的直径，以便在进行透镜凹面与凸面加工时对透镜的夹持固定，并且在后续磨边的过程中，能够将夹持区磨掉，不会对最终的成品透镜质量产生影响；
S04、通过与夹持区对应的夹具与夹持区配合进行毛坯的夹紧，对透镜凸面中心区域进行抛光，对透镜凹面进行精磨加工，初步加工，以便后续激光束可以顺利穿过透镜中心，便于后续通过磨边进行中心偏的调整；
S05、对毛坯夹持区的外径进行磨边加工，调整透镜光轴与机械轴偏差在设定范围内；在进行磨边加工时，使用磨边机的在空心夹具对透镜凸面和透镜凹面进行夹持固定，空心夹具中心使用激光指示，通过设置在透镜侧面的磨边砂轮对透镜的外径进行磨边加工。
S06、对毛坯的透镜凸面和透镜凹面进行抛光，并对背离透镜凸面所在一侧边缘进行台面按照透镜加工尺寸进行磨削加工，得到成品透镜。
本发明还提供一种基于上述球面透镜加工方法的球面透镜加工装置，包括用于进行透镜凹面1加工的端部为球状结构的圆柱状开R砂轮2，用于对透镜凸面3进行加工的环形圆柱状开R砂轮4，用于夹持毛坯的夹持区5进行透镜凸面3和透镜凹面1进行加工的凹槽圆柱状夹具，以及用于对透镜夹持定位进行磨边调整的空心夹具6，所述凹槽圆柱状夹具7在靠近透镜的一侧对应设有与透镜凸面3或者透镜凹面1形状相一致的安装槽，通过安装槽进行透镜的夹持，配合与透镜凸面3或者透镜凹面1匹配的加工模具进行精磨或者抛光加工，凹槽圆柱状夹具7在背离透镜毛坯所在一侧中心设有锥形凹点8，通过锥形凹点8与加工设备的压力头配合，在夹持透镜毛坯时，进行凹槽圆柱状夹具7位姿的调整。
为便于在磨边时进行定心，本发明的空心夹具6同心设有激光发射结构，所述激光发射结构发射的激光束与空心夹具6同心，通过激光束对透镜进行定心调整。
下面以一具体的实施例对本发明的加工过程进行说明：
如图11所示，本实施例中，凹凸透镜的尺寸：透镜直径D=41mm，透镜厚度H=33mm，透镜凹面曲率R1=23mm，透镜凸面曲率R2=20.5mm，透镜边厚L=13mm，透镜中心偏X=1′；毛坯的厚度按照透镜厚度H进行选取，在透镜厚度基础上考虑透镜凸面铣磨、精磨与抛光去除量共计0.5mm，因此毛坯厚度选取大于33.5mm。
线性值C=0.291(n-1)*L’*X/1000=0.291(1.5168-1)*55.448*1′/1000=0.012mm；
透镜边厚差Δt=C*D/R2=0.012*41/20.5=0.024mm；
Δt=|ΔD(ΔD+D)(R1-R2-d)/2R1*R2|，将数值带入得：ΔD =0.04mm，
（毛坯倾斜导致的径向偏移）c =tanY*L=0.03mm；
因此毛坯的最小外径尺寸为41+0.04+0.03=41.07mm，考虑到镜片破边等因素，在本实施例中，毛坯直径定为41.2mm。
在选定毛坯后，如图1所示，使用带有凹槽的夹具进行毛坯的夹持，圆柱状开R砂轮2进行透镜凹面1的加工，毛坯使用K9玻璃材料，圆柱状开R砂轮2材料为金属，优选为不锈钢，在加工的弧形面上加载一层金刚石，金刚石粒度一般为270#~400#，其中另一端为有螺纹，与机器主轴连接；夹具材料为塑料，优选为白赛钢，夹具背离毛坯的另一端为有螺纹，与机器主轴连接，两个机器主轴沿相反的方向转动，进行透镜凹面1的磨削加工。
如图2所示，在加工完透镜凹面1后，将透镜放置在开R机器夹具9中，使用环形圆柱状开R砂轮4进行透镜凸面3的加工，环形圆柱状开R砂轮4，材料为金属，优选为不锈钢，特征一端为环形砂轮刃口为圆弧形状，并加载了一层金刚石，粒度一般为270#~2000#；开R机器夹具9，材料为塑料，优选为白赛钢，其中一端开设凹槽进行透镜毛坯的夹持固定，另一端为有螺纹，与机器主轴连接，调整好环形圆柱状开R砂轮4的角度及进刀距离启动机器加工，得到加工完透镜凸面曲率半径及一定中心厚度及表面外观的透镜，同时保证透镜的两曲率面的偏心在要求范围内，设定为1分，其中透镜的曲面曲率边缘的凸出为与砂轮弧形一致，其开R采用两道加工，一道砂轮采用300#，机器转速3000转/分，压力0.5公斤，二道采用2000#，机器转速3000转/分，压力0.5公斤，完成对透镜凸面的磨削和精磨。
为便于后续对凹凸透镜定心进行磨边，本发明使用激光辅助定心，如图3和图4所示，使用相应的凹槽圆柱状夹具7进行透镜的夹持固定，使用弧形圆柱状抛光模10进行透镜凸面3中心附近的抛光，弧形圆柱状抛光模10材料为金属，优选为铸铁，抛光模的弧形面直径小于透镜凸面的直径，防止模具对透镜凸面边缘的夹持区相干涉，在抛光模的弧形面上加载抛光皮，抛光皮材质优选为绒布。
使用弧形圆柱状精磨模11进行透镜凹面的精磨，弧形面上加载一层金刚石，粒度为1200#~2000#，凹槽圆柱状夹具7材料为塑料，优选为白赛钢，对透镜凹面1的精磨加工一般分两道加工，一道使用1200#丸片，机器转速2000转/分，压力0.5~1公斤，二道使用2000#丸片，机器转速2000转/分，压力0.5~1公斤，获得透镜的要求曲率，厚度及外观，此道工序一般用1800#加工，选用更细粒度的2000#，获得表面亮度更高的透镜凹面，利于后工序磨边加工时，激光光线能完全透过。
如图5所示，在对凹凸透镜的中心区域进行对应的抛光与精磨加工后，将透镜放置在两个空心夹具6之间，并通过与空心夹具6同心设置的激光发生结构产生的激光束进行透镜的定心，根据激光指示定心情况进行调整，直至镜片1的偏心符合要求；空心夹具材料为金属，优选为铜，其中一端为弧形光滑刃口，一端为有螺纹，与机器主轴相连，在机器主轴的带动下转动，配合设置在透镜侧边的磨边砂轮12进行透镜的磨边修正，获得一定直径及中心偏的透镜；磨边砂轮12为圆柱形磨边砂轮，材料为金属，优选为不锈钢，其中圆柱面上加载了一层金刚石，粒度号为400#~800#。
如图6和图7所示，使用与磨边后的透镜尺寸相一致的凹槽圆柱状夹具7进行透镜的夹持，并使用相应的抛光模进行透镜凹面与透镜凸面的整体抛光，抛光模在靠近透镜的一侧表面上加载一层抛光材料，优选为沥青，另一端设有螺纹并与机器主轴相连接，在机器压力头至凹槽圆柱状夹具7背面凹点，启动机器进行加工，曲率面型，外观，厚度符合要求的透镜。
如图8所示，同样使用空心夹具6进行透镜的夹持定位，并使用磨边砂轮12对透镜的端面台阶进行磨削加工，材料为金属，优选为不锈钢，其中圆柱面侧面加载了一层金刚石，粒度为400#~800#，获得符合要求的台宽度及垂直度的透镜。
本发明图9和图10中提供了使用现有加工方式以及使用本发明加工方式对透镜磨边加工的对比图，本发明在计算毛坯直径时考虑毛坯倾斜引起的径向偏移，保证在磨边时能够对透镜圆柱面外径整体进行加工，不会出现图9中加工后存在虚线区域的未加工到的情形，保证外圆圆柱面的完整性，本发明利用特殊的开R砂轮，实现了超半球曲率的透镜的加工，并通过后续磨边加工对透镜外径余量的去除，实现了完全半球透镜（直径等于2倍曲率）的透镜外径实现，并通过常规加工工序的变化，实现了先磨边外径，后磨边台阶面，保留透镜边厚完成前道加工工序需要对透镜的夹持，解决了之前无法实现或降低要求加工此类透镜的现状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种球面透镜加工方法，其特征在于，包括步骤：
S01、根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸，使毛坯尺寸超出透镜加工的磨削量；
S02、在毛坯上进行透镜凹面的加工；
S03、在毛坯相对于透镜凹面的另一侧进行透镜凸面的加工，毛坯在透镜凸面两端的外侧形成直径大于透镜凸面直径的夹持区；
S04、通过与夹持区对应的夹具与夹持区配合进行毛坯的夹紧，对透镜凸面中心区域进行抛光，对透镜凹面进行精磨加工；
S05、对毛坯夹持区的外径进行磨边加工，调整透镜光轴与机械轴偏差在设定范围内；
S06、对毛坯的透镜凸面和透镜凹面进行抛光，并对背离透镜凸面所在一侧边缘台面按照透镜加工尺寸进行磨削加工，得到成品透镜。
2.根据权利要求1所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，在步骤S01中，根据透镜加工尺寸确认毛坯尺寸的过程包括：根据铣磨加工设备对透镜加工的中心偏精度，计算加工毛坯所需的最小余量。
3.根据权利要求2所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，所述最小余量分为外径加工余量与厚度加工余量，所述厚度加工余量为透镜凸面铣磨、精磨、抛光去除量；所述外径加工余量的计算过程包括：先根据对透镜加工产生中心偏计算线性值，并将线性值转换为边厚差，并根据边厚差计算毛坯的外径加工余量，根据透镜的直径以及外径加工余量确定毛坯的径向尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，在确认毛坯径向尺寸时考虑毛坯倾斜引起的径向偏移量，所述径向偏移量根据透镜边厚长度以及毛坯倾斜角度进行计算，毛坯的径向尺寸大于透镜直径、最小加工余量以及径向偏移量之和。
5.根据权利要求1所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，在步骤S03中，对透镜凸面使用开R砂轮进行加工，开R砂轮按照透镜凸面尺寸进行加工，在透镜凸面与毛坯边缘交界处形成与开R砂轮端部弧形一致的过渡区，夹持区位于透镜凸面边缘与透镜凹面所在一侧的端面之间。
6.根据权利要求1所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，在步骤S05中进行磨边加工调整透镜中心偏的过程包括：使用磨边机的空心夹具对透镜凸面和透镜凹面进行同心夹持固定，空心夹具中心使用激光指示，使透镜中心与空心夹具中心同轴，然后通过设置在透镜侧面的磨边砂轮对透镜的外径进行磨边加工。
7.一种球面透镜加工装置，使用权利要求1-6任一所述的一种球面透镜加工方法，其特征在于，包括用于进行透镜凹面（1）加工的端部为球状结构的圆柱状开R砂轮（2），用于对透镜凸面（3）进行加工的环形圆柱状开R砂轮（4），用于夹持毛坯的夹持区（5）进行透镜凸面（3）和透镜凹面（1）进行加工的凹槽圆柱状夹具（7），以及用于对透镜夹持定位进行磨边调整的空心夹具（6），所述凹槽圆柱状夹具（7）在靠近透镜的一侧对应设有与透镜凸面（3）或者透镜凹面（1）形状相一致的安装槽（13），通过安装槽（13）进行透镜的夹持，配合与透镜凸面（3）或者透镜凹面（1）匹配的加工模具进行精磨或者抛光加工。
8.根据权利要求7所述的一种球面透镜加工装置，其特征在于，所述空心夹具（6）同心设有激光发射结构，所述激光发射结构发射的激光束与空心夹具（6）同心，通过激光束对透镜进行定心调整。
9.根据权利要求7所述的一种球面透镜加工装置，其特征在于，所述凹槽圆柱状夹具（7）在背离透镜毛坯所在一侧中心设有锥形凹点（8），通过锥形凹点（8）与加工设备的压力头配合，在夹持透镜毛坯时，通过凹槽圆柱状夹具（7）进行透镜毛坯位姿的调整。
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