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1、Company LOGO 数控非球面加工技术 吴肖杰 S15020252 COMPANY LOGO Company Logo 目录 非球面光学零件的简介 1 非球面光学零件的加工方法2 计算机控制光学表面成型技术3 直径76.2 mm非球面数控加工工艺4 数控非球面加工的影响因素5 COMPANY LOGO Part1. 非球面光学零件的简简介 非球面光学元件，是指面形由多项项高次方程决 定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。 Company Logo COMPANY LOGO 1.1非球面的分类类： v 二次曲面 v 单轴对单轴对 称非球面 （抛物面、双曲面、椭圆椭圆 面） v按对对称轴轴
2、的数量 回转转高次曲面 v 二轴对轴对 称非球面：柱面、复曲面 v 大型非球面：直径超过过0.5m以上 v 按外形尺寸 中型非球面：一般光学仪仪器中的非球面光学零件 v 微型非球面：镜头镜头 口径2-9mm,甚至0.1-0.8mm v 高精度非球面：天文仪仪器中的主镜镜、用于摄谱仪摄谱仪 中的物 镜镜 v 按制造精度 中等精度非球面：各种光学仪仪器中的物镜镜、目镜镜、反射 镜镜 v 低精度非球面：Company Logo COMPANY LOGO 1.2非球面的优优点 v1.具有优优良的光学性能：无球差 v2.改善了成像质质量 v3.简简化了光学系统统：在光学系统中用一个非球面 代替多个球面来
3、校正像差。 v4.减轻轻了仪仪器的质质量 Company Logo COMPANY LOGO 1.3非球面光学零件的应应用 非球面光学零件已广泛应应用于航空机载设载设 备备、卫卫星、激光制导导、红红外探测测等领领域，同时时 在民用光电产电产 品上的应应用也越来越普及。光学系 统统中采用非球面元件，可以提高系统统的性能，减 少光学元件的数量，从而减轻仪轻仪 器的质质量，减小 体积积，紧紧凑结结构。因此，非球面常常应应用于大视视 场场、大孔径，像差要求高，结结构要求小，或有特 殊要求的光学系统统中，非球面光学零件因其优优良 的光学性能而日益成为为一类类非常重要的光学零 件。 Company Log
4、o COMPANY LOGO v正是由于光学非球面元件的广泛使用，使得光学 非球面的加工技术术得到了快速发发展。近年来随着 超精密微细细加工技术术的发发展、高精密数控机床的 出现现，使非球面光学零件的加工技术术有了长长足的 进进展。 v它提高了加工精度和加工质质量，缩缩短了产产品研制 周期，实现实现 了加工及检测检测 的自动动化、数字化，突 破了传统传统 的手工或半手工操作，从而提高了加工 效率和制造精度。 Company Logo COMPANY LOGO 1.4非球面光学零件制造过过程 v非球面制造通常分为为非球面成形和光学面实现实现 两 个工艺艺方面。 v1）非球面成形：就是通过过研磨等
5、方法使零件表 面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还还很大 ，还还不是光学面，不能够够透射或反射光。 v2）光学非球面实现实现 ：主要有抛光、模压压和切削 等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表 面粗糙度，使之成为为光学面。 v还还有一些非球面制造的非球面成型和光学面实现实现 是同时时完成，如单单点金刚刚石车车削、光学塑料模 压压、玻璃模压压等。 Company Logo COMPANY LOGO Company Logo Part2.非球面光学零件的加工方法: 1）表面材料去除法 ：去除工件上多余的材料，最终得 到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度要求。 2）改变材料形状法: 是通过加热
6、的方法将光学材料的形 状改变从而实现非球面制造。光学塑料模压技术 3) 材料表面沉积法：是通过在一种光学材料表面沉积其 他光学材料制造非球面的方法。表面镀膜法、表面复制法 4) 改变材料性质法 加工应根据零件的材料、形状、精度和口径等因素 的不同，采用不同的加工方法。 非球面光学零件的加工方法 COMPANY LOGO 表面材料去除法 传统传统 的研磨方法：主要有研磨抛光法、仿形研磨与抛 光、应应力变变形研磨与抛光、柔性抛光等。其中柔性抛 光有软软材料或气囊来实现实现 柔性抛光方法，还还有磁流变变 抛光技术术。 v计计算机控制光学加工技术术具有先进进水平，它包括单单点 金刚刚石切削技术术、计计
7、算机数控铣铣削抛光技术术、计计算机 数控铣铣磨抛光技术术、计计算机数控应应力变变形研磨与抛光 技术术。 v高能束流方法：通过过高能束流去除表面材料实现实现 非球 面制造，如离子束抛光、离子束刻蚀蚀，高压压液体射 流。 v化学腐蚀蚀也可以实现实现 表面材料的去除，但是，该类该类 方 法的研究不是很多。 Company Logo COMPANY LOGO v数控研磨抛光法：这种方法主要靠精密数控研磨 和抛光加工各种非球面零件。这种机床上可进行 各种玻璃零件加工。 v优缺点：精度高，但设备昂贵，最终抛光还需要 手修。 v在非球面中最常见见的是一个对对称轴轴的回转转非球面 ，回转转非球面通常采用数控机
8、床进进行加工。 Company Logo COMPANY LOGO 超精密精密 图图-1 超精密加工非球面车车床 1-工件主轴轴 ；2-旋转转台； 3-旋转转滑板 ； 4-X轴驱动轴驱动 机 构 5-防震机构； 6-激光头头 ；7-z轴轴滑板 ；8-z轴驱动轴驱动 机构 Company Logo COMPANY LOGO Part3.计计算机控制光学表面成型技术术 v非球面数控加工主要运用的是计计算机控制光学表 面成 型（computer controlled optical surface，CCOS）技术术。 v3.1 CCOS技术术基本原理： 它根据定量的面形检测检测 数据，建立加工过过程
9、的 控制模型，用计计算机控制一个小磨头对头对 非球面零 件进进行研磨抛光，通过过控制磨头头在工件表面的驻驻 留时间时间 及相对压对压 力来控制材料的去除量。 Company Logo COMPANY LOGO CC 图图2 CCOS加工非球面基本原理示意图图 1非球面元件 2小磨头头 Company Logo COMPANY LOGO 3.2 CCOS技术术的优优点 v计计算机控制小工具抛光技术术的实质实质 和目的是把高 级级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计计 算机驱动驱动 机床运动动系统统，从而控制抛光模对对工件 表面进进行加工。 v与传统传统 加工方法比较较，计计算机控制小工具抛光
10、技 术对术对 工件面形的判断更加准确，抛光过过程控制更 加可靠，使大口径非球面光学元件的加工效率和 加工精度得到大幅度提高。 Company Logo COMPANY LOGO 3.3 CCOS技术术的基础础理论论方程： v目前，描述光学表面抛光过过程比较较成功的数学模 型是Preston（普雷斯顿顿）方程如下： Company Logo COMPANY LOGO Company Logo COMPANY LOGO v经过经过 普雷斯顿顿假设设，光学抛光过过程顺顺利的简简化 了。计计算机控制小工具抛光技术术也是以此为为基础础 ，上式正是计计算机控制抛光技术术的基础础方程。 v只要我们对们对 抛
11、光过过程的描述正确，并已知被抛光 位置的压压力、相对对抛光速度以及抛光时间时间 ，就可 以计计算出在这这个位置的材料去除量。 Company Logo COMPANY LOGO Company Logo COMPANY LOGO Company Logo 3.4 CCOS技术术的加工流程 v1.由高精度光学面形测测量仪仪器测测量光学元件的面 形误误差，取得当前光学表面的面形数据。 v2.将面形数据与预预期的面形比较较，得到本加工周 期所需要达到的材料去除分布函数。 v3.选择选择 抛光参数，根据预预期的材料去除量计计算驻驻 留时间时间 函数和最优优化加工路径，并通过计过计 算机模 拟拟最终终抛
12、光结结果，如果模拟结拟结 果不符合要求，则则 需要重新选择选择 抛光参数，再一次送到机床数控系 统统。 COMPANY LOGO v4.重复第（3）步，直到模拟拟的抛光结结果符合要 求时时，将抛光模运动动参数转转化成机床控制文件， 并传传送到机床数控系统统。 v5.机床数控系统读统读 入并执执行控制文件，驱动驱动 机床 各运动动机构按照一定参数运行，实现实现 本周期内抛 光模对对工件表面的加工。 v6.这这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪检测仪 器 实时检测实时检测 工件面形，为为下一个加工周期提供面形 数据，如此周而复始，直到得到符合要求的光学 表面。 Company Logo COMP
13、ANY LOGO Company Logo 计算机控制抛光技术加工流程图 COMPANY LOGO Part4.直径76.2 mm非球面数控加工工艺艺 v将利用 OPTECH 非球面数控机床加工直径为为 76.2 mm，R 为 125.2 mm，K=0.475，d=8 0.1，A=5.35741e-8，B=-2.846 56e-11 ，C=4.16788e-14，D=-2.547 51e-17，材 料为为K9的非球面透镜镜。 Company Logo COMPANY LOGO v非球面加工工艺艺流程如图图所示 Company Logo 图3 工艺流程图 COMPANY LOGO4.1预预抛光工
14、艺艺 v零件经铣经铣 磨成型后，表面留有金刚刚石砂轮铣轮铣 磨痕迹 ，要通过过抛光过过程将痕迹去除。采用面积较积较 小的抛 光盘盘，能够够跟踪工件面形的变变化趋势趋势 ，更好地修正 局部误误差，在短时间时间 内就能使工件的面形精度达到 要求，但是由于它产产生比较较明显显的表面波纹纹度，从 而导导致表面中高频误频误 差，元件产产生高级级像差。为为了 避免这这种中高频误频误 差，首先对对零件进进行弹弹性抛光 盘预盘预 抛光。 v预预抛光过过程中，工件轴轴、工具轴转轴转 速分别为别为 150 rpm 和450rpm ，摆摆角 21.7时时，抛光 15 min，工件表面的铣铣磨痕迹全部被去除掉。抛光液
15、 温度调调整到 27 时时，材料去除量最大，整个表面 能够够被快速抛亮。 Company Logo COMPANY LOGO v非球面加工工艺艺流程如图图所示 Company Logo 图3 工艺流程图 COMPANY LOGO 4.2非球面数控反馈铣馈铣 磨抛光工艺艺 为为解决弹弹性抛光盘严盘严 重破坏面形精度的问题问题 ， 现现将检测检测 曲线线反馈馈到铣铣磨机中，第二次铣铣磨非球 面，在此过过程中引入补偿补偿 量，补偿补偿 掉由抛光引起的 面形误误差。即在铣铣磨过过程中刻意使其具有与之前 测测得的误误差相反的面形误误差，在抛光去除量大的地 方磨削量减小，而抛光去除量小的地方则则增大。 C
16、ompany Logo COMPANY LOGO v非球面加工工艺艺流程如图图所示 Company Logo 图3 工艺流程图 COMPANY LOGO 4.3非球面数控小磨头头修抛工艺艺 v小抛头头修抛过过程中，表面去除量参数之间间的关系 可以由 Preston 模型给给出，在磨头头与工件间间相 互作用的小区域内，磨头对头对 工件表面材料的去除 量与压压力、相对对速度以及驻驻留时间时间 成正比。根据 轮轮廓仪测仪测 得的预预抛光检测检测 曲线线，调调整工件轴转轴转 速和工具轴转轴转 速分别为别为 500 rpm 和 2 500 rpm，其他条件不变变，进进行几次修正抛光,多次 重复修磨元件，表面面形精度逐步收敛敛。 Company Logo COMPANY LOGO Part5 数控非球面加工的影响因素 5.1粗磨的影响因素 金刚刚石磨具的粒度 、浓浓度，磨轮轮的硬度， 铣铣磨深度 5
