專利名稱：一種帶有斜面的光學(xué)鏡的超精密車削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)器件制造及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大斜面光學(xué)鏡的加工 方法。
背景技術(shù)：
大斜面光學(xué)鏡是架構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)常見的光學(xué)器件，可實現(xiàn)光束匯聚或發(fā)散、進(jìn)行光 路方向調(diào)整，具有縮短系統(tǒng)尺寸、減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能。大斜面光學(xué)鏡自身沒有回轉(zhuǎn)對稱 軸，是一種典型的自由曲面光學(xué)器件，形狀的復(fù)雜性給加工帶來了困難。目前，具有回轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)器件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。單點金剛石車削可實現(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，是加工光學(xué)器件的高效方法。近幾年，隨著快刀和慢刀伺服的出現(xiàn)，為主 軸的轉(zhuǎn)動角度添加了反饋或控制，可實現(xiàn)光學(xué)自由曲面的高效加工。在采用慢刀或快刀伺 服控制技術(shù)進(jìn)行大斜面光學(xué)鏡加工時，由于受到大斜面光學(xué)鏡自身曲率變化的影響，在加 工回轉(zhuǎn)中心區(qū)域時，會因切削范圍過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。因此，有必要開發(fā) 一種單點金剛石車削加工方法來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能夠有效地避免加工過程中的干涉問題，并提高加工效 率的大斜面光學(xué)鏡的車削加工方法。一種帶有斜面的光學(xué)鏡的超精密車削加工方法，利用超精密車床實現(xiàn)，車床坐標(biāo) 系的定義方式為刀具切深方向為Z軸，刀具的水平進(jìn)給方向為X軸，主軸旋轉(zhuǎn)方向為C軸， 定義和X軸和Z軸垂直向上的方向為Y軸方向，加工方法如下1)對于待加工的光學(xué)鏡進(jìn)行粗加工，其中，對該光學(xué)鏡的每個斜面的粗加工方法 如下a)根據(jù)光學(xué)鏡上需要加工的斜面的中心輪廓線，確定進(jìn)行坐標(biāo)變換的兩個基準(zhǔn)占.
^ \\\ b)根據(jù)該斜面的設(shè)計方程計算斜面在X軸方向的兩個基準(zhǔn)點坐標(biāo)，將過兩個基準(zhǔn) 點且垂直XOZ平面的平面作為工件初始平面，根據(jù)該兩個基準(zhǔn)點的連線與Z軸方向夾角，確 定初始工件的外形；c)對需要加工的斜面進(jìn)行粗加工；2)制作夾具并裝配工件于加工機(jī)床的端面，調(diào)整工件初始平面垂直于ζ軸，并調(diào) 整工件中心與主軸中心重合；3)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到兩個端點的連線與χ軸重合，以兩個基準(zhǔn)點的中心坐標(biāo)為 原點的新曲面，并計算整個曲面的法向夾角，確定加工該曲面所需的金剛石刀具后角，選擇 合適的刀具裝配于機(jī)床上；
4)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的曲面進(jìn)行NURBS曲面擬合，按照螺旋線驅(qū)動線順序依次計算加 工點的法向矢量和切削面法向矢量，確定最終的加工路徑，按照該路徑進(jìn)行光學(xué)鏡斜面的 超精密加工。5)若工件為包括多個斜面的光學(xué)鏡，則調(diào)換加工面，并按照步驟2)-4)分別進(jìn)行加工。本發(fā)明通過坐標(biāo)變換將光學(xué)鏡面調(diào)平，減少加工曲面所需的刀具后角角度，不僅 可避免刀具干涉問題，還能提高加工效率，增大加工工件尺寸，適用于任意傾斜度和Sag值 的大斜面光學(xué)器件的加工。


圖1加工系統(tǒng)示意圖。圖2曲面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖。圖3曲面法向夾角示意圖。圖4加工路徑示意圖。圖5曲面法向夾角的變化范圍，(a)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前，(b)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后。圖6自由曲面棱鏡示意圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的加工示意圖。圖中大斜面光學(xué)鏡1經(jīng)粗加工后，需加工的斜面首 先被加工為初始平面，采用夾具3固定于超精密車床上。超精密車床為三軸加工系統(tǒng)，機(jī)床 坐標(biāo)系的定義方式為刀具切深方向為Z軸，刀具的水平進(jìn)給方向為X軸，主軸4旋轉(zhuǎn)方向為 C軸。另外，為了后期計算方便，定義和X軸和Z軸垂直向上的方向為Y軸方向，該方向沒有 運動軸。加工時需調(diào)整加工斜面的初始平面垂直于Z軸。金剛石刀具2按照設(shè)計好的加工 路徑，在三軸的協(xié)調(diào)運動下對斜面的自由曲面進(jìn)行加工成型。本發(fā)明主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)1.初始平面確定大斜面光學(xué)鏡的曲面S1方程設(shè)為ζ = f (X，y)，如圖2中ρ。( ，yQ，z0)和P1 (Χι,Υι, Z1)點為大斜面在X軸方向上的兩個端點，將過Pc1 (Xtl，y0, Z0)和？1(\，Y1, Z1)點且垂直Μ)Ζ 平面的平面作為初始平面。兩點連線與ζ軸方向夾角為β，由此可以計算初始平面和工件 側(cè)面的夾角，按照該角度要求采用普通數(shù)控機(jī)床對初始工件進(jìn)行加工。2.曲面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用夾具將初始工件固定于加工機(jī)床主軸上，調(diào)整初始平面與主軸端面平行，也 就是垂直于Z軸。這種固定方式，使曲面的設(shè)計坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系之間存在一個轉(zhuǎn)換關(guān) 系。圖2顯示了大斜面光學(xué)鏡的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。在初始平面中，p。(X。，y。，z。)點為Pc^PP1A 連線的中心點。經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，P。點移至坐標(biāo)系的原點位置，Ptl和P1點連線與χ軸重合。 設(shè)大斜面光學(xué)鏡上的任意點P(x，y，z)，因此，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的曲面上的對應(yīng)點P' (χ'， y' ,ζ')為，
權(quán)利要求
1. 一種帶有斜面的光學(xué)鏡的超精密車削加工方法，利用超精密車床實現(xiàn)，機(jī)床坐標(biāo)系 的定義方式為刀具切深方向為Z軸，刀具的水平進(jìn)給方向為X軸，主軸旋轉(zhuǎn)方向為C軸，定 義和X軸和Z軸垂直向上的方向為Y軸方向，加工方法如下1)對于待加工的光學(xué)鏡進(jìn)行粗加工，其中，對該光學(xué)鏡的每個斜面的粗加工方法如下a)根據(jù)光學(xué)鏡上需要加工的斜面的中心輪廓線，確定進(jìn)行坐標(biāo)變換的兩個基準(zhǔn)點；b)根據(jù)該斜面的設(shè)計方程計算斜面在χ軸方向的兩個基準(zhǔn)點坐標(biāo)，將過兩個基準(zhǔn)點且 垂直XOZ平面的平面作為工件初始平面，根據(jù)該兩個基準(zhǔn)點的連線與ζ軸方向夾角，確定初 始工件的外形；c)對需要加工的斜面進(jìn)行粗加工；2)制作夾具并裝配工件于加工機(jī)床的端面，調(diào)整工件初始平面垂直于ζ軸，并調(diào)整工 件中心與主軸中心重合；3)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使兩個基準(zhǔn)點的連線與χ軸重合，以兩個基準(zhǔn)點的中心坐標(biāo)為原點 的新曲面，并計算整個曲面的法向夾角，確定加工該曲面所需的金剛石刀具后角，選擇合適 的刀具裝配于機(jī)床上；4)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的曲面進(jìn)行NURBS曲面擬合，按照螺旋線驅(qū)動線順序依次計算加工點 的法向矢量和切削面法向矢量，確定最終的加工路徑，按照路徑進(jìn)行光學(xué)鏡斜面的超精密 加工。5)若工件為包括多個斜面的光學(xué)鏡，則調(diào)換加工面，并按照步驟幻-4)分別進(jìn)行加工。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)器件制造及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有斜面的光學(xué)鏡的超精密車削加工方法在斜面上取兩個基準(zhǔn)點，并確定工件初始平面，對需要加工的斜面進(jìn)行粗加工；制作夾具并裝配工件于加工機(jī)床的端面，調(diào)整工件初始平面垂直于z軸，并調(diào)整工件中心與主軸中心重合；進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到兩個端點的連線與x軸重合，以兩個基準(zhǔn)點的中心坐標(biāo)為原點的新曲面，計算整個曲面的法向夾角，確定加工該曲面所需的金剛石刀具后角，選擇合適的刀具裝配于機(jī)床上，對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的曲面進(jìn)行NURBS曲面擬合，按照螺旋線驅(qū)動線方法確定加工路徑。本發(fā)明通過坐標(biāo)變換將光學(xué)鏡面調(diào)平，減少加工曲面所需的刀具后角角度，能提高加工效率，增大加工工件尺寸，適用于任意傾斜度和Sag值的大斜面光學(xué)器件的加工。
文檔編號B23B1/00GK102078968SQ20111002302
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學(xué)