專利名稱：大離軸量離軸非球面鏡的一種超精密車削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光學(xué)器件制造及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種離軸非球面鏡的加工方 法。
背景技術(shù)：
離軸非球面鏡是架構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)常見(jiàn)的光學(xué)器件，可以實(shí)現(xiàn)光束匯聚或發(fā)散、進(jìn)行 光路方向調(diào)整，組建的光學(xué)系統(tǒng)具有組件少、無(wú)遮攔、長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)、寬波段、抑制雜光能 力強(qiáng)、調(diào)制傳遞函數(shù)高等特點(diǎn)。離軸非球面鏡在空間光學(xué)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，利用 它組建的三鏡反射系統(tǒng)是空間望遠(yuǎn)鏡的核心部件，可以避免中心遮攔，還能減少系統(tǒng)體積 和重量，同時(shí)提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。離軸非球面鏡還廣泛用于極紫外光刻中的光刻物鏡，配 合其他光學(xué)元件增大收集角，提高反射效率。另外，離軸非球面鏡還可實(shí)現(xiàn)高分辨率的分光 功能，應(yīng)用于各種干涉儀、光束準(zhǔn)直儀、光束擴(kuò)展器、光譜檢測(cè)器、MTF測(cè)量?jī)x等。離軸非球面鏡作為非球面的一部分，自身不具備軸對(duì)稱性，是一種典型的自由曲 面光學(xué)元件，形狀的復(fù)雜給加工帶來(lái)了困難。目前，回轉(zhuǎn)對(duì)稱的普通非球面鏡一般采用金剛 石切削、研磨或拋光等技術(shù)加工，可達(dá)到超精密加工要求。單點(diǎn)金剛石切削可實(shí)現(xiàn)光學(xué)質(zhì)量 表面的單工序加工，不需要研磨等復(fù)雜的后續(xù)工序，是加工離軸非球面鏡的高效方法。專 利200910070523. 2提到一種組合式的加工方法，將離軸非球面組合為完整非球面，僅借助 兩軸超精密車床就能按照旋轉(zhuǎn)對(duì)稱方式進(jìn)行離軸非球面加工，但受加工機(jī)床主軸口徑的限 制，僅適用于對(duì)尺寸較小和離軸量較小的離軸非球面進(jìn)行有效加工。近幾年，隨著快刀和慢 刀伺服的出現(xiàn)，為主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度添加了反饋或控制，可實(shí)現(xiàn)離軸非球面的高效加工，對(duì)加 工尺寸和離軸量進(jìn)行了很大地提高?？斓端欧绞皆诟哳l曲率變化面形加工上具有優(yōu)勢(shì)， 但加工表面質(zhì)量低于慢刀伺服方式，因此，慢刀伺服控制技術(shù)成為光學(xué)自由曲面最佳加工 方法。在采用慢刀伺服控制技術(shù)進(jìn)行大離軸量離軸非球面加工時(shí)，由于受到離軸非球面自 身曲率變化的影響，在加工回轉(zhuǎn)中心區(qū)域時(shí)，會(huì)因切削范圍過(guò)大而刀具加速度不夠出現(xiàn)逆 向切削的現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具切削干涉，對(duì)刀具造成破壞性影響，從而嚴(yán)重影響了該方法的真正 應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種既可增大加工工件的尺寸和 離軸量，又能有效避免加工干涉的超精密車削加工方法。本發(fā)明提供的加工方法，借助工件 的偏心裝配方式，采用慢刀伺服控制方式進(jìn)行切削加工，不僅可避免刀具干涉問(wèn)題，還能提 高加工效率，增大加工工件尺寸，適用于加工任意離軸量的離軸非球面。本發(fā)明的技術(shù)方案 如下1.大離軸量離軸非球面鏡的一種超精密車削加工方法，采用慢刀伺服控制的單點(diǎn)車 削工藝，在具有直線運(yùn)動(dòng)軸X、z及具有角度定位的車削主軸C的超精密車床上實(shí)現(xiàn)，其特征 在于，包括下列步驟1)對(duì)待加工工件的離軸非球面進(jìn)行粗加工，按照粗加工后的工件重量進(jìn)行配重塊的選擇；2)采用精密加工機(jī)床對(duì)對(duì)正塊進(jìn)行精密銑削加工，制作對(duì)正塊，所述的對(duì)正塊為 加工過(guò)程中置于夾具中央，與配重塊和待加工工件的側(cè)面均相互接觸的一個(gè)物件；3)根據(jù)待加工工件的被加工離軸非球面的口徑和對(duì)正塊尺寸，進(jìn)行偏心量的計(jì) 算，并根據(jù)離軸非球面參數(shù)確定加工方程；4)對(duì)于切削區(qū)域，按照慢刀伺服控制運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行切削加工計(jì)算，對(duì)于非切削區(qū) 域，按照刀具在ζ方向上位置保持不變的方式，進(jìn)行非切削區(qū)域路徑計(jì)算；5)將對(duì)正塊置于夾具中央，保證其中心定位精度在2um以內(nèi)，并將待加工工件和 配重塊按照重量均衡的方式排布在對(duì)正塊周圍，使待加工工件、配重塊和對(duì)正塊一起裝配 于夾具上；6)按照設(shè)計(jì)好的加工路徑進(jìn)行超精密車削加工。本發(fā)明的超精密車削加工方法，其特征在于，夾具裝配好后，對(duì)正塊和配重塊的高 度不高于待加工工件的離軸非球面的最低點(diǎn)的高度。上述的步驟1)中所述的配重塊為與 待加工工件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)相同的經(jīng)過(guò)粗加工后的其他工件，步驟4)中進(jìn)行路徑計(jì)算時(shí)，計(jì)算 的是同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)以上工件的離軸非球面加工的路徑。本發(fā)明設(shè)計(jì)的加工方法具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需采用普通夾具對(duì)離軸 非球面進(jìn)行裝卡；( 因采用偏心裝卡方式，可以避免切削干涉問(wèn)題；C3)采用慢刀伺服控 制的單點(diǎn)金剛石車削方式進(jìn)行切削加工，可有效提高加工效率；(4)增大了加工工件的尺 寸；(5)適用于任意離軸量的離軸非球面加工；(6)可同時(shí)裝卡加工兩/三件工件，進(jìn)一步 提高加工效率。


圖1本發(fā)明采用的加工系統(tǒng)的示意圖。圖2本發(fā)明采用的加工系統(tǒng)的2D圖。圖3同時(shí)加工兩個(gè)離軸非球面時(shí)裝配方式。圖4同時(shí)加工三個(gè)離軸非球面時(shí)裝配方式。圖5離軸非球面方程及切削范圍定義示意圖。圖6刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。附圖標(biāo)記說(shuō)明如下1車床主軸 2金剛石刀具 3夾具4配重塊 5對(duì)正塊
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明的加工系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)由車床主軸1、金剛石刀具2、夾具3、配重 塊4和對(duì)正塊5等部分組成。對(duì)正塊5負(fù)責(zé)控制離軸非球面的偏心安裝量，其一側(cè)緊靠離 軸非球面的最低側(cè)；配重塊4負(fù)責(zé)對(duì)回轉(zhuǎn)夾具3平衡調(diào)整，位于離軸非球面放置的對(duì)稱側(cè)； 利用夾具3并通過(guò)超精密金剛石車床自帶真空吸盤，將加工系統(tǒng)固定于車床主軸1上。配 重塊4和對(duì)正塊5的高度要低于離軸非球面最低高度h，而離軸非球面安裝的偏心量δ遠(yuǎn) 小于離軸非球面的離軸量。加工坐標(biāo)系及量值標(biāo)示如圖2所示。
為進(jìn)一步提高加工效率，配重塊4位置處可放置同樣的離軸非球面，如圖3所示。 而調(diào)整凸臺(tái)底面的形狀，還可進(jìn)行三個(gè)離軸非球面的同時(shí)加工，結(jié)構(gòu)如圖4所示。加工過(guò)程采用慢刀伺服控制的單點(diǎn)金剛石車削來(lái)實(shí)現(xiàn)，即車床具有直線運(yùn)動(dòng)軸X、 Z及具有角度定位的車削主軸C。當(dāng)C軸旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)，可以控制X和Z軸以較高速度、 微行程地振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)慢刀伺服控制。設(shè)離軸非球面的數(shù)學(xué)表達(dá)式為，知)=令二θ);”2! 7+±A2{{x-xJ+/} (1)其中c為非球面頂點(diǎn)曲率，k為錐度系數(shù)，A2i為非球面系數(shù)，其中第一項(xiàng)描述了一 種二次曲面，當(dāng)K的取值范圍不同時(shí)方程描述雙曲面、拋物面、橢圓面、球面等。^是偏離旋 轉(zhuǎn)軸心的距離，即離軸非球面的離軸量，當(dāng)工件外形為圓，且工件口徑為Φ時(shí)，則離軸非球 面在χ方向的取值范圍為k。_x| ^ Φ/2。當(dāng)離軸非球面偏心放置時(shí)，其方程表示為，z(x, y) = ~ c[(x-x + δ)2+f] + 玄 ^ [(χ⑵l + A/l-(“l(fā))c[(x-x。+5)2+/j -ι則離軸非球面的形狀取值范圍為如_Xq+ δγ < φ/2，如圖所示。則刀具在X軸上的加工范圍為[&，ig，即[δ-Φ/2，δ+Φ/2]，當(dāng)離軸非球面安裝于主軸上進(jìn)行勻速 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀具在xe [R27R1]范圍內(nèi)勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受加工面形的影響，刀具在ζ方 向上進(jìn)行震蕩運(yùn)動(dòng)。在圖5中，對(duì)于任一條加工路徑χ = Rm時(shí)，實(shí)線范圍內(nèi)切削區(qū)域，即對(duì) 離軸非球面部分進(jìn)行切削，而在虛線范圍內(nèi)不切削，為非切削區(qū)域。對(duì)于切削區(qū)域，需按照慢刀伺服控制運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行切削路徑計(jì)算，而對(duì)于非切削 區(qū)域，刀具在ζ方向上位置保持不變。對(duì)任意加工點(diǎn)Ptl，對(duì)應(yīng)的刀具中心位置為ot，Ot = P0+Jp(3)其中rQ為刀具半徑，^p = ^-(^-長(zhǎng)。)長(zhǎng)。(4)其中乾。=(-311^。,腳式,0)為特定轉(zhuǎn)角Φ。時(shí)切削面法向矢量，左=-4,1)為所需加工表面當(dāng)前點(diǎn)法向矢量，其各分量可由公式O)的偏微分求解。按順序計(jì)算出足夠量 的刀具中心位置點(diǎn)，排列組成切削區(qū)域的路徑。圖6顯示了對(duì)于某一特定離軸非球面，刀具 在χ和ζ方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟為1)制作夾具；采用精密加工機(jī)床對(duì)對(duì)正塊進(jìn)行精密銑削加工，對(duì)正塊為長(zhǎng)寬高 5mm的立方體，位于整個(gè)夾具中央，保證其中心定位精度在2um以內(nèi)；2)根據(jù)被加工離軸非球面的口徑Φ和對(duì)正塊尺寸，進(jìn)行偏心量δ的計(jì)算，并根據(jù) 離軸非球面參數(shù)確定加工方程；3)依據(jù)偏心量和離軸非球面的口徑，確定刀具在χ軸上的加工范圍為[R2,隊(duì)]，并 依照公式(3)和(4)進(jìn)行切削區(qū)域路徑計(jì)算，并計(jì)算非切削區(qū)域路徑；4)將離軸非球面在精密多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行粗加工，按照粗加工后的工件重量進(jìn) 行配重塊的選擇，并一起裝配于夾具上。
5)將裝配好的加工系統(tǒng)裝配于超精密車床的主軸上，按照設(shè)計(jì)好的加工路徑進(jìn)行 超精密車削加工。
權(quán)利要求
1.大離軸量離軸非球面鏡的一種超精密車削加工方法，采用慢刀伺服控制的單點(diǎn)車削 工藝，在具有直線運(yùn)動(dòng)軸X、z及具有角度定位的車削主軸C的超精密車床上實(shí)現(xiàn)，其特征在 于，包括下列步驟1)對(duì)待加工工件的離軸非球面進(jìn)行粗加工，按照粗加工后的工件重量進(jìn)行配重塊的選擇；2)采用精密加工機(jī)床對(duì)對(duì)正塊進(jìn)行精密銑削加工，制作對(duì)正塊，所述的對(duì)正塊為加工 過(guò)程中置于夾具中央，與配重塊和待加工工件的側(cè)面均相互接觸的一個(gè)物件；3)根據(jù)待加工工件的被加工離軸非球面的口徑和對(duì)正塊尺寸，進(jìn)行偏心量的計(jì)算，并 根據(jù)離軸非球面參數(shù)確定加工方程；4)對(duì)于切削區(qū)域，按照慢刀伺服控制運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行切削加工計(jì)算，對(duì)于非切削區(qū)域，按 照刀具在ζ方向上位置保持不變的方式，進(jìn)行非切削區(qū)域路徑計(jì)算；5)將對(duì)正塊置于夾具中央，保證其中心定位精度在2um以內(nèi)，并將待加工工件和配重 塊按照重量均衡的方式排布在對(duì)正塊周圍，使待加工工件、配重塊和對(duì)正塊一起裝配于夾t- 6)按照設(shè)計(jì)好的加工路徑進(jìn)行超精密車削加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密車削加工方法，其特征在于，夾具裝配好后，對(duì)正塊和 配重塊的高度不高于待加工工件的離軸非球面的最低點(diǎn)的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密車削加工方法，其特征在于，步驟1)中所述的配重塊 為與待加工工件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)相同的經(jīng)過(guò)粗加工后的其他工件，步驟4)中進(jìn)行路徑計(jì)算時(shí)， 計(jì)算的是同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)以上工件的離軸非球面加工。
全文摘要
本發(fā)明屬光學(xué)器件制造及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大離軸量離軸非球面鏡的精密車削加工方法，包括對(duì)待加工工件的離軸非球面進(jìn)行粗加工，選擇配重塊；采用精密加工機(jī)床對(duì)對(duì)正塊進(jìn)行精密銑削加工，制作對(duì)正塊；進(jìn)行偏心量的計(jì)算，并根據(jù)離軸非球面參數(shù)確定加工方程；按照慢刀伺服控制運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行切削加工計(jì)算，按照刀具在z方向上位置保持不變的方式，進(jìn)行非切削區(qū)域路徑計(jì)算；將對(duì)正塊置于夾具中央，并將待加工工件和配重塊按照重量均衡的方式排布在對(duì)正塊周圍，使待加工工件、配重塊和對(duì)正塊一起裝配于夾具上；超精密車削加工。本發(fā)明提供的加工方法可提高加工效率，增大加工工件尺寸，適用于加工任意離軸量的離軸非球面。
文檔編號(hào)B23B1/00GK102049530SQ20101053055
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請(qǐng)人:天津大學(xué)