CN1866121A - 一种高精度光学球罩与模具及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于监控系统中的中高速球机，尤其属于中高速球机的专用光学球罩与模具及它们的制作工艺。本发明为一种高精度光学球罩，其形状为一半球形壳体，其技术要点在于，壳体的内、外表面同轴，不同心，两心的间距为10－60μm，形成两端薄、中间厚的壳体。在注塑过程中，采用慢－快－慢－慢的方法，逐级注射，每30％行程转换一次压力，最后一级在10％时进行慢速爬射。本发明的优点在于产品厚度薄、强度大、容易脱模、成品率高、不影响高速球型摄像机的成像效果，画面准确度率高，图像清晰，具有高深度、低畸变、高透过率等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于监控系统中的中高速球机，尤其属于中高速球机的专用光学球罩与模具及它们的制作工艺。
背景技术
球罩，全称是球型护罩，主要用于监控系统中保护摄像机。目前，国内球罩生产普遍采用AS或透明PS注塑工艺和传统的抛光工艺，如图1所示为一个壁厚均匀相等的球形壳体。前几年国内大变焦比的摄像机和高速球机还未普及使用，所以，对球罩光学制品的技术要求也较低，基本能满足市场低端产品的需求，这种球罩一旦与高速球型摄像机配套使用，将严重影响摄像机的图像质量，造成图像不清晰，画面准确度率低等缺陷。
发明内容
本发明目的在于克服上述缺点，提供一种不影响高速球型摄像机的成像效果，画面准确度率高，图像清晰的高精度光学球罩与模具以及制作它们的工艺。
本发明为一种高精度光学球罩，其形状为一半球形壳体，其技术要点在于，壳体的内、外表面同轴，不同心，形成两端薄、中间厚的壳体。
一般壳体的外表面的球心高于内表面的球心，两心间距为10--60μm。
光学球罩的性能指标决定于材料的选用、球罩的厚度；制品的厚度越小，透光率越好，但从注塑角度讲厚度小，流动性差，结构上强度低，成型难。二者间互相矛盾，成为限制光学球罩性能提高的障碍。本发明采用不均匀壁厚技术，该技术类似非球面技术，增加制品强度，使球罩可以制得更薄，同时也解决了制品收缩问题，使得注塑难度降低。
本发明还可进一步设计为，在球罩外表面的边缘有一个半径大于外表面半径的锥形弧面。锥形弧面与外表面的夹角为2-7度，最佳为3-5度。
采用该锥形弧面的意义在于改善制品的脱模问题。在传统球面设计中，如果整个半球外表面的半径相同，在接近球罩边缘的部分会产生很强的抱模力，在开模分离时会产生水平拉痕，不但对成品透光率等性能指标造成影响，同时也使脆弱的模芯容易损坏，在靠近边缘的地方设计一个锥形弧面，这个面的半径要大于球罩外表面的半径。这样在分离时由于空气的进入，很快就能消除或降低该处的抱模力，使制品能更好地脱出，制品的边缘质量好。
由于光学球面面型要求极高，球面上所有的点曲率半径一致，是保证图像清晰的主要因素之一，所以传统的球罩都设计为等壁厚的，但由于注塑中熔融体流动的不均匀性，(非牛顿流体)会造成制品的点曲率半径不一致。本发明是以两个半径不同且不同心的球面形成不等厚的球壳，既保证了壳体表面所有的点曲率半径一致，又增加制品强度，解决了制品收缩问题，使得注塑难度降低。因此，本发明是突破传统等壁厚球罩及内外表面同心的思维定势所造成的思维惯性，创造性地采用不等壁厚及增加锥形弧面技术，并产生了出乎意料的技术效果，是一种克服技术偏见的技术。
为了制作出上述球罩，本发明还设计了一种制作高精度光学球罩的模具，其技术要点在于，模芯材料采用耐腐蚀防锈镜面模具钢S136。
与目前采用的模具钢如M300比起来，S136组织结构精细、均匀、紧密，有着更好的抛光后镜面效果及更长的使用寿命，在持续的高温状态下具有收缩率小、不易变形、耐磨擦等特点。由于该材料不易加工，在国内，该材料的使用还只是限制于光学镜片、太阳镜等小面积产品，而本项目将其应用于大尺寸的球罩制造，还是前所未有的。采用S136制成的模心寿命可达3万件以上，而M300制成的模心寿命只达8千件。
模架上的导柱上下端制成平面，并倒角，使导柱与导套之间形成±20μm的间隙。
光学球罩模具设计原理较特殊，注入口偏离中心须在制品的边缘，模具及注塑机受力场为不对称。因此，很容易产生中心偏移，为了避免这样的情况产生，一方面需要对型腔进行定位，另一方面在设计时需预留好偏移量。
由于整个模具的制造过程会产生各种误差，导致了凸球、凹球模芯偏心，如果球面产生偏心，那么不等壁厚的条件就会改变，使最终成品产生各种问题。而加工的误差是无法彻底避免的，我们只能在设计时需预留好偏移量，在导柱与导套之间留有间隙，可以在生产中通过调整导柱与导套之间的间隙，方便即时地调校偏移量，从而进行型腔的位置微调，这种修正可以使球面的偏心值控制到5μm-10μm之间，大大提高了制品的料厚均匀性精度。一般上厚下薄时，加大压力，反之，减少压力。
在模芯的分型面上布置有放射状的排气凹槽。与传统排气结构不同，本项目设计了放射状多路排气结构，该结构不但可以提高成品在变薄情况下的表面光洁度，有效减少熔结痕的产生，而且可以增加流长与厚度比，使用PMMA注塑生产超薄球罩成为可能。
一种制作高精度光学球罩模具的制作工艺，包括设计---加工---检测---装配---注塑试模---光学抛光---注塑生产---产品测试，加工凸、凹球模芯的过程为：将模芯装于单轨双轴同步研磨机以数控铣床加工出符合要求的曲率半径R凸和R凹，研磨工具以18-50转/分钟速度做平面摇摆，摆动角度大小根据模芯尺寸做合理调整，模芯越大摆幅越大，模芯同时还绕自转轴以16-40转/分钟速度旋转，在模芯最终成型阶段应用曲率半径测径仪在研磨过程中在线跟踪半径变化，及时修改接触力和方向，通过修改研磨工具的曲率半径来来使R凸、R凹符合要求，凹凸球模芯装配时，凸球模芯的球心与凹球模芯的球心间距10--60μm，型腔为两端薄、中间厚的半球形，其球面曲率半径差R凸-R凹＝球壳厚度。
对模芯进行多级抛光，抛光所用的砂模是成对制作的，砂模自身先进行抛光处理，在抛光时采用公母对抛。这样可以避免在对球面进行抛光时产生深浅不一的划痕。
研磨抛光时通过CAD/PROE设计，将模芯装于单轨双轴同步研磨机，用数控铣床加工，在模芯最终成型阶段通过R度三次测量，即：应用曲率半径测径仪在研磨过程中在线跟踪R度变化，以便及时修改接触力和方向。在整个过程中，需要设计数十套工装，以对此不断修正和配合，在修正时每套工装只修正一个R度。另外，半球型工装必须制成稍大尺寸(平均大5％)半径，这样研磨中才能充分贴紧球面，提高研磨效率。在模芯表面光学层的形成时，采用软蜡研磨自动成形技术。在表面光学层的形成时，应用软蜡研磨自动成形技术可以有效地保证了球心的曲率及半径一致，并形成表面光学层，该技术使用耐高温蜡板进行软性抛光，不需要改动工装就可自动成型。
利用上述特制的模具制作高精度光学球罩时，制作工艺为：在注塑过程中，在注塑机中提高加料段温度至200℃，通过模温机控制模温至60℃左右，采用慢-快-慢-慢的方法，逐级注射，每30％行程转换一次压力，最后一级在10％时进行慢速爬射，第一级的压力为180-240MPa，以后每级递增5％---10％，制出成品后，在通过大型烤箱加温至60℃-70℃保温处理1-3小时，消除内应力。
本发明的优点在于产品厚度薄、强度大、容易脱模、成品率高、不影响高速球型摄像机的成像效果，画面准确度率高，图像清晰，具有高深度、低畸变、高透过率等诸多优点。
附图说明
图1为现有的光学球罩
图2为本发明的结构示意图
图3为本发明实施例2的结构示意图
图4为凹球模芯与凸球模芯装配示意图
图5为图4的A-A剖视图
图6为图4的B-B导柱与导套配合的剖视放大图
其中：1球罩 11锥形弧面 2凹球模芯 21导套 22浇注口
23排气凹槽 3凸球模芯 31导柱
具体实施方式
下面对本发明进行详细的描述
如图2所示，一种高精度光学球罩，其形状为一半球形壳体，壳体的内、外表面同轴，不同心，外表面的球心高于内表面的球心，形成两端薄、中间厚的壳体，壳体的外表面球心与内表面球心的间距为10--60μm，还可提供多种边框以配套。
如图3所示，在球罩1外表面的边缘有一个半径大于外表面半径的锥形弧面11，锥形弧面11与外表面的夹角θ为2-7度，最佳为35度，其余未述部分与上例相同。
以两个半径不同且不同心的球面形成不等厚的球壳，既保证了壳体表面所有的点曲率半径一致，保证图像清晰，又增加制品强度，解决了制品收缩问题，使得注塑难度降低。
为了制作出上述球罩，本发明还设计了一种制作高精度光学球罩的模具，其技术要点在于，模芯材料采用耐腐蚀防锈镜面模具钢S136。
如图4、图5、图6所示，凹球模芯2与凸球模芯3通过导柱31与导套21相接，导柱31上下端制成平面，并倒角，在导柱31与导套21之间形成±20μm的间隙。一般在制品上厚下薄时，加大压力，反之，减少压力，进行调整。
在模芯的分型面上布置有放射状的排气凹槽23。该结构不但可以提高成品在变薄情况下的表面光洁度，有效减少熔结痕的产生，而且可以增加流长与厚度比，使用PMMA注塑生产超薄球罩成为可能。
一种制作高精度光学球罩模具的制作工艺，包括设计---加工---检测---装配---注塑试模---光学抛光---注塑生产---产品测试，加工凸、凹球模芯过程为：将模芯装于单轨双轴同步研磨机以数控铣床加工出符合要求的曲率半径R凸和R凹，研磨工具以18-50转/分钟速度做平面摇摆，摆动角度大小根据模芯尺寸做合理调整，模芯越大摆幅越大，模芯同时还绕自转轴以16-40转/分钟速度旋转，在模芯最终成型阶段应用曲率半径测径仪在研磨过程中在线跟踪半径变化，及时修改接触力和方向，通过修改研磨工具的曲率半径来来使R凸、R凹符合要求，凹凸球模芯装配时，凸球模芯的球心与凹球模芯的球心间距10--60μm，型腔为两端薄、中间厚的半球形，其球面曲率半径差R凸-R凹＝球壳厚度。
对模芯进行多级抛光，抛光所用的砂模是成对制作的，砂模自身先进行抛光处理，在抛光时采用公母对抛。
研抛时通过CAD/PROE设计，将模心装于单轨双轴同步研磨机，用数控铣床加工，在模心最终成型阶段通过R度三次测量，即：应用曲率半径测径仪在研磨过程中在线跟踪R度变化，以便及时修改接触力和方向。在整个过程中，需要设计数十套工装，以对此不断修正和配合，在修正时每套工装只修正一个R度。另外，半球型工装必须制成稍大尺寸(平均大5％)半径，这样研磨中才能充分贴紧球面，提高研磨效率。在模芯表面光学层的形成时，采用软蜡研磨自动成形技术。在表面光学层的形成时，应用软蜡研磨自动成形技术可以有效地保证了球心的曲率及半径一致，并形成表面光学层，该技术使用耐高温蜡板进行软性抛光，不需要改动工装就可自动成型。
利用上述特制的模具制作高精度光学球罩时，制作工艺为：在注塑过程中，在注塑机中，提高加料段温度至180--220℃，从单边浇注口22注入模芯，通过模温机控制模温至60±10℃，采用慢-快-慢-慢，逐级注射，耗时3--6秒，每30％行程转换一次压力，最后一级在10％时进行慢速爬射，第一级的压力为180-240MPa，以后每级递增5％---10％，制出成品后，在通过大型烤箱加温至60℃-70℃保温处理1-3小时，消除内应力。
Claims (10)
1、一种高精度光学球罩，其形状为一半球形壳体，其特征在于，壳体的内、外表面同轴，不同心，形成两端薄、中间厚的壳体。
2、根据权利要求1所述的一种高精度光学球罩，其特征在于，壳体的外表面的球心高于内表面的球心，间距为10--60μm。
3、根据权利要求1所述的一种高精度光学球罩，其特征在于，在球罩(1)外表面的边缘有一个半径大于外表面半径的锥形弧面(11)。
4、根据权利要求3所述的一种高精度光学球罩，其特征在于，锥形弧面(11)与外表面的夹角为3-5度。
5、一种制作高精度光学球罩的模具，由模芯和模架组成，其特征在于，凹球模芯2与凸球模芯3通过导柱31与导套21相接，导柱31上下端制成平面，并倒角，导柱31与导套21之间形成±20μm的间隙。。
6、根据权利要求5所述的一种制作高精度光学球罩的模具，其特征在于，模芯材料采用耐腐蚀防锈镜面模具钢S136。
7、一种制作高精度光学球罩模具的制作工艺，包括设计---加工---检测---装配---注塑试模---光学抛光---注塑生产---产品测试，其特征在于，加工凸、凹球模芯的过程为：将模芯装于单轨双轴同步研磨机以数控铣床加工出符合要求的曲率半径R凸和R凹，在模芯最终成型阶段应用曲率半径测径仪在研磨过程中在线跟踪R度变化，及时修改接触力和方向，通过修改研磨工具的曲率半径来来使R凸、R凹符合要求，凹凸球模芯装配时，凸球模芯的球心高于凹球模芯的球心10--60μm，型腔为两端薄、中间厚的半球形，其球面曲率半径差R凸-R凹＝球壳厚度。
8、根据权利要求7所述的一种高精度光学球罩模具的制作工艺，其特征在于，所述的光学抛光是指对得模芯进行多级抛光，抛光所用的砂模是成对制作的，砂模自身先进行抛光处理，在抛光时采用公母对抛，在模芯表面光学层的形成时，应用软蜡研磨自动成形技术。
9、根据权利要求7所述的一种高精度光学球罩的制作工艺，其特征在于，在模芯的分型面上布置有放射状的排气凹槽(23)。
10、一种高精度光学球罩的制作工艺，其特征在于，在注塑过程中，提高加料段温度至180--210℃，通过模温机控制模温至60±10℃，采用慢-快-慢-慢，逐级注射，每30％行程转换一次压力，最后一级在10％时进行慢速爬射，第一级的压力为180-240MPa，以后每级递增5％---10％，制出成品后，在通过大型烤箱加温至60℃-70℃保温处理1-3小时，消除内应力。
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