一種柱面鏡的加工方法

一種柱面鏡的加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種柱面鏡的加工方法，包括：取毛坯，銑磨毛坯基準面；用蠟將毛坯粘接在工裝上；將帶毛坯工裝置于銑磨設備工件軸上，使用千分表打表毛坯基準面，夾緊；編程銑磨待加工柱面；測量加工柱面面型數據；比較面型數據，如Rt值大于1μm，則修正銑磨；如Rt值小于1μm，則進行拋光；如拋光后工件的加工柱面Rt值和Ra值符合預期要求，將工件從工裝上拆下，清洗，即得。本發明的柱面鏡的加工方法，提高了柱面鏡的加工效率和加工精度，可加工高精度的柱面鏡；有效地降低了加工難度和檢測難度，避免了廢品的產生，降低了加工廢品率；工藝簡單，操作方便，具有良好的應用前景。
【專利說明】-種柱面鏡的加工方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學制造【技術領域】，具體涉及一種柱面鏡的加工方法。

【背景技術】
[0002] 柱面鏡是一種非軸對稱的特殊非球面透鏡，能在一維提供最佳光焦度，在與其正 交的另一維等于一平面，這個特點使其在一些特殊領域獲得重要應用。隨著科學的發展，柱 面鏡的應用領域不斷擴大，其精度要求也越來越高。但由于柱面鏡沒有旋轉對稱軸，它的加 工和檢測特別是高精度的加工和檢測比較困難。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種柱面鏡的加工方法，解決現有柱面鏡的加工精度比較低 的問題。
[0004] 為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是：一種柱面鏡的加工方法，包括下 列步驟：
[0005] 1)取四棱柱型毛坯，對與待加工柱面相鄰的一長邊側面進行銑磨，控制該面的平 行度為〇. 002,將該面作為毛述基準面；
[0006] 2)加熱使蠟熔化，將毛坯上與待加工柱面相對的一面涂蠟后，將待加工柱面朝上， 毛坯基準面靠緊工裝的限位結構，將毛坯粘接在工裝上，待蠟冷卻后，得帶毛坯工裝；
[0007] 3)將帶毛坯工裝置于銑磨設備工件軸上，將千分表固定于銑磨設備Z軸上，打表 毛坯基準面，控制平行度為0. 005以內，夾緊；
[0008] 4)編程銑磨待加工柱面，銑磨時工件軸在零位保持不動；
[0009] 5)取編程銑磨后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值和Ra值；
[0010] 6)比較面型數據，如步驟5)所得加工柱面的Rt值大于1 μ m，則進行步驟7);
[0011] 如步驟5)所得加工柱面的Rt值小于或等于1 μ m，則進行步驟8);
[0012] 7)將得到的加工柱面面型數據反饋至銑磨設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-ζ)，用此數據進行修正銑磨，銑磨后返回步驟5);
[0013] 例如某點的檢測面型Χ、Υ、Ζ的值為（2. 5、3、1.2)，則反向后為（2. 5、3、-1.2);
[0014] 8)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以Χ、Υ平面為對稱面的Ζ值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面；
[0015] 例如某點的檢測面型Χ、Υ、Ζ的值為（2. 5、3、1.2)，則反向后為（2. 5、3、-1.2);
[0016] 9)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值和Ra值；如加工 柱面的Rt值和Ra值不符合預期要求，返回步驟8);
[0017] 如加工柱面的Rt值和Ra值符合預期要求，進行步驟10);
[0018] 10)將拋光后的工件從工裝上拆下，清洗，即得一面加工完畢的柱面鏡。
[0019] 所述工裝包括本體，本體上表面設有通槽，通槽底面中部設有貫通本體的通孔；所 述通槽槽口的口沿形成用于支撐工件的支撐面，一邊的所述支撐面上設有限位結構。
[0020] 所述限位結構為限位沿，所述限位沿面對通槽的一面為用于與毛坯的基準面靠緊 的限位靠面。
[0021] 步驟3)中是使用磁力表座將千分表固定在銑磨設備Z軸上。
[0022] 步驟4)中所述編程銑磨待加工柱面是采用蝶形砂輪銑磨三遍柱面。
[0023] 步驟4)中所述編程銑磨待加工柱面是第一遍采用蝶形粗磨砂輪進行銑磨，第二遍 采用蝶形精磨砂輪進行銑磨，第三遍采用蝶形超精磨砂輪進行銑磨。
[0024] 所述粗磨砂輪的粒度為D91，金剛石含量C35 ;所述精磨砂輪的粒度為D20,金剛石 含量C50 ;所述超精磨砂輪的粒度為D18,金剛石含量C75。
[0025] 步驟5)中測量加工柱面面型數據的方法是：將編程銑磨后的工件置于轉臺上，首 先沿柱面母線方向測量，得到柱面Y、Z方向的面型數據；然后旋轉轉臺90°，沿柱面半徑方 向測量，得到柱面Χ、Ζ方向的面型數據；將兩組面型數據按坐標值結合，得到包含Χ、Υ、Ζ坐 標的柱面面型數據，即柱面的Rt值和Ra值。
[0026] 步驟8)中所述拋光是尺寸為φ1〇?φ20的拋光模進行拋光。
[0027] 將步驟10)所得一面加工完畢的柱面鏡重復步驟2)?10)的操作，即得兩面加工 完畢的柱面鏡。
[0028] 本發明的柱面鏡的加工方法，基于計算機控制光學表面成型技術，使用數控機床 實現對柱面的加工；由高精度光學面形測量儀器測量柱面的面形誤差，取得當前表面的面 形數據，將面形數據與預期的面形比較，為下一個加工周期提供面形數據，如此周而復始， 直到得到符合要求的光學表面；通過設計高精度的工裝，保證工件二次粘接位置的一致性。 毛坯銑磨基準面，打表毛坯基準面裝夾，保證零件與設備工具軸的平行關系，從而控制柱面 的偏心。
[0029] 本發明的柱面鏡的加工方法，采用計算機控制光學表面成型技術，精確控制柱面 的面型；靈活運用測量設備測量柱面，直觀地反映出實際表面與預期表面的差值，并根據差 值生成反向圖形，用反向圖形再次加工表面，從而修正表面；經過多次的測量、反饋、修正表 面，提高表面精度至符合要求；本發明的方法，提高了柱面鏡的加工效率和加工精度，可加 工高精度的柱面鏡；有效地降低了加工難度和檢測難度，避免了廢品的產生，降低了加工廢 品率；工藝簡單，操作方便，具有良好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為實施例1所要加工的柱面鏡的結構示意圖；
[0031] 圖2為圖1的俯視圖；
[0032] 圖3為實施例1所用工裝的結構示意圖；
[0033] 圖4為圖3的俯視圖；
[0034] 圖5為加工第一面時帶毛坯工裝的結構示意圖；
[0035] 圖6為加工第一面時帶毛坯工裝安裝結構示意圖；
[0036] 圖7為加工第一面時編程銑磨柱面的示意圖；
[0037] 圖8為圖7的俯視圖，圖中虛線箭頭為砂輪運行軌跡；
[0038] 圖9為加工第二面時帶毛坯工裝的結構示意圖；
[0039] 圖10為加工第二面時拋光柱面的示意圖；
[0040] 圖11為圖10的俯視圖，圖中虛線箭頭為拋光模運行軌跡。

【具體實施方式】
[0041] 下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0042] 實施例1
[0043] 本實施例所要加工的柱面鏡的外形如圖1、2所示，工藝要求為：
[0044] 外形尺寸，長 237. 7、寬96°,,.1;
[0045] 柱面曲率半徑，凹面R-107. 5、凸面R+107. 5 ;
[0046] 面形精度 Rt < 0· 4 μ m、Ra < 0· 04 μ m ;
[0047] 中心偏差x彡1.2';
[0048] 中心厚度尺寸8 ±0. 1 ;
[0049] 表面疵病等級B= V。
[0050] 本實施例的柱面鏡的加工方法，包括下列步驟：
[0051] 加工第一面 R+107. 5 :
[0052] 1)取四棱柱型毛坯，該毛坯長237. 7,寬％*^，厚度22,對與待加工柱面相鄰的一 長邊側面進行銑磨，控制該面的平行度為〇. 002,將該面作為毛坯基準面；
[0053] 取本實施例所用工裝，所述工裝如圖3、4所示，包括本體1，本體1上表面設有通 槽2,通槽2底面中部設有貫通本體1的通孔3 ;所述通槽2槽口的口沿形成用于支撐工件 的支撐面4, 一邊的所述支撐面4上設有限位結構；所述限位結構為限位沿5,所述限位沿5 面對通槽2的一面為用于與毛坯的基準面靠緊的限位靠面6 ;
[0054] 2)加熱使蠟熔化，將毛坯上與待加工柱面相對的一面涂蠟后，如圖5所示，將待加 工柱面朝上，毛坯基準面9靠緊工裝7的限位靠面，將毛坯8粘接在工裝7上，待蠟冷卻后， 工裝的支撐面與毛坯之間形成蠟層10,得帶毛坯工裝；
[0055] 3)將帶毛坯工裝置于銑磨設備工件軸上，如圖6所示，工件軸13上帶液壓膨脹夾 頭，將帶毛坯8的工裝7放入夾頭孔內，用磁力表座15將千分表14固定于銑磨設備Z軸 上，手動操控Z軸移動，打表毛坯基準面，控制平行度為0. 004,扭旋液壓膨脹夾頭的旋鈕， 夾緊；
[0056] 4)編程銑磨待加工柱面R+107. 5,采用碟形粗磨砂輪銑磨一遍待加工柱面后中心 厚度20. 90,更換碟形精磨砂輪銑磨一遍柱面后厚度20. 77,再用碟形超精磨砂輪銑磨一遍 柱面后中心厚度20. 72 ;銑磨時如圖7、8所示，砂輪12順時針轉動，其在毛坯8的待加工柱 面的運行軌跡如虛線箭頭所示，工件軸在零位保持不動；
[0057] 所述粗磨砂輪的粒度為D91，金剛石含量C35 ;所述精磨砂輪的粒度為D20,金剛石 含量C50 ;所述超精磨砂輪的粒度為D18,金剛石含量C75。
[0058] 5)取編程銑磨后的工件，將該工件置于轉臺上，首先沿柱面母線方向測量，得到柱 面Y、Z方向的面型數據；然后旋轉轉臺90°，沿柱面半徑方向測量，得到柱面X、Z方向的面 型數據；將兩組面型數據按坐標值結合，得到包含X、Y、Z坐標的柱面面型數據，得加工柱面 的 Rt 值 L 53 μ m 和 Ra 值 0· 19 μ m ;
[0059] 6)比較面型數據，所得加工柱面的Rt值為1.53 μ m，大于1 μ m，進入修正銑磨步 驟；
[0060] 7)將得到的加工柱面面型數據反饋至銑磨設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Y，-Z)，用此數據進行修正銑磨；
[0061] 8)測量加工柱面的面型數據，得加工柱面的的Rt值0. 94 μ m和Ra值0. 15 μ m ;
[0062] 9)比較面型數據，所得加工柱面的Rt值為0.94 μ m，小于1 μ m，進入拋光步驟；
[0063] 10)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0064] 11)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 91 μ m和Ra 值 0· 14 μ m ;
[0065] 12)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Y，-Z)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0066] 13)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 76 μ m和Ra 值 〇· 12μπι;
[0067] 14)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以Χ、Υ平面為對稱面的Ζ值 的反向數據（X，Υ，-ζ)，用此數據拋光柱面，選用Φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0068] 15)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 59 μ m和Ra 值 0· 08 μ m ;
[0069] 16)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0070] 17)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 47 μ m和Ra 值 0· 06 μ m ;
[0071] 18)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0072] 19)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 39 μ m和Ra 值0. 04 μ m ;面型數據符合預期要求；
[0073] 20)將拋光后的工件從工裝上拆下，清洗，即得一面加工完畢的柱面鏡。
[0074] 加工第二面 R-107. 5 :
[0075] 1)加熱使蠟熔化，將毛坯上與待加工柱面相對的一面涂蠟后，如圖9所示，將待加 工柱面朝上，毛坯基準面9靠緊工裝7的限位靠面，將毛坯8粘接在工裝上，待蠟冷卻后，工 裝的支撐面與毛坯之間形成蠟層10,得帶毛坯工裝；
[0076] 2)將帶毛坯工裝置于銑磨設備工件軸上，用磁力表座將千分表固定于銑磨設備Z 軸上，手動操控Z軸移動，打表毛坯基準面，控制平行度為0. 004,夾緊；
[0077] 3)編程銑磨待加工柱面R-107. 5,采用碟形粗磨砂輪銑磨一遍待加工柱面后中心 厚度8. 25,更換碟形精磨砂輪銑磨一遍柱面后厚度8. 14,再用碟形超精磨砂輪銑磨一遍柱 面后中心厚度8. 09 ;銑磨時工件軸在零位保持不動；
[0078] 4)取編程銑磨后的工件，將該工件置于轉臺上，首先沿柱面母線方向測量，得到柱 面Y、Z方向的面型數據；然后旋轉轉臺90°，沿柱面半徑方向測量，得到柱面X、Z方向的面 型數據；將兩組面型數據按坐標值結合，得到包含X、Y、Z坐標的柱面面型數據，得加工柱面 的 Rt 值 1. 49 μ m 和 Ra 值 0· 18 μ m ;
[0079] 5)比較面型數據，所得加工柱面的Rt值為1.49 μ m，大于1 μ m，進入修正銑磨步 驟；
[0080] 6)將得到的加工柱面面型數據反饋至銑磨設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據進行修正銑磨；
[0081] 7)測量加工柱面的面型數據，得加工柱面的的Rt值0. 89 μ m和Ra值0. 14 μ m ;
[0082] 8)比較面型數據，所得加工柱面的Rt值為0.89 μ m，小于1 μ m，進入拋光步驟；
[0083] 9)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；拋光時，如 圖10、11所示，拋光模12逆時針轉動，其在毛坯8的待加工柱面的運行軌跡如虛線箭頭所 示；
[0084] 10)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 83 μ m和Ra 值 0· 14 μ m ;
[0085] 11)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Y，-Z)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0086] 12)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 78 μ m和Ra 值 〇· 13μπι;
[0087] 13)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以Χ、Υ平面為對稱面的Ζ值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0088] 14)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 62 μ m和Ra 值 0· 09 μ m ;
[0089] 15)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0090] 16)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 54μ m和Ra 值 0· 06 μ m ;
[0091] 17)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0092] 18)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 45 μ m和Ra 值 0· 05 μ m ;
[0093] 19)將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值 的反向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面，選用φ20的小尺寸拋光模進行拋光；
[0094] 20)取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值0. 38 μ m和Ra 值0. 04 μ m ;面型數據符合預期要求；
[0095] 21)將拋光后的工件從工裝上拆下，清洗，即得兩面加工完畢的柱面鏡。
[0096] 本實施例所用主要設備名稱及型號如下：
[0097] 銑磨設備：光學加工中心，型號MCG250 ;
[0098] 測量設備：輪廓儀，型號PGI1240 ;
[0099] 拋光設備：機械手拋光設備，型號MCP250。
【權利要求】
1. 一種柱面鏡的加工方法，其特征在于：包括下列步驟： 1) 取四棱柱型毛坯，對與待加工柱面相鄰的一長邊側面進行銑磨，控制該面的平行度 為0. 002,將該面作為毛述基準面； 2) 加熱使蠟熔化，將毛坯上與待加工柱面相對的一面涂蠟后，將待加工柱面朝上，毛坯 基準面靠緊工裝的限位結構，將毛坯粘接在工裝上，待蠟冷卻后，得帶毛坯工裝； 3) 將帶毛坯工裝置于銑磨設備工件軸上，將千分表固定于銑磨設備Z軸上，打表毛坯 基準面，控制平行度為0. 005以內，夾緊； 4) 編程銑磨待加工柱面，銑磨時工件軸在零位保持不動； 5) 取編程銑磨后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值和Ra值； 6) 比較面型數據，如步驟5)所得加工柱面的Rt值大于1 μ m，則進行步驟7); 如步驟5)所得加工柱面的Rt值小于或等于1 μ m，則進行步驟8); 7) 將得到的加工柱面面型數據反饋至銑磨設備，生成以X、Y平面為對稱面的Z值的反 向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據進行修正銑磨，銑磨后返回步驟5); 8) 將得到的加工柱面面型數據反饋至拋光設備，生成以Χ、Υ平面為對稱面的Ζ值的反 向數據（X，Υ，-Ζ)，用此數據拋光柱面； 9) 取拋光后的工件，測量加工柱面面型數據，得加工柱面的Rt值和Ra值；如加工柱面 的Rt值和Ra值不符合預期要求，返回步驟8); 如加工柱面的Rt值和Ra值符合預期要求，進行步驟10); 10) 將拋光后的工件從工裝上拆下，清洗，即得一面加工完畢的柱面鏡。
2. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：所述工裝包括本體，本體 上表面設有通槽，通槽底面中部設有貫通本體的通孔；所述通槽槽口的口沿形成用于支撐 工件的支撐面，一邊的所述支撐面上設有限位結構。
3. 根據權利要求1或2的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：所述限位結構為限 位沿，所述限位沿面對通槽的一面為用于與毛坯的基準面靠緊的限位靠面。
4. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：步驟3)中是使用磁力表 座將千分表固定在銑磨設備Z軸上。
5. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：步驟4)中所述編程銑磨 待加工柱面是采用蝶形砂輪銑磨三遍柱面。
6. 根據權利要求5的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：步驟4)中所述編程銑磨 待加工柱面是第一遍采用蝶形粗磨砂輪進行銑磨，第二遍采用蝶形精磨砂輪進行銑磨，第 三遍采用蝶形超精磨砂輪進行銑磨。
7. 根據權利要求6的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：所述粗磨砂輪的粒度為 D91，金剛石含量C35 ;所述精磨砂輪的粒度為D20,金剛石含量C50 ;所述超精磨砂輪的粒度 為D18,金剛石含量C75。
8. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：步驟5)中測量加工柱面 面型數據的方法是：將編程銑磨后的工件置于轉臺上，首先沿柱面母線方向測量，得到柱面 Y、Z方向的面型數據；然后旋轉轉臺90°，沿柱面半徑方向測量，得到柱面X、Z方向的面型 數據；將兩組面型數據按坐標值結合，得到包含X、Y、Z坐標的柱面面型數據，即柱面的Rt值 和Ra值。
9. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：步驟8)中所述拋光是采 用尺寸為φΙΟ?φ20的拋光模進行拋光。
10. 根據權利要求1的所述的柱面鏡的加工方法，其特征在于：將步驟10)所得一面加 工完畢的柱面鏡重復步驟2)?10)的操作，即得兩面加工完畢的柱面鏡。
【文檔編號】B24B13/00GK104290002SQ201310627647
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】袁兆峰, 孫紅曉, 劉伏濤 申請人:中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所