一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法技术

本发明专利技术公开一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法，属于光学超精密加工领域。技术方案：所述的刀具路径沿水平极径方向由内向外分为中心区、第一过渡区、微结构区、第二过渡区和边缘区路径，不同区域的路径采样极角不一致。所述的中心区和边缘区极角最大，切削时间最短；所述的第一过渡区内极角分布是一条平滑减少的曲线，切削速度逐渐降低且无明显突变；所述的微结构区极角最小，切削时间最长；所述的第二过渡区极角分布是一条平滑增加的曲线，切削速度稳定提高，终至边缘区切削速度；相比传统的全区域等极角切削，本发明专利技术涉及的方法能够提升40%切削效率，同时兼顾表面光滑连续无突变纹路。滑连续无突变纹路。滑连续无突变纹路。

【技术实现步骤摘要】
一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法


[0002][0003]本专利技术属于光学超精密加工领域，特别涉及一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法。

技术介绍

[0004][0005]光学微结构镜片模具用于光学阵列微透镜的注塑、模压及光固成型，在光束的多焦点聚焦、局部整形和均匀照明等领域有着重要作用。青少年近视防控镜片模具系列中的微结构一般由毫米或微米等多种直径的球面或非球面组成，并阵列分布于模具环带。环带以内的区域是眼视中心区，环带外侧区域则是边缘区，中心区和边缘区无微结构，其面型均是模具基底面。模具的镜面面型及光洁度是影响微透镜镜片表面质量的关键因素之一，由于大量微结构的存在且兼顾加工效率，慢刀伺服的程序采样密集度、车削速度及车削时间要严格把控，因此对车削时的刀具路径及外界环境等工艺提出更高的要求。
[0006]目前慢刀伺服刀具路径的采样方式一般分为两种，一是等极角采样，整个模具面的采样角度与微结构区一致，导致程序较大，中心区及边缘区车削速度较慢，效率不高；二是等弧长采样，模具面的极角分布是由内向外逐渐降低的曲线，车削速度与该曲线一致，但外侧边缘区是基底面，且范围较大，冗余的极角采样同样会造成程序浪费，影响加工时间。

技术实现思路

[0007][0008]本专利技术目的是提供一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法。将刀具路径沿水平极径方向由内向外分为中心区、第一过渡区、微结构区、第二过渡区和边缘区路径，不同区域的路径采样极角不一致。中心区和边缘区极角最大，切削时间最短；第一过渡区内极角分布是一条平滑减少的曲线，切削速度逐渐降低且无明显突变；微结构区为了保证精度，极角最小，切削时间最长；第二过渡区极角分布是一条平滑增加的曲线，切削速度稳定提高，终至边缘区切削速度。本专利技术有效提高车削效率和减少外界环境干扰，同时能保证模具表面无纹路。
[0009]实现本专利技术目的的技术方案是，涉及的刀具路径沿着水平极径方向由内向外分为中心区，第一过渡区，微结构区、第二过渡区和边缘区路径，不同区域间的路径采样极角在XOY平面内满足如下方程：
[0010](1)
[0011]式中，D是模具直径，ρT是X方向极径，θmax是给定的最大极角，θmin是给定的最小极角；中心区和边缘区路径采样极角均为θmax，微结构区采样极角是θmin，中心区与微结构区之间的第一过渡区极角分布是一条从θmax至θmin平滑连续的下降曲线；微结构区与边缘
区之间的第二过渡区极角分布是一条从θmin至θmax平滑连续的上升曲线；未知数k、R、q和n通过如下方程组求解：
[0012](2)
[0013]定义中心区范围0≤ρT<x1，第一过渡区范围x1≤ρT<x2，微结构区范围x2≤ρT<x3，第二过渡区范围x3≤ρT<x4，边缘区范围x4≤ρT≤D/2；同一区域内的路径圈参照阿基米德螺线渐变；超精密车床的慢刀伺服车削时间主要根据采样极角大小计算，总路径圈的切削时间公式如下：
[0014](3)
[0015]式中，F是时间系数，一般为0.001，求和函数中ρT的采样步长是ΔρT；中心区和边缘区极角最大，切削时间最短，相应的切削速度最快；第一过渡区极角平滑减少，切削速度稳定降低且无明显突变；微结构区极角最小，切削时间最长；第二过渡区极角平滑增加，此时切削速度稳定提高，终至边缘区切削速度。
[0016]在上述技术方案中：第一过渡区和第二过渡区的长度一般为模具直径的二分之一，精加工时的极角θmax取值不超过1度，θmin不低于0.1度，θmax与θmin差距越小，加工时间越长，反之时间越短。
[0017]上述说明仅是本专利技术方法的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0018][0019]图1是XOY平面内的刀具路径示意图
[0020]图2是模具区域划分示意图；
[0021]图3是采样极角与刀路极径的关系曲线；
[0022]图4是传统等极角方法与本专利技术方法的加工时间对比；
[0023]图1和图2标记说明：1、中心区；2、第一过渡区；3、微结构区；4、第二过渡区；5、边缘区；
具体实施方式
[0024][0025]下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步阐述。
[0026]参见附图1和附图2，待加工的微结构镜片模具直径为80mm，按X方向分为5个区域，
从内向外分别是中心区1、第一过渡区2、微结构区3、第二过渡区4和边缘区5。
[0027]参加附图3，微结构区域3在模具上的X方向范围是11~28mm，定义x1=8、x2=11、x3=28和x4=32，则中心区1在模具上的范围是0~8mm，第一过渡区2是8~11mm，第二过渡区4是28~32mm，边缘区5是32~40mm，给定极角θmax=0.7
°
，θmin=0.2
°
，结合方程组(2)即可计算公式(1)的未知数k、R、q和n分别是20、10、7和2.5，则公式(1)的表达式为：
[0028](1)
[0029]精加工时的采样步长ΔρT=0.005mm，此时加工总时间τ=4.92h。而全模具等极角0.2度采样加工总时间为8.1h，两者相比，本专利技术涉及的刀具路径方法效率可提升40%左右。
[0030]附图4是微结构区极角相同时，传统等极角采样和本专利技术可变极角采样的加工时间对比曲线。当两者微结构区极角均选择0.1~0.3度，本专利技术加工时间明显低于传统方法，尤其是高密集度微结构区，需要更小的采样极角才能保证面型精度时，本专利技术的方法更显优势。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种慢刀伺服光学微结构镜片模具的刀具路径设计方法，其特征在于:涉及的刀具路径沿着水平极径方向由内向外分为中心区，第一过渡区，微结构区、第二过渡区和边缘区路径，不同区域间的路径采样极角在XOY平面内满足如下方程：(1)式中，D是模具直径，ρ
T
是X方向极径，θ
max
是给定的最大极角，θ
min
是给定的最小极角；中心区和边缘区路径采样极角均为θ
max
，微结构区采样极角是θ
min
，中心区与微结构区之间的第一过渡区极角分布是一条从θ
max
至θ
min
平滑连续的下降曲线；微结构区与边缘区之间的第二过渡区极角分布是一条从θ
min
至θ
max
平滑连续的上升曲线；未知数k、R、q和n通过如下方程组求解：(2)定义中心区范围0≤ρ
T
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝华，唐运海，吴泉英，沈悦晨，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：