一种离轴非球面镜数控铣磨成形方法技术

本发明专利技术属于光学加工领域，为解决米级大口径非球面加工耗时长、刀具磨损严重问题，公开了一种离轴非球面镜数控铣磨成形方法，将非球面母镜离散为一系列不同半径的环带，使用环形砂轮刀具依次范成每个环带；环带等间距且总数为N，任意环带的宽度由第N环带、第N

【技术实现步骤摘要】
一种离轴非球面镜数控铣磨成形方法
[0001]该申请是申请号：2019113563835，申请日为2019年12月25日的名为：一种大口径非球面镜数控铣磨成形及抛光方法的分案申请。


[0002]本专利技术属于光学加工领域，涉及一种大口径非球面光学元件的数控加工方法。

技术介绍

[0003]非球面光学在光学系统中能够很好地矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力。非球面镜是光学系统中非常重要的光学元件，能以一个或几个非球面元件代替多个球面元件，从而简化仪器结构，简化系统结构、缩短简长、并有效地减轻仪器的重量，同时非球面光学系统的设计能使计算方法大为简化。
[0004]近年来，非球面光学元件的加工技术有了显著的发展，其加工方法主要有：数控研磨抛光技术、单点金刚石车削技术、离子束加工、模压成型等，不同的加工方法都有各自的优缺点。使用数控研磨抛光技术加工非球面镜时，通常会先加工出非球面光学元件最接近球面的一面，然后再按照该面磨削出球面，最后通过研磨和抛光加工出符合要求的非球面；但这种方法耗时太长，生产效率较低。单点金刚石车削技术主要用于有色金属材料如硬铝、黄铜、无氧铜等的典型零件的切削，在切削过程中易发生刀具偏置，往往需要配上在线检测设备才能获得理想的非球面精度。离子束加工虽然可以获得精度较好的非球面，但加工设备和成本较高，且加工设备不具有通用性，因而限制了它的推广使用。模压技术主要用来批量制备微小型的非球面透镜，不适用大口径高精度的非球面镜。因此，大口径非球面镜的高效、低成本加工技术仍然在不断的探索和研究之中。
[0005]目前，为了缩短非球面透镜的加工周期，在加工非球面时先范成法开粗加工出最接近球面，然后再用数控机床直接在球面基础上铣磨精加工出符合非球面方程的非球面。该方法因使用范成法开粗快速去除了大量的材料，通常只需一次数控精加工就可将最接近球面改为非球面，加工效率高、经济性好已经逐渐被广泛使用。但在精加工改非球面时，过大的刀具轨迹螺距会导致明显的切除不足，且表面粗糙度较差。为了提高表面质量，刀具轨迹螺距通常小于0.2mm，对于大口径非球面而言，刀具轨迹总长将非常大，加工耗时更长；尤其是加工米级非球面时，受刀具磨损影响，一把刀具难以走完全部刀具轨迹就不得不换刀，换刀会后通常会在非球面表面留下接刀痕迹，且由于不同刀具的刀具参数不同，必然会使得加工的非球面面形误差来源因素复杂，给后期补偿加工带来巨大难度，严重影响加工精度。因此现有技术加工大口径非球面镜，尤其是米级非球面镜，还存在刀具轨迹过长导致刀具磨损严重、加工效率低、难以补偿加工导致的非球面精度低的问题。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术加工大口径非球面时存在的刀具轨迹过长导致的一系列问题，本专利技术提出一种大口径非球面镜数控铣磨成形方法，非球面镜为凹面且母线方程记为f1，非
球面镜口径为D，用于铣磨的数控机床定位精度为β，其特征在于：将非球面镜的非球面离散为一系列不同半径的环带，环带等间距且总数为N，环带宽度为dx，使用口径大于非球面半口径的环形砂轮刀具依次范成加工每个环带；该环带宽度dx求解流程：第N
‑
1环带的母线方程记为f2，第N环带母线方程记为f3，f1与f3的交点记为(x1,z1)，f1与f2的交点记为(x2,z2)，f2与f3的交点记为(x3,z3)，x3处非球面镜的母线方程f1上的点记为(x3,z4)；其中x1＝D/2，z4
‑
z3＝β，x2＝x1
‑
dx，从上述几何关系中计算求得dx。
[0007]上述方案的工作原理是，根据机床定位精度，将非球面离散为一系列不同半径的环带，使用环形砂轮刀具依次范成每个环带，由众多的环带包络出非球面。环带的个数远小于传统加工螺距个数，且由于该方案的不同环带的刀具轨迹x方向的增量dx由机床定位精度限定，即最大限度的减少了环带的个数，又使的不同环带的最大残余误差不超过机床定位精度β。上述加工方法可以加工凹的具有单调递增性质的旋转对称曲面，包括凹二次非球面，凹高次非球面。
[0008]下面以二次凹非球面为例详细描述加工方法：
[0009]所述的非球面镜的母线方程f1的方程为：z2＝2*R0*x
‑
(1+k)*x2，其中R0为非球面的顶点曲率半径，k为二次圆锥系数，x为横坐标上自变量，z为x坐标处对应的纵坐标；该非球面镜的加工步骤依次如下：
[0010]1)根据非球面的顶点曲率半径R0、中心厚H0、口径D在非球面镜体材料上加工出半径为R0、中心厚H1、口径D的起始球面；此处0≤H1‑
H0≤0.5；
[0011]2)将步骤1)中的非球面镜体固定在数控机床转台上，且非球面镜体的光轴和数控机床转台的转轴重合；所述的数控机床至少具有X轴、Z轴这两个平移运动轴，以及B轴、C轴这两个旋转轴，其中的B轴为绕Y轴的旋转轴，C轴为绕Z轴的旋转轴，且数控机床转台的转轴位于C轴；数控机床的主轴位于Z轴；
[0012]3)将环形刀具安装在数控机床主轴上；所述环形刀具外径为T
D
，T
D
>D/2；环形刀具外径与内径之间外凸的圆倒角半径为r0；环形刀具外径与内径之间厚度为2r0；将工件坐标系的原点建立在起始球面顶点处；
[0013]所述的环形刀具为空心的砂轮刀具，包括：电镀金刚石砂轮、青铜粘合剂砂轮、树脂砂轮；
[0014]4)将非球面离散为N个在X轴方向等间距的环带，N为整数，任意环带的宽度dx＝D/N，第n个环带对应的非球面口径为：n*dx，第n个环带曲率半径R
n
＝sqrt(R
02
‑
k*(n*dx)2)；
[0015]其中n为第一个环带至第N个环带中任意环带的序数；
[0016]所述dx由第N环带、第N
‑
1环带、定位精度记为β、非球面镜的母线方程f1共同确定：
[0017]第N
‑
1环带的母线方程记为f2，第N环带母线方程记为f3，f1与f3的交点记为(x1,z1)，f1与f2的交点记为(x2,z2)，f2与f3的交点记为(x3,z3)，X轴上x3处非球面镜的母线方程f1上的点记为(x3,z4)；其中x1＝D/2，z4
‑
z3＝β，x2＝x1
‑
dx，从上述几何关系中计算求得dx；
[0018]5)数控机床上的环形刀具依次从第一个环带加工至第N个环带，其中加工第n环带时，C轴连续均匀旋转，工件坐标系下刀具中心X轴坐标：
[0019]X
T
＝(((T
D
‑
2*r0)+2*r0*sin(B))/2)*cos(B)，
[0020]Z轴坐标：
[0021]k≠
‑
1时：
[0022]Z
T
＝R0/(1+k)+k/(1+k)*sqrt(R
02
‑
(1+k)*本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离轴非球面镜数控铣磨成形方法，所述非球面的母线方程f1的方程为：z2＝2*R0*x
‑
(1+k)*x2，其中R0为非球面的顶点曲率半径，k为二次圆锥系数，离轴量为γ，x为横坐标上自变量，z为x坐标处对应的纵坐标；包含离轴非球面镜的非球面母镜口径为D，用于铣磨的数控机床定位精度为β，该离轴非球面镜的加工步骤依次如下：1)根据离轴非球面镜的外形几何参数制备包络该离轴非球面镜的镜体，所述镜体上下两个端面平行；2)将步骤1)中的镜体固定在数控机床转台上，所述的数控机床至少具有X轴、Z轴这两个平移运动轴，以及B轴、C轴这两个旋转轴，其中的B轴为绕Y轴的旋转轴，C轴为绕Z轴的旋转轴，且数控机床转台的转轴位于C轴；数控机床的主轴位于Z轴；镜体的近轴端与远轴端连线在数控机床转台上的投影与X轴重合；镜体中心距离数控机床转台转轴距离等于离轴量γ；3)将环形刀具安装在数控机床主轴上；环形刀具外径为T
D
，环形刀具外径与内径之间外凸的圆倒角半径为r0；T
D
>D/2；将工件坐标系的原点建立在起始球面顶点处；所述的环形刀具为空心的砂轮刀具，将镜体视为非球面母镜的一部分，用范成法直接将所述镜体加工为曲率半径为R0的球面；4)将非球面母镜离散为N个在X轴方向等间距的环带，N取整数，任意环带的宽度dx＝D/N，第n个环带对应的非球面口径为：n*dx，第n个环带曲率半径R
n
＝sqrt(R
02
‑
k*(n*dx)2)；其中n为第一个环带至第N个环带中任意环带的序数；所述dx由第N环带、第N
‑
1环带、定位精度记为β、非球面镜的母线方程f1共同确定：第N
‑
1环带的母线方程记为f2，第N环带母线方程记为f3，f1与f3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，戴卓成，朱永翔，李晨超，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：