非球面零件数控切线回转法成形加工方法及装置

摘要

一种非球面零件数控切线回转法成形加工方法及装置，本发明涉及一种光学零件加工技术，该加工方法和装置对设计给定任一的轴对称非球面(包括高次和二次非球面)和球面零件的子午剖面曲线，始终能实施切点加工，得到理论上没有波纹的连续光滑的高精度表面。非球面的切点加工是通过工件和磨轮旋转，摆动轴、工件轴和磨轮轴三轴数控联动来实现。球面的切点加工是通过工件和磨轮旋转，摆动轴摆动和磨轮轴的固定一定距离来实现。该加工技术具有通用性好、精度和加工效率高、容易保证表面粗糙度和表面质量、加工成本低等优点。

说明书

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光学零件，使光学系统的成像质量大大提高、光学系统的性能扩大，光学仪器的体积和重量大大减少。随着高科技、天文、航天、航空、兵器、电子、激光、光通讯以及核聚变等技术的发展，在很多民用和国防产品中的光学系统中都需要采用非球面光学零件。尤其多品种批量和变批量加工非球面光学零件的技术是当前急待要解决的课题。

自从1638年法国学者笛卡儿首次提出，由一个凸椭球面和凹球面构成的无球差非球面光学透镜的理论以来，为了使非球面光学零件得到普遍应用，人们不断探索其加工技术。从查新资料统计，至今为止的已发表的有关非球面加工技术的文献中的专利和文章约有40多种。这些加工方法，按加工原理大体上，可分为四大类型：

变形加工方法：有热成形、塑料注塑和玻璃模压成形方法等；

附加加工方法：有涂镀、电镀和复制方法等；

变质加工方法：沿一个方向改变材質的折射率的方法；

去除加工方法：有手工研磨抛光、使工具或工件产生弾性变形的情况下进行研磨抛光、以成形工具的轨迹进行研磨抛光、以机构成形的轨迹或包络线轨迹或仿形轨迹等进行研磨抛光、以数控车削、数控磨削、数控抛光和磁流体抛光方法等。

尽管已研究出的加工方法很多，但目前国内外主要采用的加工方法和原理有传统的手工研磨抛光方法、多种轨迹成形的方法、复制加工方法、数控车削和磨削方法、数控抛光方法、磁流体抛光方法、塑料注塑和压制成型加工方法和玻璃模压加工方法等。其中数控加工方法已是公认的非球面光学零件的先进加工技术。

有小工具数控抛光技术和应力盘数控抛光技术的加工原理是建立在Preston假设，即抛光去除量决定于小工具上的压力、相对运动速度和抛光时间。这种加工方法是先磨削后，以数控抛光方法保证面形精度、表面粗糙度和表面质量要求。这两种方法适用于大型非球面零件的加工，但在加工过程中要消除表面波纹和塌边等缺陷达到质量要求，需要几百小时的抛光时间。

数控车削和磨削是以插补原理进行加工。在超精密机床上，以插补方法达到整体面形精度的要求并不难，但加工表面的波纹等局部误差难于消除，所以后续的抛光时间长。这种加工方法，比起传统的手工加工技术效率高，通用好，是一种先进的实用技术，但只适用于单件少量加工。

为了适应大量加工的需求，研发出了用数控技术，加工出超精密模具，再用超精密设备进行光学塑料的注塑、压型和光学玻璃件的模压，但塑料光学零件的使用范围有限，能用于模压的玻璃种类和尺寸有限，而且周边技术复杂昂贵，所有只适用于大量生产。

目前超精密数控加工技术虽然设备昂贵、加工成本高，但基本上能够满足多品种非球面零件的单件少量加工需求。可是由于当前数控抛光、数控车削或数控磨削等加工方法的加工原理造成局部波纹和塌边等缺陷很难解决，因此，不能解决光学设计所需的各种非球面光学零件的多品种、批量变批量加工需求，所以提高非球面加工效率是当前急待要解决的研究课题。

针对上述光学加工技术的现状和研究发展方向，申请人曾提出《球面零件轨迹成形加工方法和装置》和《非球面零件的轨迹成形加工方法和装置》的发明专利申请，并分别获得了中国发明专利权，专利授权号为ZL97116671.4和ZL00132770.4。上述两种专利能够以获得的准确加工轨迹，提高精磨精度、降低表面粗糙度和保证表面质量，并能使抛光按准确的加工轨迹进行，所以使抛光时间大大缩短，进而使加工效率大幅度地提高。但这两种专利技术只适用于球面和二次非球面光学零件的加工。因为所有二次曲线都可以从圆锥体上截取得到准确的可作为加工依据的轨迹，所以能够用申请者获得专利权的轨迹法加工。可是高次曲线轨迹很难从某一种物理实体上截取得到，所以用轨迹法不能直接加工出高次非球面光学零件。

尽管大多数非球面光学系统中采用二次非球面就可以，但成像质量要求更高的光学系统中需要采用高次非球面光学零件，因此，能否高效低成本地加工出高次非球面光学零件，也是当前急待要解决的重要研究课题，而且解决高次非球面零件的加工问题的同时，也能解决二次非球面和球面零件的加工问题，将是更有意义的创新技术。

发明内容

为了克服上述目前非球面光学零件加工方法及装置存在的保证非球面光学零件加工质量要求难，加工效率低，不能适应多品种批量变批量加工需求的实际问题，本发明提供一种容易保证加工质量要求，加工效率高的非球面零件的数控切线回转法成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是这样实现的，即提供一种非球面零件的加工方法，包括凸凹型高次非球面、二次非球面和球面的粗磨、精磨和抛光加工，其特征在于所说的非球面(高次和二次曲面)零件的加工方法的步骤是，要加工光学设计给定任一的凸型曲线方程的曲面时，首先把工件和磨轮置于摆动轴线的左侧，并把曲线的顶点园曲率中心与摆动台摆动轴线相重合，磨轮的磨削点置于零件顶点园的顶点上，工件和磨轮旋转的同时，使摆动台以数学公式计算出的旋转量Δθ值旋转，摆动台旋转Δθ值，同时使工件轴沿导轨槽向左移动ΔX距离(与Δθ值相关的两条曲线上的法线与对称轴线的交点之间距离的计算值)和使磨轮向左移动Δρ距离(与Δθ值相关的两条曲线上的法线的长度之差值的计算值)，其结果所有交点都要过摆动轴心，使磨轮与工件曲线的接触点始终处于曲线的切点上，这就相当于曲线上的切线回转，磨轮上的磨削点始终在曲线的切点上，这样工件上所形成的曲面是没有波纹的连续光滑的曲面，而摆动轴、工件轴和磨轮轴的移动是靠数控装置实现三轴联动的；要加工凹型非球面，可把工件和磨轮置于摆动轴线的右侧，旋转Δθ值的同时，使工件轴向右移动ΔX距离和使磨轮向右移动Δρ距离，其他与凸型加工方法一样；所说的凸凹型球面零件的加工方法的步骤是把零件的球心与摆动台的摆动轴心相重合，把磨轮的磨削点置于零件球半径处，使摆动台旋转零件的半张角，这样使磨轮上的切削点始终在零件曲线的切点上，工件上可得到没有波纹的连续光滑的球面。

本发明还提供一种用于实施上述加工方法的装置，它是由摆动轴、工件轴、磨轮轴、摆动台、工件移动电机、工件旋转电机、工件箱、工件、磨轮、磨轮移动电机、磨轮旋转电机、支架移动电机、摆动台摆动电机和床面等构成，摆动台安装在床面上可以左右摆动，工件箱安装于摆动台上可以前后移动，磨轮安装在床面上的支架上可以左右移动。

其中，所述的工件轴线与摆动轴线在垂直平面内要求共面，工件轴线与磨轮轴线在水平平面内要求共面。

所述的加工方法，它可以加工零件的材质为玻璃、陶瓷、晶体和金属的高次非球面、二次非球面、球面等光学零件和机械零件。

本发明是由摆动轴、工件轴和磨轮轴三轴数控联动，达到曲线的切线回转形成连续光滑的非球面曲面的创新原理和创新技术来实现高次非球面和二次非球面成形的加工方法及装置。

本发明的有益效果，其一是通用性好，以本发明的加工原理，能够加工设计任一给定的高次非球面、二次非球面和球面等零件；其二是本发明的加工原理能够得到没有理论性误差的设计任一给定的高次非球面、二次非球面和球面等零件的成形曲线，只要能够保证装置的精度，容易保证零件面形精度的要求；其三是本发明的加工原理有利于采用超微粒磨轮和高速抛光，所以容易保证粗糙度和表面质量要求；其四是由于本发明的加工原理有利于采用较高走刀速度，精磨后的面形精度高，不必用抛光来修正面形，并能工件在一次装夹中完成粗磨、精磨、抛光和磨边等工序，所以能使加工效率提高、加工成本降低；其五是操作技术简单易行，对操作者技术水平要求不高，容易推广普及。

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，其加工效率和成本能够接近现行的球面光学零件的加工效率和成本。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明详细说明，其中

图1是非球面(高次和二次非球面)子午剖面曲线特性与成形示意图；

图2是球面子午剖面曲线特性与成形示意图；

图3是非球面成形原理的示意图；

图4是加工凸型非球面零件时的装置示意图；

图5是加工凹型非球面零件时的装置示意图。

图1中，L.设计任一给定的非球面子午剖面曲线、O.曲面的顶点、P_i.曲线L上的任一切点、O’.顶点园曲率中心、O_i.法线与称轴线OX的交点、Q.切点P_i上的切线、F.切点P_i到交点O_i的法线、D.曲线的顶点园、M.磨轮。

图2中，L.设计任一给定的球面子午剖面曲线、O.曲面的顶点、P_i.曲线L上的任一切点、Q.切点P_i上的切线、O’.球心、M.磨轮。

图3和图4中，L.设计任一给定的非球面子午剖面曲线、O.曲面的顶点、P_i.曲线L上的任一切点、O’.顶点园曲率中心、O_i.法线与称轴线OX的交点、Q.切点P_i上的切线、F.切点P_i到交点O_i的法线、D.曲线的顶点园、G.工件、M.磨轮、Δθ.摆动台摆动角度、ΔX.工件轴移动距离、Δρ.磨轮轴移动距离。

图5与图6中，I.摆动轴、II.工件轴、III.磨轮轴、1.摆动台、2.工件移动电机、3.工件回转电机、4.工件箱、5.工件、6.磨轮、7.磨轮移动电机、8.磨轮回转电机、9.磨轮支架、10.摆动电机、11.床面。

具体实施方法

图1所示为非球面子午剖面上的曲线(高次或二次曲线)的特性。图中L为设计任一给定的非球面子午剖面曲线、O为曲面的顶点、P_i为曲线L上的任一切点、O’为顶点园曲率中心、O_i为法线与称轴线OX的交点、Q为切点P_i上的切线、F为切点P_i到交点O_i的法线、D为曲线的顶点园、M为磨轮。

由图1可知，轴对称非球面零件的曲面上，只有一条对称轴线OX，所有非球面子午剖面曲线上的每一个切点P_i的法线与对称轴线有不同的交点位置O_i，所有交点构成连续的法距O’O_i+n，而且所有交点到切点的法线长度P_iO_i均不相等。图2所示为球面子午剖面上的园曲线的特性与成形示意图，由图可知，一个球面零件的曲面有无数条对称轴线，对称轴同时也是每一个切点的法线，而且其长度都等于球半径，因此，球面零件加工方法不适用于非球面加工。不过，由图1和图2可知，不管非球面曲线还是球面曲线，其成形有一个共同点，即只要磨轮或车刀沿着曲线的切线方向移动，加工点始终在曲线的切点上，那么，就能加工出没有波纹的连续光滑的曲面。

由于球面只有一个球心、一个球半径和无数个对称轴，所以工程上容易按图2所示的曲线特性设计加工装置，可实现轨迹法球面加工。二次非球面的子午剖面的曲线，能从圆锥体上截得准确的轨迹，所以也能用轨迹法加工二次非球面，但高次非球面很难用类似的轨迹法得以加工。

图3和图4为凸凹型非球面(高次或二次非球面)数控切线回转法成形方法的原理示意图。

以图3凸型非球面为例，光学设计给定任一种非球面光学零件的曲线方程式，那么，把该曲线的顶点曲率中心置于工件轴的摆动轴心上，当工件轴回转一个Δθ角度时，同时使工件轴向左移动ΔX距离(与Δθ相对应的前后相邻两条法线与对称轴交点之间的距离)和磨轮轴向左退一个Δρ距离(与Δθ相对应的前后相邻两条法线长度的差值)，那么磨轮的磨削点始终处于曲线的的切点上，能够磨削或车削出没有波纹的连续光滑曲面。摆动轴、工件轴和磨轮轴三轴用数控装置实现联动。图4为凹型非球面成形原理示意图，此时工件和磨轮要置于摆动轴的右侧，ΔX和Δρ值的移动方向为向右，其他与凸型非球面加工方法一样。

图5与图6为加工凸凹型非球面零件(适用于高次或二次非球面)的装置示意图，由摆动轴I、工件轴II、磨轮轴III、摆动台1、工件移动电机2、工件回转电机3、工件箱4、工件5、磨轮6、磨轮移动电机7、磨轮回转电机8、磨轮支架9、摆动电机10和床面11等构成。该装置上的摆动台1可绕摆动轴I摆动，工件箱4可沿摆动台1上的导轨可前后移动，磨轮支架9可沿床面上的导轨可左右移动。

图4所示为加工凸型非球面装置的示意图。工件5旋转的同时，随摆动台1回转Δθ角度和随工件箱向左移动ΔX距离，此时磨轮6也同时向左移动Δρ距离，就可以加工出凸型非球面。图6所示为加工凹型非球面装置的示意图，此时工件5和磨轮6要置于摆动轴I的右侧。

加工球面零件，要把工件5的球心对准摆动轴线I，磨轮6的磨削点置于球半径位置，工件5旋转并摆动即可得到球面。

如果要加工较小口径的零件要采用较细的圆柱形磨轮。

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。