CN117784299A - 一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，包括：对镜坯铣磨加工，获得透镜阵列外形轮廓和基准面；将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并固连，将安装有镜坯的车削工装固定至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与透镜单元中心的位置关系调整各透镜单元中心至与车床C轴中心重合，依次完成各透镜单元凹面加工；将透镜阵列镜坯从车削工装中取出并翻面，以透镜阵列凹面平台为基准面与车削工装装配固定并安装至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与镜坯机械中心的位置关系调整镜坯机械中心至与车床C轴中心重合，对透镜阵列凸面粗加工成型；对透镜阵列凸面精加工。

Description

一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法

技术领域

本发明属于超精密光学加工技术领域，特别涉及一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法。

背景技术

随着高性能光学遥感需求和先进光学系统设计技术的不断发展，面形轮廓复杂、指标精度苛刻的新型光学元件高效高精度研制需求不断增加。一种无缝拼接的超大尺寸光学透镜阵列将9个相同面形轮廓的透镜单元集成为单个光学元件，不仅要求各透镜单元的加工精度以及各透镜单元之间的拼缝宽度，而且对各透镜单元之间的指标一致性有严格要求，其加工精度和成型尺寸均远远超出衍射光学用的微透镜阵列，加工难度非常大。模压成型技术虽然可以实现复杂轮廓的一体成型，但成型精度较低，无法满足本发明透镜阵列研制要求。微透镜阵列加工所用的快刀伺服超精密车削加工技术适用的面形轮廓矢高差通常不大于1mm，不适用于本发明透镜阵列。若采用各透镜单元先单独加工再胶粘组合的工艺路线，虽然可以保证各透镜单元的加工精度，但胶粘工艺无法满足各透镜单元之间的拼缝宽度和光轴偏差指标要求，且存在结构安全隐患。

综上，目前亟需一种高精度高效的一体成型加工方法，解决本发明超大尺寸光学透镜阵列研制难题，支撑新型高性能光学遥感器发展。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对超大尺寸光学透镜阵列的研制需求以及当前工艺无法满足研制需求的困境，提供一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，基于超精密单点金刚石车床，对各透镜单元透镜凹面逐一回转车削，对透镜凸面采用超精密铣磨成型和慢刀伺服车削，不仅能有效提高超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工效率，而且能确保各透镜单元加工精度，透镜阵列各单元之间的拼缝做圆弧过渡处理，能够避免刀尖在拼缝处产生过切，导致拼缝宽度增大，提升光学透镜阵列表面加工质量。

该超大尺寸光学透镜阵列的加工方法的加工原理及依据为：1、在镜坯铣磨时先加工出高精度的定位基准面A/B/C/D/E，A基准面为镜坯的上表面或下表面，保证镜坯在车削工装上的安装平面度，B/C/D/E基准面为镜坯的四个侧向面；2、B/C/D/E基准面至透镜单元中心的距离设计值已知，在加工透镜阵列凹面时利用千分表测量B/C/D/E基准面与车床C轴中心的相对位置，调整车削工装，使B/C/D/E基准面至车床C轴中心的距离与B/C/D/E基准面至透镜单元中心的距离设计值相等，实现单个透镜单元中心与车床C轴中心的高精度重合，用普通车削工艺完成单个透镜单元凹面的车削加工，依次更换透镜阵列镜坯放置位置实现透镜阵列所有透镜单元凹面加工；3、完成透镜阵列凹面加工后，对透镜阵列凹面平台进行整体车削，并以此作为透镜阵列凸面加工的基准面，从而保证透镜阵列各单元光轴偏差＜5″；4、在透镜阵列凸面粗加工时，由于凸面面形起伏较大，为了减少材料整体去除量，分多轮次以渐进(逐渐减小)的顶点曲率半径完成凸面轮廓粗加工成型；5、凸面轮廓粗加工成型后，对透镜阵列各单元之间的拼缝做圆弧过渡处理，即拼缝与相邻透镜阵列单元凸面相切，能够避免刀尖在拼缝处产生过切，同时逐渐替换圆弧半径递减的刀具迭代加工，最终完成透镜阵列凸面光学表面加工，且保证透镜阵列各单元之间拼缝宽度＜100μm。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，包括：

对镜坯铣磨加工，获得透镜阵列外形轮廓和基准面；

将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并固连，将安装有镜坯的车削工装固定至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与透镜单元中心的位置关系调整各透镜单元中心至与车床C轴中心重合，依次完成各透镜单元凹面加工；

在所有透镜单元凹面加工完成后，对透镜阵列凹面平台进行整体车削；

将透镜阵列镜坯从车削工装中取出并翻面，以透镜阵列凹面平台为基准面与车削工装装配固定并安装至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与镜坯机械中心的位置关系调整镜坯机械中心至与车床C轴中心重合，对透镜阵列凸面粗加工成型；

凸面轮廓粗加工成型后，对透镜各单元之间的拼缝做圆弧过渡处理并逐渐减小车刀半径对凸面迭代加工，待拼缝宽度满足要求，完成透镜阵列凸面加工。

第二方面，一种超大尺寸光学透镜阵列，通过第一方面所述的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法制得。

根据本发明提供的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，通过将透镜阵列凹面加工分解为多个单独透镜单元加工，由此将透镜阵列凹面从慢刀伺服车削转变为普通车削，能够大幅提升车削效率和表面质量，结合辅助定位工装及高精度定位可以同时保证各透镜单元之间的位置误差；

(2)本发明提供的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，分多轮次以渐进(逐渐减小)的顶点曲率半径完成凸面轮廓粗加工成型，能够大幅减少材料去除量，降低刀具磨损，抑制亚表面损伤，保证最终透镜阵列表面光洁度；

(3)本发明提供的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，用圆弧对透镜阵列各单元之间的拼缝做过渡处理，能够避免刀尖在拼缝处产生过切，从而增大拼缝宽度；

(4)本发明提供的一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，通过高精度定位、凹面拼接车削、凸面变曲率车削等方法，将复杂的、难加工的超大尺寸光学透镜阵列加工分解为多个车削工艺过程，相比其他成型技术或者整体慢刀伺服车削的技术路线具有成型精度高、表面质量好、加工周期短的显著优势。

附图说明

图1为透镜阵列镜坯示意图。

图2为透镜阵列设计图。

图3为透镜阵列凹面单元1装配示意图。

图4为透镜阵列凸面渐变顶点曲率半径粗加工示意图。

图5为透镜阵列凸面精加工刀具轨迹示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本发明提供了一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，光学透镜阵列口径达到φ100mm以上，透镜单元矢高差大于10mm，各透镜单元间拼缝宽度小于100μm，各单透镜单元面形精度优于RMSλ/10，光轴偏差小于5″，表面粗糙度小于10nm。

该超大尺寸光学透镜阵列的加工方法，包括如下步骤：

(1)镜坯超精密铣磨成型。

将镜坯加工为平板结构，并完成透镜阵列外形轮廓和基准面的加工，基准面包括镜坯的上表面或下表面，以及至少两个侧平面。

如图1所示，镜坯正方形或矩形平板结构；基准面A/B/C/D/E，A面为镜坯的上表面，用于加工透镜凸面，平面度≤3μm；B/C/D/E面为镜坯的四个侧向面，各平面度≤3μm且相对于基准A的垂直度≤5μm。

镜坯当然还可以为其他形状，如四边形如梯形、五边形、六边形等多边形。

(2)透镜阵列凹面车削成型。

(2.1)将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并用螺钉固定，保证定位误差＜3μm；

如图3所示，辅助定位工装为圆盘结构，其上加工多组固定车削工装的螺纹孔，车削工装通过螺纹连接件与任意组螺纹孔配合装配至辅助定位工作后，存在一透镜单元中心与辅助定位工装中心基本重合。

辅助定位工装工作平面的平面度≤3μm。

辅助定位工装上加工有中心对称分布的减重孔。

(2.2)将镜坯A面向下放置于车削工装中并固定，然后将上述组件整体安装至辅助定位工装上。辅助定位工装上预留有与车削工装装配的螺钉孔位，可以实现镜坯各单元中心与辅助定位工装中心、单点金刚石车床C轴重合的粗定位。

以图2中透镜单元S1凹面加工为例，将车削工装偏置放置于辅助定位工装上，并在相应装配位置用螺钉固定，此时透镜单元S1的中心与辅助定位工装中心、单点金刚石车床C轴基本重合。

如图3所示，车削工装为镜坯转接工装，与镜坯胶接固定后，共同装配至辅助定位工装上。

(2.3)以侧面基准面如B\C\D\E面为定位基准，根据透镜阵列外形结构设计尺寸，利用千分表分别检测侧面基准面如B\C\D\E面相对单点金刚石车床C轴的距离，略微松开车削工装与辅助定位工装之间的紧固螺钉，并微调车削工装相对辅助定位工装的位置，使侧面基准面至车床C轴中心的距离与侧面基准面至目标透镜单元中心的距离设计值相等，实现单个透镜单元中心与车床C轴中心的高精度重合，定位误差≤3μm。

以透镜单元S1凹面加工为例，将侧面基准面B\C\D\E相对单点金刚石车床C轴的距离调整至以透镜单元S1为中心时，侧面基准面B\C\D\E相对透镜单元S1中心的距离，定位误差控制精度≤3μm，从而保证透镜凹面各单元加工定位误差。

(2.4)根据车削工装与辅助定位工装相对安装位置以及车削工装及镜坯重量，在辅助定位工装上安装配重块和配重螺钉，并测试单点金刚石车床的动平衡参数。调整配重块和配重螺钉的位置及重量使单点金刚石车床动平衡误差＜0.5μm。

辅助定位工装板面上开设安装孔，配重块上安装有连接杆，通过安装孔-连接杆配合使配重块安装在辅助定位工装上，实现辅助定位工装重心粗调。

辅助定位工装外圆面上开设径向螺纹孔，配重螺钉与径向螺纹孔配合，通过调整配重螺钉安装位置及旋进量，实现辅助定位工装重心微调。

(2.5)根据透镜单元凹面面形和口径确定凹面车削工艺，依次完成各透镜单元凹面加工。

(3)透镜阵列凹面平台基准车削。

所有透镜单元凹面加工完成后，对透镜阵列凹面平台F进行整体车削，使其平面度≤3μm。

(4)透镜阵列凸面粗加工成型。

(4.1)将透镜阵列镜坯从车削工装中取出并翻面，以透镜阵列凹面平台F为基准面与车削工装装配并固定；

(4.2)将上述组件整体安装至辅助定位工装上，实现透镜阵列镜坯机械中心与辅助定位工装中心、车床C轴重合的粗定位；

(4.3)微调透镜阵列车削工装相对单点金刚石车床C轴的位置，利用千分表分别检测侧面基准面如B\C\D\E面相对单点金刚石车床C轴的距离，根据透镜阵列外形结构设计尺寸将透镜阵列镜坯机械中心与单点金刚石车床C轴调至重合，定位误差≤3μm。

(4.4)根据透镜阵列凸面整体面形轮廓和尺寸，确定凸面车削工艺或铣磨工艺，对透镜阵列凸面粗加工成型。透镜阵列凸面粗加工成型采用变曲率半径迭代去除的方式，即粗加工过程中透镜阵列凸面顶点曲率半径参数由大变小，逐渐逼近设计参数，从而减小材料去除量，避免刀具磨损并提高成型效率，见图4。

粗加工采用车削工艺或铣磨工艺，采用铣磨工艺时，将超精密单点金刚石车床车刀替换为高速铣磨轴。

经透镜阵列凸面粗加工成型后，各透镜单元光轴偏差≤5″。

(5)透镜阵列凸面精加工车削。

凸面轮廓粗加工成型后，对透镜各单元之间的拼缝做圆弧过渡处理，即拼缝与相邻透镜阵列单元凸面相切，能够避免刀尖在拼缝处产生过切，同时逐渐替换圆弧半径递减的刀具迭代加工，最终完成透镜阵列凸面光学表面加工，且保证透镜阵列各单元之间拼缝宽度＜100μm，见图5。

(5.1)透镜阵列凸面粗加工成型后更换刀刃圆弧半径为0.5～1.0mm的车刀，以透镜阵列凸面整体面形轮廓和尺寸为输入，编制凸面车削数控加工程序。为了避免车刀轨迹在各透镜单元拼缝处发生过切影响拼缝宽度，编制程序将凸面各透镜单元之间拼缝处面形改为圆弧过渡，且圆弧对应曲率半径大于车刀圆弧半径。

(5.2)用上述程序完成透镜阵列凸面整体车削后，更换更换刀刃圆弧半径为0.2～0.5mm的车刀，重复5.1的加工程序编制。

(5.3)用上述程序完成透镜阵列凸面整体车削后，更换更换刀刃圆弧半径为0.1～0.2mm的车刀，重复5.1的加工程序编制。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，包括：

对镜坯铣磨加工，获得透镜阵列外形轮廓和基准面；

将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并固连，将安装有镜坯的车削工装固定至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与透镜单元中心的位置关系调整各透镜单元中心至与车床C轴中心重合，依次完成各透镜单元凹面加工；

在所有透镜单元凹面加工完成后，对透镜阵列凹面平台进行整体车削；

将透镜阵列镜坯从车削工装中取出并翻面，以透镜阵列凹面平台为基准面与车削工装装配固定并安装至辅助定位工装上，通过镜坯基准面与镜坯机械中心的位置关系调整镜坯机械中心至与车床C轴中心重合，对透镜阵列凸面粗加工成型；

凸面轮廓粗加工成型后，对透镜各单元之间的拼缝做圆弧过渡处理并逐渐减小车刀半径对凸面迭代加工，待拼缝宽度满足要求，完成透镜阵列凸面加工。

2.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述对镜坯铣磨加工，获得透镜阵列外形轮廓和基准面的步骤中，所述基准面包括镜坯的上表面或下表面，以及至少两个侧平面。

3.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并固连，将安装有镜坯的车削工装固定至辅助定位工装上的步骤中，所述辅助定位工装为圆盘结构，预留有与车削工装装配的多组螺钉孔位，完成镜坯各单元中心与辅助定位工装中心的基本重合。

4.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述将辅助定位工装与单点金刚石车床C轴调至同心并固连，将安装有镜坯的车削工装固定至辅助定位工装上的步骤中，所述辅助定位工装工作面的平面度≤3μm；和/或所述辅助定位工装上加工有中心对称分布的减重孔。

5.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述通过镜坯基准面与透镜单元中心的位置关系调整各透镜单元中心至与车床C轴中心重合，依次完成各透镜单元凹面加工的步骤，包括：

以镜坯侧面基准面为定位基准，根据透镜阵列外形结构设计尺寸，利用千分表分别检测侧面基准面相对单点金刚石车床C轴的距离，略微松开车削工装与辅助定位工装之间的紧固螺钉，并微调车削工装相对辅助定位工装的位置，使侧面基准面至车床C轴中心的距离与侧面基准面至目标透镜单元中心的距离设计值相等，单个透镜单元中心与车床C轴中心的重合度满足要求；

根据车削工装与辅助定位工装相对安装位置以及车削工装及镜坯重量，在辅助定位工装上安装配重块和配重螺钉，调整配重块和配重螺钉的位置及重量使单点金刚石车床动平衡误差满足要求；

根据透镜单元凹面面形和口径确定凹面车削工艺，依次完成各透镜单元凹面加工。

6.根据权利要求5所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述辅助定位工装板面上开设安装孔，配重块上安装有连接杆，通过安装孔和连接杆配合使配重块安装在辅助定位工装上，实施辅助定位工装重心粗调；和/或

所述辅助定位工装外圆面上开设径向螺纹孔，配重螺钉与径向螺纹孔配合，通过调整配重螺钉安装位置及旋进量，实施辅助定位工装重心微调。

7.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述在所有透镜单元凹面加工完成后，对透镜阵列凹面平台进行整体车削的步骤中，凹面平台平面度≤3μm。

8.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述通过镜坯基准面与镜坯机械中心的位置关系调整镜坯机械中心至与车床C轴中心重合，对透镜阵列凸面粗加工成型的步骤，包括：

以镜坯侧面基准面为定位基准，根据透镜阵列外形结构设计尺寸，利用千分表分别检测侧面基准面相对单点金刚石车床C轴的距离，略微松开车削工装与辅助定位工装之间的紧固螺钉，并微调车削工装相对辅助定位工装的位置，使侧面基准面至车床C轴中心的距离与侧面基准面至镜坯机械中心的距离设计值相等，镜坯机械中心与车床C轴中心的重合度满足要求；

根据透镜阵列凸面整体面形轮廓和尺寸，确定凸面车削工艺或铣磨工艺，对透镜阵列凸面粗加工成型。

9.根据权利要求1所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法，其特征在于，所述通过镜坯基准面与镜坯机械中心的位置关系调整镜坯机械中心至与车床C轴中心重合，对透镜阵列凸面粗加工成型的步骤中，透镜阵列凸面粗加工成型采用变曲率半径迭代去除的方式，使粗加工过程中透镜阵列凸面顶点曲率半径参数由大变小，逐渐逼近设计参数。

10.一种超大尺寸光学透镜阵列，其特征在于，通过权利要求1至9之一所述的超大尺寸光学透镜阵列一体成型加工方法制得。