CN117681082A - 一种光学非球面透镜修抛一体化加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学非球面透镜修抛一体化加工装置及方法，所述装置包括仿形加工工具、供液泵、抛光液槽、吸附夹具、旋转平台、旋转电机和三轴运动平台。本发明根据目标非球面透镜的表面轮廓曲线设计相应的仿形加工工具，首先通过接触式加工快速去除材料，获得接近非球面透镜的面形轮廓，随后继续使用该仿形加工工具采用剪切增稠抛光方法对修形后的非球面透镜进行非接触抛光，获得高质量高面形精度的非球面透镜，同时由于不需要更换加工工具和加工设备，可大大提高加工效率。本发明设计的仿形加工工具，在修形阶段以较高的材料去除量获得较好的非球面透镜的面形精度，在抛光阶段采用非接触的方式，可自适应性地实现高面形精度和表面质量。
Description
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，特别涉及一种光学非球面透镜修抛一体化加工装置及方法。
背景技术
光学非球面透镜相较于传统的球面透镜具有消除像差、获得更广的视场等优势，在光学系统中一个非球面透镜可以达到3-4个球面透镜的效果，可实现光学元件更小、轻便的设计进而减轻仪器重量并降低成本。因此非球面透镜广泛应用于卫星、导弹导引头等军工领域及照相机、X光镜头、光刻机镜头等光学、医疗器械、工业等领域。
随着当前设备朝小型化和精密化发展，对非球面透镜表面质量和面型精度的要求更加苛刻，往往要求非球面透镜表面具备纳米级的表面粗糙度及微米级的面型精度。但非球面透镜面型复杂，表面各点曲率不同，如何在保证其面型精度的同时又获得高质量表面成为非球面透镜制造和加工过程中的重点和难点。传统的玻璃模压成型技术虽然可一步成型非球面透镜，但该技术过度依赖高精度模具并且成型过程中不可避免地会产生残余应力影响面型精度。由于当前球面透镜的加工工艺已非常成熟，目前批量化生产中第一步是先加工出距非球面透镜最接近球面的一面，随后通过修形、抛光工艺来获得高质量的非球面透镜。修形工艺主要为了快速获得非球面面形而需要大量去除材料；而抛光工艺主要作用是去除前道工序产生的表面损伤，降低表面粗糙度和进一步提高面形精度，从而材料去除率较低。两种工艺侧重点不同，因此加工高质量非球面透镜的流程中均需要进行多加工设备和加工方法的转换，一方面增加了设备成本，另一方面也降低了效率。因此，研究一种简便高效的修抛一体化设备及方法对高质量非球面透镜的批量化生产具有重要的意义。
中国专利CN202111334756.6公开了一种基于温控磁流变的蓝宝石非球面元件修形及组合抛光方法。该专利采用CCOS浸没式抛光、磁流变抛光和离子束抛光组合加工的方法，实现蓝宝石非球面元件的加工。该组合加工方法采用方法较多，且加工中需根据表面缺陷进行多种方法和设备转换加工，效率低下，其中磁流变抛光和离子束抛光设备昂贵成本较高。
中国专利CN202310117169.4公开了一种小口径非球面光学元件的磨抛检集成加工设备。该专利集成了磨削、抛光和检测机构，可实现非球面光学元件的一体化加工和检测。但是在加工时需要更换不同尺寸的抛光头且所采用的方法均为传统的接触式加工，即使在最后的精抛工艺下也易在工件表面留下损伤和缺陷并且难以保证非球面光学元件的面形精度。
中国专利CN202310027479.7公开了一种光学透镜的剪切增稠抛光装置及方法。该专利利用非牛顿流体的剪切增稠效应设计仿形工具对光学透镜进行非接触抛光，从而获得高表面质量的光学透镜。但该装置和方法仅能进行抛光，难以进行非球面透镜的修形。
发明内容
针对目前光学非球面透镜加工中所用设备成本高、加工步骤繁琐，效率低等问题，本发明要提出一种成本低廉、加工步骤简单且高效率的光学非球面透镜修抛一体化加工装置及方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种非球面透镜修抛一体化加工装置，包括仿形加工工具、供液泵、抛光液槽、吸附夹具、旋转平台、旋转电机和三轴运动平台；
所述的三轴运动平台包括台面、X向轨道、X向滑块、桁架、Y向轨道、Y向滑块、Z向轨道和Z向滑块，所述X向轨道固定在台面上，所述X向滑块与X向轨道滑动连接；所述Y向轨道固定在桁架的横梁上，所述Y向滑块与Y向轨道滑动连接；所述Z向轨道固定在Y向滑块上，所述Z向滑块与Z向轨道滑动连接；所述X向滑块、Y向滑块和Z向滑块分别通过对应的滚珠丝杠结构控制运动速度和距离；
所述的旋转电机固定在Z向滑块上；
所述的仿形加工工具同轴安装在旋转电机上，随着旋转电机运动；
所述的抛光液槽固定在三轴运动平台的X向滑块上；
所述的旋转平台固定在抛光液槽的中心处，所述吸附夹具固定在旋转平台上；
所述供液泵安装在抛光液槽的上方，供液泵输送冷却液。
进一步地，所述的仿形加工工具为全口径非球面轮廓仿形抛光头，材料为镍磷合金，表面粘贴0.5-0.7mm砂纸或阻尼抛光垫。
进一步地，所述的全口径非球面轮廓仿形抛光头的旋转轴设置为水平方式。
进一步地，所述的抛光液槽底部有出水口，通过出水口将冷却液排出。
进一步地，所述仿形加工工具包括外凸非球面透镜仿形加工工具和内凹非球面透镜仿形加工工具。
进一步地，所述的冷却液为给工件降温的液态介质。
一种非球面透镜修抛一体化加工方法，利用非球面透镜修抛一体化加工装置进行加工，包括以下步骤：
第一步：根据目标非球面透镜轮廓曲线在三维软件设计对应的仿形加工工具并进行建模。
第二步：制作仿形加工工具。将模型导入到数控单点金刚石车削机床编程软件中，编写刀具运动轨迹的程序，根据程序对镍磷合金材质棒料进行车削，获得高精度仿形加工工具。
第三步：进行接触式修形加工。使用热熔胶将吸附夹具固定在旋转平台上，随后将最接近目标非球面透镜的球面透镜通过吸附夹具固定在抛光液槽中心，在固定过程中通过千分表使球面透镜与旋转平台的同心度误差在±10μm内。在仿形加工工具表面贴上砂纸并安装到旋转电机上，调节Z向滑块使仿形加工工具表面与球面透镜表面相接触，开启供液泵并调节冷却液的流量为200-250ml/min，调节旋转平台的转速为5-6r/min，调节旋转电机的转速为800-1000rpm，并使Z向滑块以0.5mm/min的速度向透镜方向移动，最大移动距离为球面透镜与非球面透镜轮廓偏差的最大距离。
第四步：检测面形轮廓。修形后对非球面透镜表面轮廓进行测量，当修形后非球面透镜轮廓误差小于10μm时，则转第五步；否则，返回第三步，并更换砂纸。
第五步：进行非接触抛光。关闭抛光液槽底部的出水口，撤去供液泵，将仿形加工工具表面砂纸换为阻尼抛光垫，调节三轴运动平台Z向滑块使仿形加工工具表面与非球面透镜表面之间的间隙为0.1-0.2mm，将剪切增稠抛光液倒入供液槽中直至将非球面透镜完全淹没，调节旋转平台的转速为4-5r/min，调节旋转电机的转速为1200-3000rpm，对非球面透镜进行非接触抛光。
第六步：检测表面质量和轮廓误差。对抛光后非球面透镜表面质量和轮廓进行检测，若非球面透镜轮廓误差小于1μm，表面粗糙度小于10nm时，则抛光完成，否则返回第五步。
进一步地，第三步所述砂纸的粒度为：初次800#，第二次更换为1200#，第三次更换为2500#，第四次更换为3000#，第四次之后继续更换为3000#。
进一步地，第五步所述剪切增稠抛光液是去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、氧化剂的混合物。所述多羟基聚合物粒子，比例为25-35wt.％；所述的磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种的组合，粒径为0.05-5μm，比例5-15wt.％；所述的氧化剂选用双氧水、高猛酸钾的一种。
本发明的有益效果为：
1、本发明根据目标非球面透镜的表面轮廓曲线设计相应的仿形加工工具，首先通过接触式加工快速去除材料，获得接近非球面透镜的面形轮廓，随后继续使用该仿形加工工具采用剪切增稠抛光方法对修形后的非球面透镜进行非接触抛光，获得高质量高面形精度的非球面透镜，同时由于不需要更换加工工具和加工设备，可大大提高加工效率。
2、本发明设计的仿形加工工具，在修形阶段以较高的材料去除量获得较好的非球面透镜的面形精度，在抛光阶段采用非接触的方式，一方面可不引入缺陷和损伤，另一方面可自适应性地实现高面形精度和表面质量，最终实现高面形精度低表面粗糙度非球面透镜的加工。
附图说明
图1为外凸球面透镜仿形修形加工示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为修形后外凸非球面透镜示意图；
图4为修形后外凸非球面透镜仿形抛光示意图；
图5为内凹球面透镜仿形修形加工示意图；
图6为修形后内凹非球面透镜示意图；
图7为修形后内凹非球面透镜仿形抛光示意图；
图8为球面透镜修抛为非球面透镜的加工流程示意图。
图中：1-外凸非球面透镜仿形加工工具；2-供液泵；3-冷却液；4-抛光液槽；5-外凸球面透镜；6-吸附夹具；7-旋转平台；8-旋转电机；9-三轴运动平台；10-修形后外凸非球面透镜；11-剪切增稠抛光液；12-内凹非球面透镜仿形加工工具；13-内凹球面透镜；14-修形后内凹非球面透镜。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理及技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。
实施例1：口径100mm的外凸非球面透镜修形抛光加工。
如图1-4所示，口径100mm外凸球面透镜修形抛光至非球面透镜的步骤如下：
第一步：根据目标外凸非球面非球面透镜10的表面轮廓通过单点金刚石车削出外凸非球面透镜仿形加工工具1，并在外凸非球面透镜仿形加工工具1表面贴上800#的砂纸并通过联轴器固定在旋转电机8上。将抛光液槽4通过螺栓固定在三轴运动平台9的X向滑块上，随后将旋转平台7通过螺栓固定在抛光液槽4中心，利用吸附夹具6将100mm外凸球面透镜5固定在旋转平台7上，并保证外凸球面透镜5与旋转平台7的同心度。调节三轴运动平台9的X、Y、Z向滑块使仿形加工工具1的回转中心与外凸球面透镜5的中心对齐，并使仿形加工工具1与外凸球面透镜5表面相接触。
第二步：打开抛光液槽4右下角的出水口开关，设置供液泵2流速为200-250ml/min、旋转平台7转速为5-6r/min、旋转电机8的转速为800-1000rpm，旋转电机8沿Z向轨道负方向运动的速度为0.5mm/min，最大运动距离为外凸球面透镜5与修形后外凸非球面透镜10轮廓相差的最大距离。依次启动供液泵2、旋转平台7和旋转电机8。
第三步：在三轴运动平台9的Z向滑块运动至最低点返回至初始点后，将仿形加工工具1表面贴的800#砂纸换为1200#砂纸，(后续再返回时按照该步骤依次换为2500#和3000#砂纸)，加工后对修形后外凸非球面透镜10表面轮廓进行测量，若表面轮廓最大误差小于10μm，则进行下一步，否则采用3000#的砂纸贴附在仿形加工工具1继续进行接触加工直至测量合格。
第四步：关闭抛光液槽4的出水口，撤去供液泵2，将仿形加工工具1表面的砂纸换为阻尼垫。设置旋转平台7转速为4-5r/min、旋转电机8的转速为1200-3000rpm，调节三轴运动平台9的Z向滑块使仿形加工工具1与修形后外凸非球面透镜10的抛光间隙为0.01-0.02mm。配置剪切增稠抛光液11，并将剪切增稠抛光液11倒入抛光液槽4中直至淹没修形后外凸非球面透镜10的最高点，依次启动旋转平台7和旋转电机8，进行非接触抛光。所采用非接触抛光方法的材料去除率主要与抛光间隙相关，因此在接触式抛光后留下的凹凸不平之处形成的轮廓误差在非接触抛光中，凸起部分由于与加工工具表面间隙更小，材料去除量更高，凹坑处则因与加工工具的表面间隙较大，材料去除较慢，最终自适应性地实现高面形精度和高表面质量的非球面透镜抛光。
第五步：在抛光30min后对修形后外凸非球面透镜10的面形精度和表面粗糙度进行检测，若面形轮廓误差小于1μm，表面粗糙度小于10nm，则抛光完成，否则返回第四步再进行非接触抛光，再检测，直至符合加工要求。
第六步：完成。
实施例2：口径100mm的内凹非球面透镜修形抛光加工。
如图5-7所示，口径100mm内凹球面透镜修形抛光至非球面透镜。本实施方式与实施例1不同的是，加工的工件为内凹球面透镜13，对应采用的仿形加工工具为内凹非球面透镜仿形加工工具12。其他步骤及参数设置与实施例1相同。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，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，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：包括仿形加工工具、供液泵(2)、抛光液槽(4)、吸附夹具(6)、旋转平台(7)、旋转电机(8)和三轴运动平台(9)；
所述的三轴运动平台(9)包括台面、X向轨道、X向滑块、桁架、Y向轨道、Y向滑块、Z向轨道和Z向滑块，所述X向轨道固定在台面上，所述X向滑块与X向轨道滑动连接；所述Y向轨道固定在桁架的横梁上，所述Y向滑块与Y向轨道滑动连接；所述Z向轨道固定在Y向滑块上，所述Z向滑块与Z向轨道滑动连接；所述X向滑块、Y向滑块和Z向滑块分别通过对应的滚珠丝杠结构控制运动速度和距离；
所述的旋转电机(8)固定在Z向滑块上；
所述的仿形加工工具同轴安装在旋转电机(8)上，随着旋转电机(8)运动；
所述的抛光液槽(4)固定在三轴运动平台(9)的X向滑块上；
所述的旋转平台(7)固定在抛光液槽(4)的中心处，所述吸附夹具(6)固定在旋转平台(7)上；
所述供液泵(2)安装在抛光液槽(4)的上方，供液泵(2)输送冷却液(3)。
2.根据权利要求1所述一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：所述的仿形加工工具为全口径非球面轮廓仿形抛光头，材料为镍磷合金，表面粘贴0.5-0.7mm砂纸或阻尼抛光垫。
3.根据权利要求1所述一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：所述的全口径非球面轮廓仿形抛光头的旋转轴设置为水平方式。
4.根据权利要求1所述一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：所述的抛光液槽(4)底部有出水口，通过出水口将冷却液(3)排出。
5.根据权利要求1所述一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：所述仿形加工工具包括外凸非球面透镜仿形加工工具(1)和内凹非球面透镜仿形加工工具(12)。
6.根据权利要求1所述一种非球面透镜修抛一体化加工装置，其特征在于：所述的冷却液(3)为给工件降温的液态介质。
7.一种非球面透镜修抛一体化加工方法，其特征在于：利用如权利要求1-6所述任一种非球面透镜修抛一体化加工装置进行加工，包括以下步骤：
第一步：根据目标非球面透镜轮廓曲线在三维软件设计对应的仿形加工工具并进行建模；
第二步：制作仿形加工工具；将模型导入到数控单点金刚石车削机床编程软件中，编写刀具运动轨迹的程序，根据程序对镍磷合金材质棒料进行车削，获得高精度仿形加工工具；
第三步：进行接触式修形加工；使用热熔胶将吸附夹具(6)固定在旋转平台(7)上，随后将最接近目标非球面透镜的球面透镜通过吸附夹具(6)固定在抛光液槽(4)中心，在固定过程中通过千分表使球面透镜与旋转平台(7)的同心度误差在±10μm内；在仿形加工工具表面贴上砂纸并安装到旋转电机(8)上，调节Z向滑块使仿形加工工具表面与球面透镜表面相接触，开启供液泵(2)并调节冷却液(3)的流量为200-250ml/min，调节旋转平台(7)的转速为5-6r/min，调节旋转电机(8)的转速为800-1000rpm，并使Z向滑块以0.5mm/min的速度向球面透镜方向移动，最大移动距离为球面透镜与非球面透镜轮廓偏差的最大距离；
第四步：检测面形轮廓；修形后对非球面透镜表面轮廓进行测量，当修形后非球面透镜轮廓误差小于10μm时，则转第五步；否则，返回第三步，并更换砂纸；
第五步：进行非接触抛光；关闭抛光液槽(4)底部的出水口，撤去供液泵(2)，将仿形加工工具表面砂纸换为阻尼抛光垫，调节三轴运动平台(9)Z向滑块使仿形加工工具表面与非球面透镜表面之间的间隙为0.1-0.2mm，将剪切增稠抛光液(11)倒入抛光液槽(4)中直至将非球面透镜完全淹没，调节旋转平台(7)的转速为4-5r/min，调节旋转电机(8)的转速为1200-3000rpm，对非球面透镜进行非接触抛光；
第六步：检测表面质量和轮廓误差；对抛光后非球面透镜表面质量和轮廓进行检测，若非球面透镜轮廓误差小于1μm，表面粗糙度小于10nm时，则抛光完成，否则返回第五步。
8.根据权利要求7所述一种非球面透镜修抛一体化加工方法，其特征在于：第三步所述砂纸的粒度为：初次为800#，第二次更换为1200#，第三次更换为2500#，第四次更换为3000#，第四次之后继续更换为3000#。
9.根据权利要求7所述一种非球面透镜修抛一体化加工方法，其特征在于：第五步所述剪切增稠抛光液(11)是去离子水、多羟基聚合物粒子、磨粒、氧化剂的混合物；所述多羟基聚合物粒子，比例为25-35wt.％；所述的磨粒选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种的组合，粒径为0.05-5μm，比例5-15wt.％；所述的氧化剂选用双氧水、高猛酸钾的一种。
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