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1、河南工业职业技术学院河南工业职业技术学院 HenanHenan PolytechnicPolytechnic InstituteInstitute 毕毕 业业 设设 计计 题目 球面光学样板的加工工艺 系别 光电工程系 专业 精密机械技术 班级 姓名 学号 指导教师 日期 2013 年 11 月 河南工业职业技术学院毕业设计 I 毕业设计任务书 设计题目：设计题目： 球面光学样板的加工工艺球面光学样板的加工工艺 设计要求：设计要求： 1.设计球面样板加工的尺寸和精度要求，并附图例 2.设计出球面样板的制造工艺（包括球体的研制，球面样板的制造） ，并设计出 球体制造的工艺的工序要求，其中要求图文
2、并用。 3.设计出球面样板加工的曲率半径以及其中的误差分析，并附图解释。 4.做出球面样板加工的精度分析并做好精度检验要求。 设计任务：设计任务： 1. 设计球面的标准样板； 2. 设计球面样板的制造工艺及设计图示； 3. 设计球面样板的曲率半径； 4. 样板的精度分析与检验； 5. 写出详细毕业设计说明书（10000 字以上） ，要求字迹工整，原理叙述正确， 会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：在图书馆查看书籍，在网上搜索资料，在实践中听取老师的教导，以 便于查找各类相关资料，使资料更完整，更精确，有利于论文的撰写。 第二周：使自己对论文的框架有
3、个大概的了解，将收集到的资料进行整理分类， 及时与导师进行沟通。将设计的雏形确立起来，论文的文字叙述全部做好。 第三周：根据论文的要求对论文进行排版，绘图，把文字校对等项工作完成。 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 河南工业职业技术学院毕业设计 1 摘摘 要要 球面样板是检验球面光学零件曲率半径和球面面型误差的量具，由于光学系统 多由球面组成，而球面的曲率半径测试的特殊性，逐渐发展成这套即比较简单，又 容易控制误差的测量工具和检验方法。样板是光学零件制造过程中使用最广泛、最 简便的一种精密测量工具，因此，在光学零件生产技术准备阶段，必须先设计和制 造一套标准样板和一定数量的工作样板。 球面
4、光学样板的制造与球面零件制造，虽然有许多类似之处，但由于样板是 测量工具，要求面形精度比一般透镜高得多，因此，为了保证其高精度，球面徉板 往往成对制造。 关键词：粗磨，精磨，抛光，工艺，检测。 河南工业职业技术学院毕业设计 2 目目 录录 毕业设计任务书 .I 摘 要 .1 1. 绪 论 4 1.1 光学样板的重要性 4 1.2 球面样板的应用 4 2. 球面标准样板设计 5 2.1 球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则 5 2.1.1 球面的余弦磨削 5 2.1.2 球面的均匀磨削 6 2.1.3 球面的均匀磨削和余弦磨削在光学冷加工中的应用 6 2.1.4 球面加工各工序曲率半径的配合 6
5、 2.2 在单件加工透镜球面在各工序测量标准的设计原则 7 2.2.1 球面加工各工序曲率半径设计的顺序 7 2.2.2 球面加工各工序曲率半径计算过程之一 7 2.2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程之二 7 2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程的修正方法 8 2.3.1 实际设计时还注意的事项 8 2.3.2 解决这些问题的方法 8 2.4 球面标准样板的尺寸选择 9 2.5 球面样板精度设计 9 2.6 注意事项 9 3. 球面样板的制造 .10 3.1 球体的磨制 .10 3.2 弧形样板的制造 .11 4.球面样板的曲率半径 13 4.1 球面曲率半径的允差 .13 4.2 误差
6、分析 .14 5.样板的精度分析与检验 16 5.1 球面样板的精度分析 .16 5.1.1 测量误差 .16 河南工业职业技术学院毕业设计 3 5.1.2 矢高制造误差 .16 5.1.3 标准样板光圈误差 .17 5.2 球面样板的精度检验 .17 6.光学冷加工工艺和设备现状及其发展 19 7.国外光学加工技术的发展现状 26 结 论 31 致 谢 32 河南工业职业技术学院毕业设计 4 球面样板的加工工艺 1. 绪绪 论论 1.11.1 光学样板的重要性光学样板的重要性 球面样板是检验球面光学零件曲率半径和球面面型误差的量具，由于光学系统 多由球面组成，而球面的曲率半径测试的特殊性，逐
7、渐发展成这套即比较简单，又 容易控制误差的测量工具和检验方法。 球面样板分球面标准样板和球面工作样板，球面标准样本通常用同一曲率半径 的凸，凹球面成对制造（俗称对板） ，而球面工作样板则根据被检零件的曲率半径来 制造，例如，检验凹球面，则制造凸球面的工作样板，反之，亦可。 1.2 球面样板的应用球面样板的应用 图（1.1） 光学样板是人造熔融石英材质的光学平板之一，被用作平面元件的平面度测量 时的标准平面。也被称为牛顿样板，日系企业也称为原器。 把被测件放在光学平板 上就会出现牛顿环，根据牛顿环的数量和形状，检验和测量被测件的面精度。牛顿 环是两个表面间的间隙引起的干涉条纹。一个间隔相当于测量
8、波长的一半。(牛顿环 法)每个光学样板都被放置在一个保护木合内，并附有实测的干涉条纹照片和表面形 状数 河南工业职业技术学院毕业设计 5 2.球面标准样板设计 2.12.1 球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则 在加工平面零件时，在各工序完工的表面都是平面，这样可以使表面的各部位 都是均匀的去除。而加工球面零件时，其表面在各工序应如何加工呢？下面我们进 行讨论。 2.1.12.1.1 球面的余弦磨削球面的余弦磨削 以加工平面的经验，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下磨削这个球 面，最终它仍是由原来相同的球面。球面上的各点向下加工的尺寸都是一致的，新 球
9、面是被均匀加工出来的。采用这种方法加工，它的表面加工量真的是均匀的吗？ 当加工一个曲率半径为 R 的凸球面时，如果加工前的曲率半径也为 R，加工量 为时。加工前后如上图，一个球面初始曲率半径为 R，绕 Y 轴进行旋转进行研磨 加工，其中心在 Y 轴方向研磨量为后，形成一个曲率半径为 R 的新球面，球心从 原位置 O1 沿 Y 轴移至 O2。原球面参加研磨的各点沿 Y 轴移动量都是。由于球面 上都向下方去除了尺寸，因此有人主观的认为球面是均去除的，球面就应该是这 样加工的。实际上球面零件表面加工后的缺陷深度，是在球面的径向方向上均匀的， 而不是在纵轴方向，球面的去除量也应当按径向来计算的。当球面
10、的张角很小时径 向和轴向的区别不大，但是当球面的张角较大时差别就非常明显了。球面的去除量 是以一球面上的各点到另一球面最小距离对应点间的距离，当加工量远远小于球面 的曲率半径时可以用两球面径向的间距来计算。现在我们来讨论张角 方向的去除 量： 球面的去除情况如图所示，O1A 为原球面的半径 R，与新球面交于 B，O2B 为新 面的半径 R，C 为 B 点在 Y 轴上的垂点，1、 为 A、B 点对两球面的张角。 O1A = O2B = R， BC = Rsin， O2C = Rcos， O1C = Rcos-， 公式见常用公式推导 河南工业职业技术学院毕业设计 6 从我们推导出的公式 =COS
11、可以看出，球面的径向去除量随张角的增加而 减少，并成余弦函数分布。因此，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下进 行磨削，就叫做余弦磨削。这个公式不仅适用于凸面，也同样适用于凹面。 这个结论告诉我们，在加工球面时，采用各工序曲率半径不变的方式加工的球 面是有问题的。球面中心的缺陷被去除掉后，不能保证球面边缘的缺陷被去除，因 为球面边缘的去除量比中心少，特别是球面张角很大的情况。如果将球面边缘的缺 陷全部去除掉，球面中心的去除量又会很大，需要增加加工工时，在工艺设计上是 不合理的。 注意球面余弦磨削的公式是在去除量远远小于球面曲率半径的情况下推导出来 的，它是一个近似公式，不是精确公式。特别是
12、去除量很大或球面曲率半径很小时 公式计算与实际情况差距很大。还要注意的是，被加工球面是半球或超半球时，又 会出现其它结果。 2.1.2 球面的均匀磨削球面的均匀磨削 球面表面均匀被去除，其曲率半径会如何变化呢？ 我们设想一个球体，原先的曲率半径为 R1。球体被均匀的去除深度 后，新 球体的曲率半径为 R2。R2 和 R1 的关系则是：R2=R1-。 因此我们可以得出结论：在加工凸球面时，球面均匀去除量 后要得到曲率半 径为 R2 的球面，在加工前球面的曲率半径应当是 R1=R2+。在加工凹球面时，球 面均匀去除量 后要得到曲率半径为 R2 的球面，在加工前球面的曲率半径应当是 R1=R2-。
13、2.1.32.1.3 球面的均匀磨削和余弦磨削在光学冷加工中的应用球面的均匀磨削和余弦磨削在光学冷加工中的应用 在球面铣磨、精磨和抛光的理想工艺设计中，要以均匀磨削为基础设计各工序 的曲率半径。 在粗磨、精磨和抛光过程中，模具表面磨耗的理想情况是余弦磨耗。 在返修时，单个透镜球面的加工量是余弦磨削。 球面加工到工艺设计尺寸后过量的磨削，也是属于余弦磨削。 2.1.42.1.4 球面加工各工序曲率半径的配合球面加工各工序曲率半径的配合 透镜镜表面加工通常要经过铣磨、精磨、超精磨和抛光四个步骤，精磨加工量 河南工业职业技术学院毕业设计 7 为 2、超精磨加工量为 3、抛光量为 4，假定铣磨后曲率半
14、径为 R1、精磨后曲 率半径为 R2、超精磨后曲率半径为 R3，抛光后曲率半径为 R4。 因此有：R3=R44，R2=R33，R1=R22。 式中：“+”表示为凸面， “-”表示为凹面。 这就是各道工序曲率半径的工艺参数计算原则。在实际加工过程中，直接测量 球面的曲率半径数值是很困难的，通常我们采用比较法进行测量。 2.22.2 在单件加工透镜球面在各工序测量标准的设计原则在单件加工透镜球面在各工序测量标准的设计原则 对透镜球面精度检查的普遍方法是：抛光和超精磨使用球面玻璃样板利用干涉 法检查光圈数，精磨和铣磨使用球径环利用矢高差法测量高度。 这两种测量方法都是以测量被检测球面与参考球面之间的
15、矢高差来比较曲率半 径的偏差。干涉法的测量精度相对较高，其条件是表面要光滑反光。由于需要两表 面接触测量，容易使表面出现擦伤或压伤。矢高法测量精度虽然相对较低，但是量 具的通用性强，对表面粗糙度没有严格的要求。 2.2.12.2.1 球面加工各工序曲率半径设计的顺序球面加工各工序曲率半径设计的顺序 在设计球面加工各工序曲率半径时，必须按照工艺路线从后向前的顺序进行计 算，即先计算抛光后的曲率半径，然后依次计算超精磨、精磨、铣磨后的曲率半径。 因为抛光后是球面最终加工工序，可以根据镜片图纸要求确定，也透镜的参数。而 其它工序，都是根据后道工序的要求和加工余量而制定的，是工艺尺寸。 2.2.22.
16、2.2 球面加工各工序曲率半径计算过程之一球面加工各工序曲率半径计算过程之一 令：镜片图中球面的曲率半径名义值为 R0，抛光后光圈数的中心值为 N0，检测 光圈使用的波长为 ，工作样板的光圈数为 Ny，球面的口径为 Dj；球径环的工作 直径为 D0。 2.2.32.2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程之二球面加工各工序曲率半径计算过程之二 透镜在铣磨、精磨和抛光时，通常它的外径大于透镜完工尺寸，最准确的说法 是：“球面的加工口径大于透镜完工球面的口径” 。令：球面完工后口径为 Dj，球 面加工过程的口径为 D。 球面光学样板的球面口径都大于球面加工过程尺寸，令：球面光学样板的球面 河南工业职业技术学院毕业设计 8 口径为 Dy
