CN1214896C - 非球面零件的轨迹成形加工方法及装置 - Google Patents

非球面零件的轨迹成形加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种光学非球面零件的轨迹成形加工方法及装置。在圆锥体上通过数学计算确定与所需曲线具有相同轨迹的截面，即确定该截面位置的参数，把圆锥体装到设有轨迹截取体的装置上，轨迹截取体端与磨轮相匹配，圆锥体与零件联动，零件转动并与圆锥体一起绕摆动轴摆动，轨迹截取体与磨轮固联，从而加工过程中使圆锥体上所截取的曲线轨迹精确地转移到零件上。可加工凸凹二次非球面和高次非球面零件。具有通用性好，精度高，效率高，成本低等优点。

Description

非球面零件的轨迹成形加工方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光学零件加工方法及装置。
背景技术
在光学系统中采用非球面零件，具有球面零件无法比拟的优越性，但由于非球面加工及检测的困难，长期以来一直未能得到广泛应用。可是人们一直不断努力探索非球面加工与检测技术，促使非球面加工技术有了较快的发展和应用。
至今为止人们所研究出的各种非球面加工方法己有几十种，按其加工原理，大体上可分为四大类；去除加工、附加加工、变形加工和变质工方法。尽管加工方法很多，除了传统的手工加工和数控加工方法之外，绝大部分都是针对某一种形状和某一种尺寸的非球面。但至今为止，在加工效率、加工精度以及通用性等方面兼优的方法一种也没有。
目前国内外加工非球面零件，普遍采用的是传统的手工研磨抛光和数控车削或数控研磨抛光或数控磨削的去除加工方法进行单件少量生产。传统的手工研磨抛光方法，虽然能够加工出高精度非球面零件，但要求操作者具有丰富的经验和很高的技巧，而且由于加工重复性差、加工周期长、成本高，无法适应批量生产的需求。为了解决加工周期长，加工成本高的问题，在相当长时期人们一直在利用机构或靠模成形轨迹的方法中寻找解决方法，机构或靠模的成形方法虽然加工效率高、表面粗糙度也容易保证，但所得到的加工轨迹的形状误差较大，很难加工出高精度非球面零件，而且由于机构或靠模成形轨迹的单一性，也无法适用于多种形状各种尺寸的非球面零件的加工。所以利用机构或靠模成形的方法，只能适用于某一种形状和特定尺寸的中低精度非球面零件的批量生产。
随着数控技术的发展，人们放弃了机构或靠模成形轨迹的方法，转向用数控技术解决非球面零件的方法。数控加工的实质是用数控研磨抛光的方法逐渐逼近设计要求的面形或者用数控车削或磨削方法，使车刀或磨轮按编制好的轨迹程序运动得到要求的非球面形状。数控加工属于柔性加工技术，适用于多种形状多种尺寸的非球面零件的加工，但高精度的面形的获得必须在反复检测与反复修磨才能得到，而且加工设备昂贵，操作技术复杂，是属于一种专家操作技术。虽然它比传统的手工研磨抛光方法容易加工出高精度非球面零件，但加工周期仍然较长、加工成本高，不适用于批量生产。就目前状况而言，还没有可与球面零件的加工技术相比拟的非球面加工技术，既适用于单件又适用于批量的高效加工技术。
非球面零件加工方法主要是从传统的手工加工方法，到机构或靠模的成形轨迹方法，再发展到数控加工方法。从这一发展变革中可以看出，人们不断探索的关键技术的核心是如何获得准确的非球面成形轨迹，并能高效精确地加工出高精度的非球面零件的方法。
光学系统中采用的非球面的种类很多，其中轴对称非球面用的最多，而且轴对称非球面的加工难度大。在轴对称非球面中大多数是由椭圆、抛物线和双曲线等二次曲线形成的曲面，此外，还有少量的高次非球面零件。本发明的目的是针对上述加工非球面零件的方法及装置存在的问题，创造了一种非球面轨迹成形加工的方法及装置，它既适用于多种形状、各种尺寸的单件加工，又适用于高效低成本地批量生产需求。
发明内容
本发明是这样实现的，即提供一种非球面零件的加工方法，包括凸凹二次非球面和高次非球面的粗磨、精磨和超精磨(或抛光)加工，其特征在于所说的二次非球面零件的加工方法的步骤是，根据设计所给出的二次曲线方程式通过数学计算在圆锥体求得正确截取轨迹的参数α、φ和L，或是通过试加工方法确定合适的曲线轨迹；用一个轨迹截取体在一个圆锥体上截取轨迹，即将圆锥体安装到设置有轨迹截取体的非球面零件轨迹成形装置上，并按上述求得的参数确定圆锥体与截取体的相对位置；零件在转动的同时与圆锥体一起绕摆动轴摆动，使圆锥体上所截取到的准确轨迹曲线十分精确地转移到零件上形成非球面，即可在加工过程中精确地把所截得的轨迹转移到零件上，获得二次非球面零件；所说的凸或凹的高次非球面零件的加工轨迹的获得是，可由其他方法加工出准确的平面样板取代设在装置上的圆锥体，即可把平面样板上的高次曲线精确地转移到零件上，获得高次非球面零件。
本发明还提供一种用于实施上述加工方法的装置，它是由摆动台、推力支块、推力器、零件轴驱动电机、圆锥体移动丝杠、导座、零件安装轴、支座、磨轮、支架、轨迹截取体、圆锥体、床身、摆动轴、摆动轴电机、零件轴箱体等组成，磨轮安装于支架上，轨迹截取体可前后上下移动地安装于支架上，支架固定于床身上，圆锥体可调角度地安装在支座上，支座固定于导座上，导座可沿着零件轴箱体的底部导轨滑动，摆动轴电机驱动摆动台绕摆动轴摆动，零件装夹于零件安装轴的前端，随轴自转的同时与圆锥体一起随摆动台以零件的半张角绕摆动轴摆动，所述推力支块固定于摆动台上，在推力支块与零件轴箱体之间装有推力器，使圆锥体与轨迹截取体始终处于接触状态。
其中，所述的零件安装轴的轴线、圆锥体的轴线与摆动轴的轴线在垂直平面内要求共面，所述零件安装轴的轴线与磨轮的轴线在水平面内要求共面。
所述的加工方法，它可加工零件的材质为玻璃、陶瓷、晶体和金属的非球面光学或机械零件。
本发明是由准确地截得设计所给定的二次曲线方程轨迹的创新原理和在加工过程中把所截得的轨迹精确地转移到零件上成形非球面的创新技术，来实现非球面轨迹成形的加工方法及装置。
附图说明
以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例。其中：
图1为在圆锥体上截取轨迹示意图；
图2为加工凸形非球面零件的装置示意图；
图3为加工凹形非球面零件的装置示意图；
图4为加工凹形非球面零件时采用圆柱型磨轮的示意图。
具体实施方式
如图1所示，为在圆锥体截取轨迹示意图。在半顶角为α的圆锥体上，从顶点A到沿圆锥体母线距离为L的某一点D上，如果用一个平面a-a截圆锥体，平面与圆锥体的轴线夹角为φ1＝90°时，可切得一个圆的曲线方程的轨迹；如果平面b-b与圆锥体轴线夹角为90°＞φ2＞α范围内时，可切得一个椭圆的曲线方程的轨迹；如果平面c-c与圆锥体轴线夹角为φ3＝α时，可切得一个抛物线的曲线方程的轨迹；如果平面d-d与圆锥体轴线夹角为α＞φ4＞-α范围内时，可切得一个双曲线的曲线方程的轨迹。总之设计所给定的任何一个二次曲线方程轨迹，只要求得与所给定的二次曲线方程式相关的参数α、φ和L，就可以在圆锥体上均可截得。如何求得α、φ和L值的问题，可通过数学计算就可求得α、φ和L的精确值，或采用试加工方法确定合适的曲线轨迹。其实圆锥体13加工出后，圆锥体的半顶角α已确定，所以实际上只计算φ和L值就可截得给定的曲线。具体截取准确的轨迹，并精确地转移到零件上的原理和技术如图2、图3和图4所示。根据求得的α、φ、和L的精确值，确定圆锥体13和轨迹截取体12的准确位置。并使非球面零件9最接近圆的圆心与摆动轴轴线15对齐，使轨迹截取体12及圆锥体13的接触点D与磨轮的磨削面保持在同一垂直线上，而且在较小的推力作用下，使圆锥体13与轨迹截取体12始终处于接触状态。此时，摆动轴电机16启动摆动台1摆动，即可在圆锥体上划出设计所给出的准确的二次曲线方程的轨迹，在此基础上启动磨轮10和零件9转动，并使零件向磨轮作微小进给移动，那么，磨轮按截取到的轨迹，精确地磨除零件上的余量，经多次磨削，余量全部磨除后，可使截得的轨迹精确地转移到零件9上，获得与设计所给定的曲线方程轨迹完全一致的高精度二次非球面。
图2为加工凸形非球面零件的装置示意图，由摆动台1、推力支块2、推力器3、零件轴驱动电机4、圆锥体移动丝杠5、导座6、零件安装轴7、支座8、磨轮10、支架11、轨迹截取体12、圆锥体13、床身14、摆动轴驱动电机16和零件轴箱体17等构成。零件9绕零件轴7转动的同时与圆锥体13一起随摆动台1绕摆动轴15在零件的半张角范围内摆动。圆锥体13在弹簧推力器3的推力作用下，靠紧轨迹截取体12。该装置上设有一零件轴箱体17，箱体17可在摆动台1上沿纵向滑动，在固定于摆动台1的推力支块2与箱体17之间设有推力器3，图2所示推力器3是用弹簧的推力，也可用重锤的拉力取代。轨迹截取体12可设置在支架11上，也可以设置在床身14上，并能在前后、上下移动，轨迹截取体12的端部应与磨轮10相匹配，以便保证轨迹准确地被截取和精确地转移到零件9上，磨轮10也安装在支架11上，即轨迹截取体12与磨轮固联一起，圆锥体13安装在支座8上，可通过调整方法使圆锥体轴线与轴15构成一个计算得到的φ夹角。支座8固定于导座6上，导座6固定在箱体17的底部导轨上，旋转丝杠5可使导座6沿导轮滑动，使圆锥体13前后移动，当圆锥体13向后移动时箱体17向前移动，使零件9与磨轮10相接触，从而去除零件上的加工余量，同时圆锥体13上被轨迹截取体截得的曲线轨迹精确地被转移到零件9上，形成凸形非球面。
图3、图4是加工凹形非球面的示意图。加工凹形非球面时磨轮半径要小于零件半径，对较大曲率半径的凹形非球面，可采用如图3所示形状的圆盘磨轮，对曲率半径较小的凹形非球面零件，应采用如图4所示的圆柱形磨轮。
如果要加工凸或凹的高次非球面，用一个凸或凹的高次非球面平面样板，取代圆锥体即可。
图2是加工凸形非球面的状况，圆锥体13与轨迹截取体12的接触点D均在摆动轴轴线15的右侧，图3和图4是加工凹形非球面的状况，圆锥体13与轨迹截取体12的接触点D均在摆动轴轴线15的左侧，而且磨轮的半径小于零件的曲率半径才能够实现加工。
本发明其装置中如果磨轮10安装在摆动台1上自转的同时摆动，零件9安装在支架11上只转动，圆锥体13与轨迹截取体12的位置对调，也能达到本发明的加工目的。
本发明的有益效果如下，其一是通用性好，由于二次曲线为圆锥曲线，因此设计所给定的圆、椭圆、抛物线、双曲线等的各种不同尺寸的二次曲线均可以从圆锥体13上截得，而且截得的轨迹十分准确；其二是精确度高，设计所给定的二次曲线方程y2＝f(x)，用推导出的计算公式，可求得α、φ和L参数的精确数值，因此，设计所给定的曲线方程的准确轨迹容易确定，而且精确度高；其三是装置的轨迹转移机构简单可靠，而且通过微调方法，调整φ及L的值来消除面形误差，所以能够使截得的曲线轨迹精确的转移到零件9上，从而，可获得高精度的非球面面形；其四是加工效率高、成本低，由于容易截得准确的加工轨迹，并能在加工过程中精确地转移轨迹，而且在一次装夹中能够进行粗磨、精磨和超精磨(或抛光)等工序，所以加工效率高、成本低；其五是操作技术简单易行，不必由专家来操作，对操作者技术水平要求不高，极易推广普及，所以应用本发明技术加工非球面光学零件，能够有效地解决非球面零件的加工难题，其加工效率和成本将接近现行的加工球面光学零件的加工效率和成本。
以上所述为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本发明的权利要求范围所作的等效变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1、一种非球面零件的轨迹成形加工方法，包括凸凹二次非球面的粗磨、精磨、超精磨或抛光加工，其特征在于所说的二次非球面零件的加工方法的步骤是，根据设计所给出的二次曲线方程式通过数学计算在圆锥体求得正确截取轨迹的参数α、φ和L，或是通过试加工方法确定合适的曲线轨迹；用一个轨迹截取体在一个圆锥体上截取轨迹，即将圆锥体安装到设置有轨迹截取体的非球面零件轨迹成形装置上，并按上述求得的参数确定圆锥体与截取体的相对位置；零件在转动的同时与圆锥体一起绕摆动轴摆动，使圆锥体上所截取到的准确轨迹曲线十分精确地转移到零件上形成非球面，即可在加工过程中精确地把所截得的轨迹转移到零件上，获得二次非球面零件。
2、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于当圆锥体与轨迹截取体的接触点均在摆动轴轴线的右侧时，可加工凸形非球面。
3、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于当圆锥体与轨迹截取体的接触点均在摆动轴轴线的左侧时，可加工凹形非球面，此时磨轮半径须小于被加工非球面最接近圆的半径。
4、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于当圆锥体与轨迹截取体的位置确定后，使零件向磨轮做进给移动，以去除加工余量，所述轨迹截取体及圆锥体的接触点与磨轮的磨削面应保持在同一垂直线上。
5、根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于它可加工零件的材质为玻璃、陶瓷、晶体和金属的非球面光学或机械零件。
6、一种用于实施权利要求1所述的加工方法的装置，其特征在于它是由摆动台(1)、推力支块(2)、推力器(3)、导座(6)、零件安装轴(7)、支座(8)、磨轮(10)、支架(11)、轨迹截取体(12)、圆锥体(13)、床身(14)、摆动轴(15)、摆动轴电机(16)、零件轴箱体(17)组成，磨轮(10)安装于支架(11)上，轨迹截取体(12)可前后、上下移动地安装于支架(11)上，支架(11)固定于床身(14)上，圆锥体(13)可调角度地安装在支座(8)上，支座(8)固定于导座(6)上，导座(6)可沿着零件轴箱体(17)的底部导轨滑动，箱体(17)可在摆动台(1)上沿纵向滑动，摆动轴电机(16)驱动摆动台(1)绕摆动轴(15)摆动，零件(9)装夹于轴(7)的前端，随轴自转的同时与圆锥体(13)一起随摆动台(1)以零件的半张角绕摆动轴(15)摆动，所述推力支块(2)固定于摆动台(1)上，在推力支块(2)与零件轴箱体(17)之间装有推力器(3)，使圆锥体(13)与轨迹截取体(12)始终处于接触状态。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于磨轮(10)可以是盘形，也可以是圆柱形，当加工凸形非球面时盘形磨轮可由1片或2～3片叠加而成。
8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述的零件安装轴(7)的轴线、圆锥体(13)的轴线与摆动轴(15)的轴线在垂直平面内要求共面，所述零件安装轴(7)的轴线与磨轮(10)的轴线在水平面内要求共面。
9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于磨轮(10)安装在摆动台(1)上自转的同时摆动，零件(9)安装在支架(11)上只转动，圆锥体(13)与轨迹截取体(12)的位置对调，即轨迹截取体(12)与磨轮(10)一起摆动，也能达到本发明的加工目的。
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