一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法

摘要

本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法：在斜面上取两个基准点，并确定工件初始平面，对需要加工的斜面进行粗加工；制作夹具并装配工件于加工机床的端面，调整工件初始平面垂直于z轴，并调整工件中心与主轴中心重合；进行坐标变换，得到两个端点的连线与x轴重合，以两个基准点的中心坐标为原点的新曲面，计算整个曲面的法向夹角，确定加工该曲面所需的金刚石刀具后角，选择合适的刀具装配于机床上，对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，按照螺旋线驱动线方法确定加工路径。本发明通过坐标变换将光学镜面调平，减少加工曲面所需的刀具后角角度，能提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于任意倾斜度和Sag值的大斜面光学器件的加工。

说明书

技术领域

本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种大斜面光学镜的加工方法。

背景技术

大斜面光学镜是架构光学系统常见的光学器件，可实现光束汇聚或发散、进行光路方向调整，具有缩短系统尺寸、减小系统结构的功能。大斜面光学镜自身没有回转对称轴，是一种典型的自由曲面光学器件，形状的复杂性给加工带来了困难。

目前，具有回转对称的光学器件一般采用金刚石切削、研磨或抛光等技术加工，可达到超精密加工要求。单点金刚石车削可实现光学质量表面的单工序加工，不需要研磨等复杂的后续工序，是加工光学器件的高效方法。近几年，随着快刀和慢刀伺服的出现，为主轴的转动角度添加了反馈或控制，可实现光学自由曲面的高效加工。在采用慢刀或快刀伺服控制技术进行大斜面光学镜加工时，由于受到大斜面光学镜自身曲率变化的影响，在加工回转中心区域时，会因切削范围过大而刀具加速度不够出现逆向切削的现象，导致刀具切削干涉，对刀具造成破坏性影响，从而严重影响了该方法的真正应用。因此，有必要开发一种单点金刚石车削加工方法来。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够有效地避免加工过程中的干涉问题，并提高加工效率的大斜面光学镜的车削加工方法。

一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法，利用超精密车床实现，车床坐标系的定义方式为：刀具切深方向为Z轴，刀具的水平进给方向为X轴，主轴旋转方向为C轴，定义和X轴和Z轴垂直向上的方向为Y轴方向，加工方法如下：

1)对于待加工的光学镜进行粗加工，其中，对该光学镜的每个斜面的粗加工方法如下：

a)根据光学镜上需要加工的斜面的中心轮廓线，确定进行坐标变换的两个基准点；

b)根据该斜面的设计方程计算斜面在x轴方向的两个基准点坐标，将过两个基准点且垂直XOZ平面的平面作为工件初始平面，根据该两个基准点的连线与z轴方向夹角，确定初始工件的外形；

c)对需要加工的斜面进行粗加工；

2)制作夹具并装配工件于加工机床的端面，调整工件初始平面垂直于z轴，并调整工件中心与主轴中心重合；

3)进行坐标变换，得到两个端点的连线与x轴重合，以两个基准点的中心坐标为原点的新曲面，并计算整个曲面的法向夹角，确定加工该曲面所需的金刚石刀具后角，选择合适的刀具装配于机床上；

4)对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，按照螺旋线驱动线顺序依次计算加工点的法向矢量和切削面法向矢量，确定最终的加工路径，按照该路径进行光学镜斜面的超精密加工。

5)若工件为包括多个斜面的光学镜，则调换加工面，并按照步骤2)-4)分别进行加工。

本发明通过坐标变换将光学镜面调平，减少加工曲面所需的刀具后角角度，不仅可避免刀具干涉问题，还能提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于任意倾斜度和Sag值的大斜面光学器件的加工。

附图说明

图1加工系统示意图。

图2曲面坐标转换示意图。

图3曲面法向夹角示意图。

图4加工路径示意图。

图5曲面法向夹角的变化范围，(a)为坐标转换之前，(b)为坐标转换之后。

图6自由曲面棱镜示意图。

具体实施方式

图1是本发明的加工示意图。图中大斜面光学镜1经粗加工后，需加工的斜面首先被加工为初始平面，采用夹具3固定于超精密车床上。超精密车床为三轴加工系统，机床坐标系的定义方式为刀具切深方向为Z轴，刀具的水平进给方向为X轴，主轴4旋转方向为C轴。另外，为了后期计算方便，定义和X轴和Z轴垂直向上的方向为Y轴方向，该方向没有运动轴。加工时需调整加工斜面的初始平面垂直于Z轴。金刚石刀具2按照设计好的加工路径，在三轴的协调运动下对斜面的自由曲面进行加工成型。

本发明主要包括以下关键技术：

1.初始平面确定

大斜面光学镜的曲面S₁方程设为z＝f(x，y)，如图2中p₀(x₀，y₀，z₀)和p₁(x₁，y₁，z₁)点为大斜面在X轴方向上的两个端点，将过p₀(x₀，y₀，z₀)和p₁(x₁，y₁，z₁)点且垂直XOZ平面的平面作为初始平面。两点连线与z轴方向夹角为β，由此可以计算初始平面和工件侧面的夹角，按照该角度要求采用普通数控机床对初始工件进行加工。

2.曲面坐标转换

采用夹具将初始工件固定于加工机床主轴上，调整初始平面与主轴端面平行，也就是垂直于Z轴。这种固定方式，使曲面的设计坐标系与加工坐标系之间存在一个转换关系。图2显示了大斜面光学镜的坐标转换关系。在初始平面中，p_c(x_c，y_c，z_c)点为p₀和p₁点连线的中心点。经过坐标转换后，p_c点移至坐标系的原点位置，p₀和p₁点连线与x轴重合。设大斜面光学镜上的任意点p(x，y，z)，因此，经过坐标转换后的曲面上的对应点p′(x′，y′，z′)为，

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\\ z^{\prime }\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)+T=\left(\begin{array}{ccc}-\sin \beta & 0& \cos \beta \\ 0& 1& 0\\ -\cos \beta & 0& -\sin \beta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中R和T分别为刚体的旋转和平移变换矩阵。这时被加工曲面S₁转为新曲面S₂，该曲面的初始平面与z轴垂直。

3.加工路径设计

加工路径设计是最关键的技术。进行加工路径设计的重点是得到被加工曲面的法向矢量，由于大斜面工件被倾斜加工，曲面坐标进行了变换，为加工路径设计带来困难。为此，对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，得到完整的数学表达式z′＝f′(x′，y′)，从而可以计算曲面法向矢量

$\stackrel{\rho }{n}=(-\frac{\partial f^{\prime }(x^{\prime },y^{\prime })}{\partial x^{\prime }},-\frac{\partial f^{\prime }(x^{\prime },y^{\prime })}{\partial y^{\prime }},1)---\left(2\right)$

对于需要加工点p₀，则刀具中心位置为其中r₀为刀具半径，为特定转角φ₀时切削面法向矢量，如图3所示。加工路径由螺旋线驱动，按照驱动线顺序依次计算每个加工点的刀具位置，最终得到加工该曲面的加工路径，如图4所示。

在图2中，经过坐标转换被加工曲面S₁转为新曲面S₂，需要的加工量由图2中的Sag变为Sag1，需加工量极大地减小了，因此本发明可以极大地提高大斜面光学器件的加工效率。

由于曲面的倾斜量被消除，本发明对所需加工刀具的后角要求也极大地降低，从而避免在加工大斜面光学器件时的刀具干涉问题。图3显示了金刚石刀具在加工曲面时，刀具和曲面之间的位置图。其中n为曲面法向量，n_t0为刀具切削面的法向量，两者的夹角被称为法向夹角θ。曲面法向量的垂直方向为加工当前点的切线方向，为了保证刀具不在当前切削点与曲面发生后角干涉，刀具的后刀面应该不与曲面的切线相交，也就是刀具后角γ应满足γ≥90°-θ。当法向夹角θ变小时，所需的后角角度应相应增大。考虑整个曲面后角应满足整个曲面的所有角度要求，也就是γ≥90°-θ_min，其中θ_min为所有法向夹角的最小值。由于曲面倾斜安装，可有效增大法向夹角θ，从而降低对刀具后角的要求。

本发明适用于任意倾斜度和Sag值的大斜面光学器件的加工，尤其对于大离轴量的非球面非常有效。以下是非球面的表达式，

$z(x,y)=\frac{{\mathrm{c\rho }}^2}{1+\sqrt{1-(k+1){\mathrm{c\rho }}^2}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i{\rho }^i---\left(3\right)$

其中c为非球面顶点曲率，k为锥度系数，A_i为非球面系数，是极坐标的极径。离轴非球面是非球面偏离轴心的部分，其表达式在非球面表达式基础上偏移中心位置形成，为非回转对称面形，

z₁(x，y)＝z(x-ρ₀，y)    (4)

其中ρ₀是离轴非球面中心坐标，(x，y)∈Ω，限定了离轴非球面的外轮廓形状。在实际实验中，对c＝0.001667mm^-1，k＝-1.0，ρ₀＝195.0mm，Φ＝136.0mm的离轴非球面进行加工。经计算离轴非球面的Sag值为44.2mm。计算法向夹角的范围为[72.0°，108.0°]，因此，所需刀具后角为18.0°。使用本发明的方法进行加工，法向夹角的范围降至[90.297°，89.703°]，所需刀具后角为0.3°，Sag1值为3.66mm。图5给出了在使用本发明前后曲面法向夹角的变化范围对比。可以很好地进行该大斜面镜的加工。

这种大斜面镜的另一个非常重要的应用是自由曲面棱镜，它包括三个光学镜，微投射屏的图像分别经过它们折射和全反射，投射到人眼中，使人看到投射屏图像的放大的虚像，在虚拟现实和增强现实技术中具有广泛的应用前景。自由曲面棱镜包含两个大斜面镜(S₁、S₂)组成楔形棱镜，结构如图6所示。由于结构复杂需要采用五轴以上的加工设备对其进行加工。使用本发明可采用三轴机床对其实现高效加工，先确定三个面的中心轮廓线，从而得到两个大斜面镜坐标变换的两个基准点，并分别对两个自由曲面进行坐标变换、加工路径设计和切削加工。