專利名稱：非球面零件數(shù)控切線回轉(zhuǎn)法成形加工方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學零件加工方法及裝置
背景技術：
在光學系統(tǒng)中采用非球面光學零件，使光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量大大提高、光 學系統(tǒng)的性能擴大，光學儀器的體積和重量大大減少。隨著高科技、天文、航 天、航空、兵器、電子、激光、光通訊以及核聚變等技術的發(fā)展，在很多民用 和國防產(chǎn)品中的光學系統(tǒng)中都需要采用非球面光學零件。尤其多品種批量和變 批量加工非球面光學零件的技術是當前急待要解決的課題。
自從1638年法國學者笛卡兒首次提出，由一個凸橢球面和凹球面構成的無 球差非球面光學透鏡的理論以來，為了使非球面光學零件得到普遍應用，人們 不斷探索其加工技術。從査新資料統(tǒng)計，至今為止的己發(fā)表的有關非球面加工 技術的文獻中的專利和文章約有40多種。這些加工方法，按加工原理大體上，
可分為四大類型
變形加工方法有熱成形、塑料注塑和玻璃模壓成形方法等； 附加加工方法有涂鍍、電鍍和復制方法等； 變質(zhì)加工方法沿一個方向改變材質(zhì)的折射率的方法；
去除加工方法有手工研磨拋光、使工具或工件產(chǎn)生弾性變形的情況下進
行研磨拋光、以成形工具的軌跡進行研磨拋光、以機構成形的軌跡或包絡線軌 跡或仿形軌跡等進行研磨拋光、以數(shù)控車削、數(shù)控磨削、數(shù)控拋光和磁流體拋 光方法等。
盡管已研究出的加工方法很多，但目前國內(nèi)外主要采用的加工方法和原理
有傳統(tǒng)的手工研磨拋光方法、多種軌跡成形的方法、復制加工方法、數(shù)控車削 和磨削方法、數(shù)控拋光方法、磁流體拋光方法、塑料注塑和壓制成型加工方法 和玻璃模壓加工方法等。其中數(shù)控加工方法己是公認的非球面光學零件的先進 加工技術。
有小工具數(shù)控拋光技術和應力盤數(shù)控拋光技術的加工原理是建立在
Preston假設，即拋光去除量決定于小工具上的壓力、相對運動速度和拋光時間。 這種加工方法是先磨削后，以數(shù)控拋光方法保證面形精度、表面粗糙度和表面 質(zhì)量要求。這兩種方法適用于大型非球面零件的加工，但在加工過程中要消除 表面波紋和塌邊等缺陷達到質(zhì)量要求，需要幾百小時的拋光時間。
數(shù)控車削和磨削是以插補原理進行加工。在超精密機床上，以插補方法達 到整體面形精度的要求并不難，但加工表面的波紋等局部誤差難于消除，所以 后續(xù)的拋光時間長。這種加工方法，比起傳統(tǒng)的手工加工技術效率高，通用好， 是一種先進的實用技術，但只適用于單件少量加工。
為了適應大量加工的需求，研發(fā)出了用數(shù)控技術，加工出超精密模具，再 用超精密設備進行光學塑料的注塑、壓型和光學玻璃件的模壓，但塑料光學零 件的使用范圍有限，能用于模壓的玻璃種類和尺寸有限，而且周邊技術復雜昂 貴，所有只適用于大量生產(chǎn)。
目前超精密數(shù)控加工技術雖然設備昂貴、加工成本高，但基本上能夠滿足 多品種非球面零件的單件少量加工需求?？墒怯捎诋斍皵?shù)控拋光、數(shù)控車削或 數(shù)控磨削等'加工方法的加工原理造成局部波紋和塌邊等缺陷很難解決，因此， 不能解決光學設計所需的各種非球面光學零件的多品種、批量變批量加工需求， 所以提高非球面加工效率是當前急待要解決的研究課題。
針對上述光學加工技術的現(xiàn)狀和研究發(fā)展方向，申請人曾提出《球面零件 軌跡成形加工方法和裝置》和《非球面零件的軌跡成形加工方法和裝置》的發(fā)
明專利申請，并分別獲得了中國發(fā)明專利權，專利授權號為ZL97116671.4和 ZL00132770.4。上述兩種專利能夠以獲得的準確加工軌跡，提高精磨精度、降 低表面粗糙度和保證表面質(zhì)量，并能使拋光按準確的加工軌跡進行，所以使拋 光時間大大縮短，進而使加工效率大幅度地提高。但這兩種專利技術只適用于 球面和二次非球面光學零件的加工。因為所有二次曲線都可以從圓錐體上截取 得到準確的可作為加工依據(jù)的軌跡，所以能夠用申請者獲得專利權的軌跡法加 工?？墒歉叽吻€軌跡很難從某一種物理實體上截取得到，所以用軌跡法不能 直接加工出高次非球面光學零件。
盡管大多數(shù)非球面光學系統(tǒng)中采用二次非球面就可以，但成像質(zhì)量要求更 高的光學系統(tǒng)中需要采用高次非球面光學零件，因此，能否高效低成本地加工 出高次非球面光學零件，也是當前急待要解決的重要研究課題，而且解決高次 非球面零件的加工問題的同時，也能解決二次非球面和球面零件的加工問題， 將是更有意義的創(chuàng)新技術。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述目前非球面光學零件加工方法及裝置存在的保證非球面光學 零件加工質(zhì)量要求難，加工效率低，不能適應多品種批量變批量加工需求的實 際問題，本發(fā)明提供一種容易保證加工質(zhì)量要求，加工效率高的非球面零件的 數(shù)控切線回轉(zhuǎn)法成形方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是這樣實現(xiàn)的，即提供一種非球 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 和拋光加工，其特征在于所說的非球面(高次和二次曲面)零件的加工方法的
步驟是，要加工光學設計給定任一的凸型曲線方程的曲面時，首先把工件和磨 輪置于擺動軸線的左側，并把曲線的頂點園曲率中心與擺動臺擺動軸線相重合， 磨輪的磨削點置于零件頂點園的頂點上，工件和磨輪旋轉(zhuǎn)的同時，使擺動臺以
數(shù)學公式計算出的旋轉(zhuǎn)量Ae值旋轉(zhuǎn)，擺動臺旋轉(zhuǎn)a9值，同時使工件軸沿導
軌槽向左移動ax距離(與a e值相關的兩條曲線上的法線與對稱軸線的交點 之間距離的計算值)和使磨輪向左移動a p距離(與a e值相關的兩條曲線上
的法線的長度之差值的計算值)，其結果所有交點都要過擺動軸心，使磨輪與工 件曲線的接觸點始終處于曲線的切點上，這就相當于曲線上的切線回轉(zhuǎn)，磨輪 上的磨削點始終在曲線的切點上，這樣工件上所形成的曲面是沒有波紋的連續(xù)
光滑的曲面，而擺動軸、工件軸和磨輪軸的移動是靠數(shù)控裝置實現(xiàn)三軸聯(lián)動的；
要加工凹型非球面，可把工件和磨輪置于擺動軸線的右側，旋轉(zhuǎn)A e值的同時，
使工件軸向右移動ax距離和使磨輪向右移動a p距離，其他與凸型加工方法
一樣；所說的凸凹型球面零件的加工方法的步驟是把零件的球心與擺動臺的擺
動軸心相重合，把磨輪的磨削點置于零件球半徑處，使擺動臺旋轉(zhuǎn)零件的半張 角，這樣使磨輪上的切削點始終在零件曲線的切點上，工件上可得到?jīng)]有波紋 的連續(xù)光滑的球面。
本發(fā)明還提供一種用于實施上述加工方法的裝置，它是由擺動軸、工件軸、 磨輪軸、擺動臺、工件移動電機、工件旋轉(zhuǎn)電機、工件箱、工件、磨輪、磨輪 移動電機、磨輪旋轉(zhuǎn)電機、支架移動電機、擺動臺擺動電機和床面等構成，擺 動臺安裝在床面上可以左右擺動，工件箱安裝于擺動臺上可以前后移動，磨輪 安裝在床面上的支架上可以左右移動。
其中，所述的工件軸線與擺動軸線在垂直平面內(nèi)要求共面，工件軸線與磨
輪軸線在水平平面內(nèi)要求共面。
所述的加工方法，它可以加工零件的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、晶體和金屬的高 次非球面、二次非球面、球面等光學零件和機械零件。
本發(fā)明是由擺動軸、工件軸和磨輪軸三軸數(shù)控聯(lián)動，達到曲線的切線回轉(zhuǎn) 形成連續(xù)光滑的非球面曲面的創(chuàng)新原理和創(chuàng)新技術來實現(xiàn)高次非球面和二次非 球面成形的加工方法及裝置。
本發(fā)明的有益效果，其一是通用性好，以本發(fā)明的加工原理，能夠加工設
計任一給定的高次非球面、二次非球面和球面等零件；其二是本發(fā)明的加工原
理能夠得到?jīng)]有理論性誤差的設計任一給定的高次非球面、二次非球面和球面
等零件的成形曲線，只要能夠保證裝置的精度，容易保證零件面形精度的要求; 其三是本發(fā)明的加工原理有利于采用超微粒磨輪和高速拋光，所以容易保證粗 糙度和表面質(zhì)量要求；其四是由于本發(fā)明的加工原理有利于采用較高走刀速度， 精磨后的面形精度高，不必用拋光來修正面形，并能工件在一次裝夾中完成粗 磨、精磨、拋光和磨邊等工序，所以能使加工效率提高、加工成本降低；其五 是操作技術簡單易行，對操作者技術水平要求不高，容易推廣普及。
所以應用本發(fā)明技術加工非球面光學零件，能夠有效地解決非球面零件的 加工難題，其加工效率和成本能夠接近現(xiàn)行的球面光學零件的加工效率和成本。
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明詳細說明，其中
圖l是非球面(高次和二次非球面)子午剖面曲線特性與成形示意圖； 圖2是球面子午剖面曲線特性與成形示意圖3是非球面成形原理的示意圖4是加工凸型非球面零件時的裝置示意圖5是加工凹型非球面零件時的裝置示意圖。


圖1中，L.設計任一給定的非球面子午剖面曲線、0.曲面的頂點、Pi.曲線 L上的任一切點、0'.頂點園曲率中心、Oi.法線與稱軸線OX的交點、Q.切點Pi 上的切線、F.切點Pi到交點Oi的法線、D.曲線的頂點園、M.磨輪。
圖2中，L.設計任一給定的球面子午剖面曲線、0.曲面的頂點、Pi.曲線L
上的任一切點、Q.切點Pi上的切線、0'.球心、M.磨輪。
圖3和圖4中，L.設計任一給定的非球面子午剖面曲線、0.曲面的頂點、
Pi.曲線L上的任一切點、0'.頂點園曲率中心、Oi.法線與稱軸線OX的交點、Q.
切點Pi上的切線、F.切點Pi到交點0i的法線、D.曲線的頂點園、G.工件、M. 磨輪、A9.擺動臺擺動角度、AX.工件軸移動距離、Ap.磨輪軸移動距離。
圖5與圖6中，I.擺動軸、II.工件軸、III.磨輪軸、l.擺動臺、2.工件移
動電機、3.'工件回轉(zhuǎn)電機、4.工件箱、5.工件、6.磨輪、7.磨輪移動電機、8.
磨輪回轉(zhuǎn)電機、9.磨輪支架、IO.擺動電機、ll.床面。
具體實施方法
圖1所示為非球面子午剖面上的曲線(高次或二次曲線)的特性。圖中L 為設計任一給定的非球面子午剖面曲線、0為曲面的頂點、Pi為曲線L上的任一 切點、O'為頂點園曲率中心、Oi為法線與稱軸線OX的交點、Q為切點Pi上的切 線、F為切點Pi到交點Oi的法線、D為曲線的頂點園、M為磨輪。
由圖1可知，軸對稱非球面零件的曲面上，只有一條對稱軸線OX，所有非球面子午剖面曲線上的每一個切點Pi的法線與對稱軸線有不同的交點位置0i，
所有交點構成連續(xù)的法距0'0i+n，而且所有交點到切點的法線長度PiOi均不相 等。圖2所示為球面子午剖面上的園曲線的特性與成形示意圖，由圖可知，一
個球面零件的曲面有無數(shù)條對稱軸線，對稱軸同時也是每一個切點的法線，而且 其長度都等于球半徑，因此，球面零件加工方法不適用于非球面加工。不過， 由圖1和圖2可知，不管非球面曲線還是球面曲線，其成形有一個共同點，即 只要磨輪或車刀沿著曲線的切線方向移動，加工點始終在曲線的切點上，那么， 就能加工出沒有波紋的連續(xù)光滑的曲面。
由于球面只有一個球心、 一個球半徑和無數(shù)個對稱軸，所以工程上容易按 圖2所示的曲線特性設計加工裝置，可實現(xiàn)軌跡法球面加工。二次非球面的子 午剖面的曲線，能從圓錐體上截得準確的軌跡，所以也能用軌跡法加工二次非 球面，但高次非球面很難用類似的軌跡法得以加工。
圖3和圖4為凸凹型非球面(高次或二次非球面)數(shù)控切線回轉(zhuǎn)法成形方 法的原理示意圖。
以圖3凸型非球面為例，光學設計給定任一種非球面光學零件的曲線方程 式，那么，把該曲線的頂點曲率中心置于工件軸的擺動軸心上，當工件軸回轉(zhuǎn) 一個A e角度時，同時使工件軸向左移動AX距離(與A e相對應的前后相鄰兩 條法線與對稱軸交點之間的距離)和磨輪軸向左退一個A p距離(與A 9相對 應的前后相鄰兩條法線長度的差值)，那么磨輪的磨削點始終處于曲線的的切點 上，能夠磨削或車削出沒有波紋的連續(xù)光滑曲面。擺動軸、工件軸和磨輪軸三 軸用數(shù)控裝置實現(xiàn)聯(lián)動。圖4為凹型非球面成形原理示意圖，此時工件和磨輪 要置于擺動軸的右側，AX和A p值的移動方向為向右，其他與凸型非球面加工
方法一樣。'
圖5與圖6為加工凸凹型非球面零件(適用于高次或二次非球面)的裝置 示意圖，由擺動軸I、工件軸II、磨輪軸III、擺動臺l、工件移動電機2、工件 回轉(zhuǎn)電機3、工件箱4、工件5、磨輪6、磨輪移動電機7、磨輪回轉(zhuǎn)電機8、磨 輪支架9、擺動電機10和床面11等構成。該裝置上的擺動臺1可繞擺動軸I擺 動，工件箱4可沿擺動臺1上的導軌可前后移動，磨輪支架9可沿床面上的導 軌可左右移動。
圖4所示為加工凸型非球面裝置的示意圖。工件5旋轉(zhuǎn)的同時，隨擺動臺1 回轉(zhuǎn)A 9角度和隨工件箱向左移動A X距離，此時磨輪6也同時向左移動A p距 離，就可以加工出凸型非球面。圖6所示為加工凹型非球面裝置的示意圖，此 時工件5和磨輪6要置于擺動軸I的右側。
加工球面零件，要把工件5的球心對準擺動軸線I，磨輪6的磨削點置于 球半徑位置，工件5.旋轉(zhuǎn)并擺動即可得到球面。
如果要加工較小口徑的零件要采用較細的圓柱形磨輪。
以上所述為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍，凡依 本發(fā)明的權利要求范圍所作的等效變化與修飾，均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1、一種非球面零件數(shù)控切線回轉(zhuǎn)法成形加工方法，包括凸凹型非球面(高次和二次非球面)的粗磨、精磨和拋光加工，其特征在于所說的非球面零件的加工方法的步驟是，要加工光學設計任一給定的凸型曲線方程的曲面時，首先把工件和磨輪置于擺動軸線的左側，并把曲線的頂點曲率中心與擺動臺擺動軸線相重合，然后使擺動臺以數(shù)學公式計算出的旋轉(zhuǎn)量Δθ值旋轉(zhuǎn)，擺動臺旋轉(zhuǎn)Δθ值的同時，使工件軸向左移動ΔX距離(與Δθ值相關的兩條曲線上的法線與對稱軸線的交點之間距離的計算值)和使磨輪向左移動Δρ距離(與Δθ值相關的兩條曲線上的法線長度之差的計算值)，其結果磨輪與工件曲線的接觸點始終處于曲線的切點上，這就相當于曲線上的切線回轉(zhuǎn)，始終與磨輪的磨削點相切，這樣工件上就可以得到?jīng)]有波紋的連續(xù)光滑的曲面，而擺動軸、工件軸和磨輪軸的移動是靠數(shù)控裝置實現(xiàn)三軸聯(lián)動的；要加工凹型非球面，可把工件和磨輪置于擺動軸線的右側，擺動臺旋轉(zhuǎn)Δθ值的同時，使工件軸向右移動ΔX距離和使磨輪向右移動Δρ距離，其他與凸型加工方法一樣；所說的凸凹型球面零件的加工方法的步驟是把工件的球心與擺動臺的擺動中心相重合，把磨輪的磨削點置于工件球半徑處，使擺動臺旋轉(zhuǎn)工件的半個張角，即可得到?jīng)]有波紋的連續(xù)光滑的球面。
2、 根據(jù)權利要求1所述的加工方法，其特征在于工件加工余量的去除要由 成形動作開始前，通過對數(shù)控裝置的預設置來實現(xiàn)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的加工方法，其特征在于當加工凹非球面或凹球面 時，磨輪半徑須小于被加工曲面的最接近圓的半徑。
4、 根據(jù)權利要求1所述的加工方法，其特征在于它可加工零件的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、晶體和金屬的非球面光學或機械零件。
5、 一種用于實施權利要求l所述的加工方法的裝置，其特征在于它是由擺動軸(i )、工件軸(n)、磨輪軸(III)、擺動臺(1)、工件移動電機(2)、工 件回轉(zhuǎn)電機(3)、工件箱(4)、工件(5)、磨輪(6)、磨輪移動電機(7)、磨 輪回轉(zhuǎn)電機(8)、磨輪支架(9)、擺動電機(10)和床面(11)等構成。該裝 置上的擺動臺(1)可繞擺動軸(I )擺動，工件箱(4)可沿擺動臺(1)上的 導軌可前后移動，磨輪支架(9)可沿床面上的導軌可左右移動。
6、 根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于磨輪(6)可以設置一個，也 可以在一個旋轉(zhuǎn)盤上設置多個磨輪。
7、 根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于磨輪(6)可以設置在床面上， 也可以設置為吊裝式的
8、 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于磨輪(6)可以是盤形，也可 以是圓柱形，當加工凸形零件時，可在一個磨輪軸上同時固裝盤形磨輪1 3片。
9、 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于磨輪(6)可用車刀架取代， 該原理的裝置上可實現(xiàn)車削加工。
10、 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于所述的工件軸(II)和擺動 軸(I )，在垂直平面內(nèi)要求共面，所述工件軸(II)和磨輪軸(III)在水平面 內(nèi)要求共面。
全文摘要
一種非球面零件數(shù)控切線回轉(zhuǎn)法成形加工方法及裝置，本發(fā)明涉及一種光學零件加工技術，該加工方法和裝置對設計給定任一的軸對稱非球面(包括高次和二次非球面)和球面零件的子午剖面曲線，始終能實施切點加工，得到理論上沒有波紋的連續(xù)光滑的高精度表面。非球面的切點加工是通過工件和磨輪旋轉(zhuǎn)，擺動軸、工件軸和磨輪軸三軸數(shù)控聯(lián)動來實現(xiàn)。球面的切點加工是通過工件和磨輪旋轉(zhuǎn)，擺動軸擺動和磨輪軸的固定一定距離來實現(xiàn)。該加工技術具有通用性好、精度和加工效率高、容易保證表面粗糙度和表面質(zhì)量、加工成本低等優(yōu)點。
文檔編號B24B13/00GK101376229SQ20071005601
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權日2007年8月30日
發(fā)明者于化東, 樸承鎬, 王鶴巖, 羅予澤 申請人:長春理工大學;樸承鎬;于化東